Устройство хранения информации на органических молекулах. В настоящее время устройства хранения информации, применяемые в компьютерной технике, по объему сохраняемой информации практически достигли своего физического предела. На фоне непрерывного совершенствования электронной базы (рост производительности компьютера происходит по экспоненциальному закону - практически за год производительность возрастает в 1,2-1,5 раза), можно утверждать, что развитие устройств хранения информации «стоит на месте». Пять лет назад емкость стандартного HDD составляла около 40-0 Гбайт, в настоящее время она достигает 100-150 Гбайт. Емкость стандартного CDROM, остановилась на отметке 700 Мбайт. Пришедшие на смену CDROM, хотя так и не вытеснившие их окончательно, DVD-диски, имеют объем 4,7 Гбайт. Обещавшийся с начала XXI века диск нового стандарта BluRay (BD), анонсировался к массовому выпуску в январе 2003, 2004, 2005 годов, однако появился в продаже только осенью 2007года и, до сих пор, с трудом находит путь к конечному потребителю. Технологии используемые в вышеперечисленных устройствах представляют собой эволюционное развитие технологий использовавшихся еще в гибких дисках. В них нет ничего принципиально нового – увеличение объема записываемой информации осуществлено только за счет изменения длины волны записывающего лазера и, соответственно, уменьшения размера записываемого пикселя. Конечно, можно предположить, что дальнейшее увеличение плотности записи может быть осуществлено за счет дальнейшего уменьшения длины волны записывающего источника вплоть до рентгеновских лучей. Однако, обеспечит ли уровень развития механики и оптики дальнейшее увеличение плотности записи? Ведь задержка выхода BluRay на рынок связана как раз с трудностями решения проблем позиционирования считывающего устройства. Все большее количество экспертов и потребителей склоняется к тому, что BluRay является последним представителем эволюционного пути развития устройств хранения информации. На смену им должны прийти устройства реализующие новые физические и технические решения. Очевидно, что резкое увеличение плотности записи может быть получено только за счет увеличения количества измерений. Это могут быть пространственные измерения – запись будет осуществляться не только по плоскости, но и по глубине или «виртуальные» измерения – длина волны, поляризация излучения, угол наклона и т.п. При этом, следует отметить, что лучшие перспективы будут иметь устройства обеспечивающие преемственность – позволяющие использовать носители информации предыдущего поколения – CD, DVD, BD. По-видимому, это должны быть устройства обеспечивающие 3-х мерную послойную запись информации. При этом объем отдельного слоя будет сопоставим с объемом слоя предыдущего поколения носителей, а увеличение суммарного объема будет происходить за счет увеличения количества слоев, косвенным подтверждением этому является анонсированный Pioneer 16-слойный диск с суммарным объемом 400Гб. Единственным недостатком данного диска является невозможность даже однократной записи – диск может быть только изготовлен на производстве. При переходе на 3-х мерную запись информации необходимо изменение физических принципов записи. До настоящего времени все оптические носители информации были основаны на тепловых механизмах. В носителях (CD, DVD, BD дисках) запись-стирание информации осуществлялись за счет изменения оптических свойств среды при фазовом переходе вещества, осуществлявшемся путем нагрева. Очевидно, что построение 3-х мерного оптического диска на тепловом фазовом переходе невозможно. Поглощение оптического излучения в вышележащих слоях будет приводить к уменьшению доли излучения доходящего до нижележащих слоев, что сделает невозможным фазовый переход в этих слоях. Увеличение же мощности источника будет приводить к уничтожению информации в вышележащих слоях. Одним из возможных путей решения данной проблемы является переход на материалы, работающие на других физических принципах. Перспективным является развитие материалов обладающих свойством фотохромизма – то есть изменения оптических свойств материала (коэффициента пропускания, преломления, оптической активности и т.п.) под воздействием света с определенной длиной волны. При этом фотохромизм может иметь выраженный нелинейный характер (двухфотонные механизмы взаимодействия) заключающийся в том, что изменение оптических свойств материала происходит только при достижении определенной пороговой плотности мощности излучения, при меньших плотностях свет проходит через материал без изменения его свойств. . Соответственно для решения задачи создания устройства 3-х мерной записи-считывания информации необходимо решить несколько подзадач: 1. Создание фоторегистрирующей среды, обеспечивающей запись, считывание, стирание информации от выбранного лазерного источника. 2. Создание миниатюрного лазера, обеспечивающего генерацию в требуемом диапазоне длин волн – всего скорей в видимом свете и ближнем ультрафиолете. 3. Определение структуры и разработка технологии изготовления многослойного носителя (компакт-диска) обеспечивающего запись, считывание, стирание информации. Вследствие того, что при разработке принципов 3-х мерной записи необходимо учитывать эффекты дифракции и интерференции, макетирование и исследование свойств материалов необходимо производить при реальных размерах области записи. Данные размеры составляют доли микрометра. Проведение такого макетирования с использованием простых решений невозможно. Создание оптической системы обеспечивающей пятно фокусировки размером порядка одного микрометра с перефокусировкой по глубине материала представляет собой нетривиальную задачу. Поэтому проведение исследований целесообразно начинать с создания макета оптического устройства, обеспечивающего требуемые параметры. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ТРЕХМЕРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ. На настоящий момент существуют четыре типа оптических носителей информации (Рис.1.1). Это CD, DVD, HD DVD и BluRay. Хотя стандарт HD DVD уже практически сошел со сцены, его разработчик - фирма Toshiba отказалась от его дальнейшей поддержки. Характеристики данных носителей приведены на рисунке. Как видно из рисунка на настоящий момент современные носители используют так называемый «синий» лазер, излучающий на длине волны 405 нм, что является границей видимого спектра электромагнитного излучения и надеятся на разработку промышленных технологий лазерных диодов излучающих в более коротковолновой области видимо не стоит. Кроме того, используемые объективы с числовой апертурой до 0,85 достигли теоретического предела для обычной, пусть и асферической оптики. Размер пятна фокусировки является величиной пропорциональной отношению /NA, где – длина волны излучения, NA – числовая апертура фокусирующего объектива. Дальнейшее увеличение числовой апертуры возможно только с использованием дифракционной оптики, масштабного промышленного производства которой не существует. Дальнейшее уменьшение пятна фокусировки, видимо, является нецелесообразным, так как даже требуемые для BluRay и HD DVD точности фокусировки с трудом обеспечиваются существующими механическими приводами.
Рис. 1.1. Существующие оптические носители информации. На первый взгляд кажется, что оптические носители исчерпали резервы увеличения емкости. Однако, существует несколько возможных путей существенного увеличения объема записываемой информации: - многослойная запись; - многоуровневая запись на основе комбинированной фазовой модуляции; - запись в ближнем поле; - многослойные диски на основе флуоресцирующих сред; - комбинации вышеперечисленных способов. Теоретические оценки показывают, что при комбинации вышеупомянутых способов возможно увеличение емкости стандартного оптического носителя диаметром 120мм до 1 Тбайта. Основой для увеличения объема оптического диска является переход на многослойную структуру. Примеры записи-считывания информации с многослойных оптических дисков иллюстрируются рис. 1.2 и 1.3.
Рис.1.2. Процесс записи информации на многослойный оптический диск.
Рис.1.3. Процесс чтения информации с многослойного оптического диска. Переход к многослойным носителям требует разработки новых сред и новых принципов записи информации. Из известных на настоящее время способов и сред одно и двухфотонная флуоресценция, бактериоходопсины, голография и спектрально-селективные среды, наиболее перспективным представляется развитие сред на основе фотохромных материалов. Фотохромные материалы позволяют перейти к трехмерному хранению информации. Достаточно подробный анализ состояния работ в данном направлении приведен в [S. Kawata, Y. Kawata, Three-Dimensional Optical Data Storage Using Photochromic Materials. – Chemical Review 2000, 100, p. 1777-1788]. Из материала обзора вытекает необходимость комплексного подхода к решению задачи создания устройства хранения информации повышенной емкости на основе фотохромных полимеров. В связи с тем, что возможен целенаправленный синтез фотохромов с заданными свойствами при разработке подходов к созданию нового устройства необходимо отталкиваться не от свойств фотохрома или фотополимера, а от существующих источников света, которые могут быть миниатюризированы с сохранением всех функциональных свойств – для встраивания их в устройства записи-считывания. Выбор лазеров, которые могут быть использованы для решения данной задачи, невелик. Практически можно ориентироваться только на наиболее изученные в настоящий момент лазеры на основе кристаллов YAG и YVO4 легированных ионами Nd3+. Данные лазеры излучают на длине волны 1064 нм и их излучение может быть преобразовано во вторую-четвертую гармонику с длиной волны 532, 355 и 266 нм, соответственно. Однако, вследствие нелинейности процесса преобразования, его высокая эффективность может быть легко получена при достаточно высоких энергиях импульса. Для устройств хранения информации применение мощного лазерного источника невозможно из-за его высокой стоимости и габаритов. Следовательно, необходимо проведение работ по оптимизации лазерного источника с нелинейным преобразованием излучения в видимый и ультрафиолетовый диапазоны длин волн.
...
Жертвами безрабо ...
Краса на воде. М ...
Рис. 1.3. Тонкая ...
Рис. 1.2. Тонкая ...
Рис. 1.1. Тонкая ...
Лабораторный обр ...
Рис.1.3. Процесс ...
Рис.1.2. Процесс ...
Рис. 1.1. Сущест ...
Техно. Устройств ...
Путин В.В.
Дубна, ОЭЗ, вид ...
Дубна, ОЭЗ, глав ...
Дубна, ОЭЗ, глав ...
Дубна, ОЭЗ, глав ...
фото
В настоящее время устройства хранения информации, применяемые в компьютерной технике, по объему сохраняемой информации практически достигли своего физического предела. На фоне непрерывного совершенствования электронной базы (рост производительности компьютера происходит по экспоненциальному закону - практически за год производительность возрастает в 1,2-1,5 раза), можно утверждать, что развитие устройств хранения информации «стоит на месте». Пять лет назад емкость стандартного HDD составляла около 40-0 Гбайт, в настоящее время она достигает 100-150 Гбайт. Емкость стандартного CDROM, остановилась на отметке 700 Мбайт. Пришедшие на смену CDROM, хотя так и не вытеснившие их окончательно, DVD-диски, имеют объем 4,7 Гбайт. Обещавшийся с начала XXI века диск нового стандарта BluRay (BD), анонсировался к массовому выпуску в январе 2003, 2004, 2005 годов, однако появился в продаже только осенью 2007года и, до сих пор, с трудом находит путь к конечному потребителю. Технологии используемые в вышеперечисленных устройствах представляют собой эволюционное развитие технологий использовавшихся еще в гибких дисках. В них нет ничего принципиально нового – увеличение объема записываемой информации осуществлено только за счет изменения длины волны записывающего лазера и, соответственно, уменьшения размера записываемого пикселя. Конечно, можно предположить, что дальнейшее увеличение плотности записи может быть осуществлено за счет дальнейшего уменьшения длины волны записывающего источника вплоть до рентгеновских лучей. Однако, обеспечит ли уровень развития механики и оптики дальнейшее увеличение плотности записи? Ведь задержка выхода BluRay на рынок связана как раз с трудностями решения проблем позиционирования считывающего устройства. Все большее количество экспертов и потребителей склоняется к тому, что BluRay является последним представителем эволюционного пути развития устройств хранения информации. На смену им должны прийти устройства реализующие новые физические и технические решения. Очевидно, что резкое увеличение плотности записи может быть получено только за счет увеличения количества измерений. Это могут быть пространственные измерения – запись будет осуществляться не только по плоскости, но и по глубине или «виртуальные» измерения – длина волны, поляризация излучения, угол наклона и т.п. При этом, следует отметить, что лучшие перспективы будут иметь устройства обеспечивающие преемственность – позволяющие использовать носители информации предыдущего поколения – CD, DVD, BD. По-видимому, это должны быть устройства обеспечивающие 3-х мерную послойную запись информации. При этом объем отдельного слоя будет сопоставим с объемом слоя предыдущего поколения носителей, а увеличение суммарного объема будет происходить за счет увеличения количества слоев, косвенным подтверждением этому является анонсированный Pioneer 16-слойный диск с суммарным объемом 400Гб. Единственным недостатком данного диска является невозможность даже однократной записи – диск может быть только изготовлен на производстве.
При переходе на 3-х мерную запись информации необходимо изменение физических принципов записи. До настоящего времени все оптические носители информации были основаны на тепловых механизмах. В носителях (CD, DVD, BD дисках) запись-стирание информации осуществлялись за счет изменения оптических свойств среды при фазовом переходе вещества, осуществлявшемся путем нагрева. Очевидно, что построение 3-х мерного оптического диска на тепловом фазовом переходе невозможно. Поглощение оптического излучения в вышележащих слоях будет приводить к уменьшению доли излучения доходящего до нижележащих слоев, что сделает невозможным фазовый переход в этих слоях. Увеличение же мощности источника будет приводить к уничтожению информации в вышележащих слоях.
Одним из возможных путей решения данной проблемы является переход на материалы, работающие на других физических принципах. Перспективным является развитие материалов обладающих свойством фотохромизма – то есть изменения оптических свойств материала (коэффициента пропускания, преломления, оптической активности и т.п.) под воздействием света с определенной длиной волны. При этом фотохромизм может иметь выраженный нелинейный характер (двухфотонные механизмы взаимодействия) заключающийся в том, что изменение оптических свойств материала происходит только при достижении определенной пороговой плотности мощности излучения, при меньших плотностях свет проходит через материал без изменения его свойств.
. Соответственно для решения задачи создания устройства 3-х мерной записи-считывания информации необходимо решить несколько подзадач:
1. Создание фоторегистрирующей среды, обеспечивающей запись, считывание, стирание информации от выбранного лазерного источника.
2. Создание миниатюрного лазера, обеспечивающего генерацию в требуемом диапазоне длин волн – всего скорей в видимом свете и ближнем ультрафиолете.
3. Определение структуры и разработка технологии изготовления многослойного носителя (компакт-диска) обеспечивающего запись, считывание, стирание информации.
Вследствие того, что при разработке принципов 3-х мерной записи необходимо учитывать эффекты дифракции и интерференции, макетирование и исследование свойств материалов необходимо производить при реальных размерах области записи. Данные размеры составляют доли микрометра. Проведение такого макетирования с использованием простых решений невозможно. Создание оптической системы обеспечивающей пятно фокусировки размером порядка одного микрометра с перефокусировкой по глубине материала представляет собой нетривиальную задачу. Поэтому проведение исследований целесообразно начинать с создания макета оптического устройства, обеспечивающего требуемые параметры.
АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ТРЕХМЕРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ.
На настоящий момент существуют четыре типа оптических носителей информации (Рис.1.1). Это CD, DVD, HD DVD и BluRay. Хотя стандарт HD DVD уже практически сошел со сцены, его разработчик - фирма Toshiba отказалась от его дальнейшей поддержки. Характеристики данных носителей приведены на рисунке. Как видно из рисунка на настоящий момент современные носители используют так называемый «синий» лазер, излучающий на длине волны 405 нм, что является границей видимого спектра электромагнитного излучения и надеятся на разработку промышленных технологий лазерных диодов излучающих в более коротковолновой области видимо не стоит. Кроме того, используемые объективы с числовой апертурой до 0,85 достигли теоретического предела для обычной, пусть и асферической оптики. Размер пятна фокусировки является величиной пропорциональной отношению /NA, где – длина волны излучения, NA – числовая апертура фокусирующего объектива. Дальнейшее увеличение числовой апертуры возможно только с использованием дифракционной оптики, масштабного промышленного производства которой не существует. Дальнейшее уменьшение пятна фокусировки, видимо, является нецелесообразным, так как даже требуемые для BluRay и HD DVD точности фокусировки с трудом обеспечиваются существующими механическими приводами.
Рис. 1.1. Существующие оптические носители информации.
На первый взгляд кажется, что оптические носители исчерпали резервы увеличения емкости. Однако, существует несколько возможных путей существенного увеличения объема записываемой информации:
- многослойная запись;
- многоуровневая запись на основе комбинированной фазовой модуляции;
- запись в ближнем поле;
- многослойные диски на основе флуоресцирующих сред;
- комбинации вышеперечисленных способов.
Теоретические оценки показывают, что при комбинации вышеупомянутых способов возможно увеличение емкости стандартного оптического носителя диаметром 120мм до 1 Тбайта.
Основой для увеличения объема оптического диска является переход на многослойную структуру. Примеры записи-считывания информации с многослойных оптических дисков иллюстрируются рис. 1.2 и 1.3.
Рис.1.2. Процесс записи информации на многослойный оптический диск.
Рис.1.3. Процесс чтения информации с многослойного оптического диска.
Переход к многослойным носителям требует разработки новых сред и новых принципов записи информации. Из известных на настоящее время способов и сред одно и двухфотонная флуоресценция, бактериоходопсины, голография и спектрально-селективные среды, наиболее перспективным представляется развитие сред на основе фотохромных материалов.
Фотохромные материалы позволяют перейти к трехмерному хранению информации. Достаточно подробный анализ состояния работ в данном направлении приведен в [S. Kawata, Y. Kawata, Three-Dimensional Optical Data Storage Using Photochromic Materials. – Chemical Review 2000, 100, p. 1777-1788]. Из материала обзора вытекает необходимость комплексного подхода к решению задачи создания устройства хранения информации повышенной емкости на основе фотохромных полимеров. В связи с тем, что возможен целенаправленный синтез фотохромов с заданными свойствами при разработке подходов к созданию нового устройства необходимо отталкиваться не от свойств фотохрома или фотополимера, а от существующих источников света, которые могут быть миниатюризированы с сохранением всех функциональных свойств – для встраивания их в устройства записи-считывания. Выбор лазеров, которые могут быть использованы для решения данной задачи, невелик. Практически можно ориентироваться только на наиболее изученные в настоящий момент лазеры на основе кристаллов YAG и YVO4 легированных ионами Nd3+. Данные лазеры излучают на длине волны 1064 нм и их излучение может быть преобразовано во вторую-четвертую гармонику с длиной волны 532, 355 и 266 нм, соответственно. Однако, вследствие нелинейности процесса преобразования, его высокая эффективность может быть легко получена при достаточно высоких энергиях импульса. Для устройств хранения информации применение мощного лазерного источника невозможно из-за его высокой стоимости и габаритов. Следовательно, необходимо проведение работ по оптимизации лазерного источника с нелинейным преобразованием излучения в видимый и ультрафиолетовый диапазоны длин волн.
рис в альбоме