Memorizzazione dei dati ottici 3D

Panoramica

I supporti di memorizzazione dei dati ottici attuali , come i dati di archiviazione di CD e DVD , sono rappresentati da una serie di segni riflettenti su una superficie interna di un disco. Per aumentare la capacità di archiviazione, è possibile che i dischi mantengano due o anche più di questi livelli di dati, ma il loro numero è severamente limitato poiché il laser di indirizzamento interagisce con ogni livello che attraversa sulla strada da e verso il livello indirizzato . Queste interazioni causano rumore che limita la tecnologia a circa 10  livelli. I metodi di archiviazione ottica dei dati 3D aggirano questo problema utilizzando metodi di indirizzamento in cui solo il voxel indirizzato in modo specifico(pixel volumetrico) interagisce sostanzialmente con la luce di indirizzamento. Ciò implica necessariamente metodi di lettura e scrittura di dati non lineari, in particolare l’ottica non lineare .

La memorizzazione ottica dei dati 3D è correlata (e compete con) all’archiviazione dei dati olografici . Gli esempi tradizionali di memorizzazione olografica non si rivolgono nella terza dimensione e pertanto non sono strettamente “3D”, ma più recentemente l’archiviazione olografica 3D è stata realizzata mediante l’uso di microologrammi. La tecnologia multistrato di selezione strato (dove un disco multistrato ha livelli che possono essere attivati ​​individualmente, ad esempio elettricamente) è anche strettamente correlato.

Ad esempio, un prototipo di sistema di archiviazione ottica dei dati 3D può utilizzare un disco che assomiglia molto a un DVD trasparente. Il disco contiene molti livelli di informazioni, ciascuno con una profondità diversa nel supporto e ciascuno costituito da una traccia a spirale simile a un DVD. Per registrare le informazioni sul disco, un laser viene messo a fuoco su una particolare profondità del supporto che corrisponde a un particolare livello di informazione. Quando il laser è acceso, provoca un cambiamento fotochimico nel supporto. Mentre il disco gira e la testina di lettura / scrittura si muove lungo un raggio, il livello viene scritto proprio come viene scritto un DVD-R. La profondità della messa a fuoco può quindi essere cambiata e un altro strato di informazioni completamente diverso scritto. La distanza tra gli strati può essere compresa tra 5 e 100 micrometri, consentendo di memorizzare> 100 strati di informazioni su un singolo disco.

Per leggere i dati indietro (in questo esempio), una procedura simile viene utilizzata tranne questa volta invece di causare un cambiamento fotochimico nel supporto che il laser provoca la fluorescenza . Ciò si ottiene ad esempio utilizzando una potenza laser inferiore o una lunghezza d’onda laser diversa. L’intensità o la lunghezza d’onda della fluorescenza è diversa a seconda che il supporto sia stato scritto in quel punto e quindi, misurando la luce emessa, i dati vengono letti.

La dimensione delle singole molecole cromoforo o dei centri di colore fotoattivo è molto più piccola della dimensione del fuoco del laser (che è determinata dal limite di diffrazione ). La luce quindi indirizza un numero elevato (forse anche 10 ⁹ ) di molecole in qualsiasi momento, quindi il mezzo agisce come una massa omogenea piuttosto che come una matrice strutturata dalle posizioni dei cromofori.

Storia

Le origini del campo risalgono agli anni ’50, quando Yehuda Hirshberg sviluppò gli spiropiti fotocromici e suggerì il loro uso nella conservazione dei dati. ^[3] Negli anni ’70, Valeri Barachevskii dimostrò ^[4] che questo fotocromismo poteva essere prodotto mediante eccitazione a due fotoni e, alla fine degli anni ’80, Peter M. Rentzepis dimostrò che ciò poteva portare all’archiviazione dei dati tridimensionale. ^[5] Questo sistema di proof-of-concept ha stimolato una grande quantità di ricerca e sviluppo, e nei decenni seguenti molti gruppi accademici e commerciali ^[ chi? ] hanno lavorato su 3D prodotti e tecnologie di archiviazione ottica dei dati. La maggior parte dei sistemi sviluppati si basa in una certa misura sulle idee originali di Rentzepis. È stata studiata una vasta gamma di fenomeni fisici per la lettura e la registrazione dei dati, sono stati sviluppati e valutati un gran numero di sistemi chimici per il mezzo e sono stati svolti lavori approfonditi per risolvere i problemi associati ai sistemi ottici richiesti per la lettura e registrazione di dati. Attualmente, diversi gruppi continuano a lavorare su soluzioni con vari livelli di sviluppo e interesse per la commercializzazione (vedi sotto).

Processi per la creazione di dati scritti

La registrazione dei dati in un supporto di memorizzazione ottico 3D richiede che un cambiamento avvenga nel mezzo dopo l’eccitazione. Questo cambiamento è generalmente una reazione fotochimica di qualche tipo, sebbene esistano altre possibilità. Le reazioni chimiche che sono state studiate includono fotoisomerizzazioni , fotodecomposizioni e photobleaching e iniziazione alla polimerizzazione . La maggior parte indagato sono stati composti fotocromatici, che includono azobenzenes , spiropyrans , stilbeni , fulgidi e diarileteni . Se il cambiamento fotochimico è reversibile, quindi la memorizzazione dei dati riscrivibile può essere raggiunta, almeno in linea di principio. Inoltre, la registrazione multilivello , dove i dati sono scritti in ” scala di grigi ” piuttosto che come segnali “on” e “off”, è tecnicamente fattibile.

Scrittura mediante assorbimento multi-tono non risonante

Sebbene ci siano molti fenomeni ottici non lineari, solo l’assorbimento multifotonico è in grado di iniettare nei media l’energia significativa richiesta per eccitare elettronicamente le specie molecolari e causare reazioni chimiche. L’assorbimento a due fotoni è di gran lunga il più potente assorbanza multifotonica, ma è comunque un fenomeno molto debole, che porta a una bassa sensibilità del mezzo. Pertanto, molte ricerche sono state rivolte a fornire cromofori con sezioni trasversali ad alto assorbimento di due fotoni . ^[6]

La scrittura mediante assorbimento di due fotoni può essere ottenuta focalizzando il laser di scrittura sul punto in cui è richiesto il processo di scrittura fotochimico. La lunghezza d’onda del laser di scrittura viene scelta in modo tale da non essere assorbita linearmente dal mezzo e quindi non interagisce con il mezzo eccetto nel punto focale. Nel punto focale l’assorbimento di due fotoni diventa significativo, perché è un processo non lineare che dipende dal quadrato della fluenza del laser .

La scrittura per assorbimento a due fotoni può anche essere ottenuta con l’azione di due laser in coincidenza. Questo metodo viene in genere utilizzato per ottenere la scrittura parallela di informazioni contemporaneamente. Un laser passa attraverso il supporto, definendo una linea o un piano. Il secondo laser viene quindi diretto ai punti su quella linea o piano che la scrittura è desiderata. La coincidenza dei laser in questi punti ha eccitato l’assorbimento di due fotoni, portando alla scrittura di fotochimica.

Scrivere per assorbimento sequenziale di multifotoni

Un altro approccio per migliorare la sensibilità dei media è stato quello di impiegare l’ assorbimento risonante a due fotoni (noto anche come assorbanza a due fotoni “1 + 1” o “sequenziale”). L’assorbimento di due fotoni non risonante (come è generalmente usato) è debole poiché, per ottenere l’eccitazione, i due fotoni eccitanti devono arrivare al cromoforo quasi esattamente allo stesso tempo. Questo perché il cromoforo non è in grado di interagire con un singolo fotone da solo. Tuttavia, se il cromoforo ha un livello di energia corrispondente all’assorbimento (debole) di un fotone, questo può essere usato come un trampolino di lancio, consentendo una maggiore libertà nel tempo di arrivo dei fotoni e quindi una sensibilità molto più elevata. Tuttavia, questo approccio si traduce in una perdita di non linearità rispetto all’assorbanza di due fotoni non risonanti (poiché ogni fase di assorbimento di due fotoni è essenzialmente lineare), e quindi rischia di compromettere la risoluzione 3D del sistema.

Microolografia

Nella microografia , i fasci di luce focalizzati vengono utilizzati per registrare ologrammi di dimensioni submicrometriche in un materiale fotorifrattivo, in genere mediante l’uso di raggi collineari. Il processo di scrittura può utilizzare lo stesso tipo di supporto utilizzato in altri tipi di memorizzazione di dati olografici e può utilizzare processi a due fotoni per formare gli ologrammi.

Registrazione dei dati durante la produzione

I dati possono anche essere creati nella produzione dei media, come nel caso della maggior parte dei formati di dischi ottici per la distribuzione commerciale dei dati. In questo caso, l’utente non può scrivere sul disco – è un formato ROM . I dati possono essere scritti con un metodo ottico non lineare, ma in questo caso l’uso di laser ad altissima potenza è accettabile, quindi la sensibilità dei supporti diventa meno problematica.

È stata inoltre dimostrata la fabbricazione di dischi contenenti dati stampati o stampati nella loro struttura 3D. Ad esempio, un disco contenente dati in 3D può essere costruito inserendo un numero elevato di dischi sottilissimi, ciascuno dei quali è stampato o stampato con un singolo strato di informazioni. Il disco ROM risultante può quindi essere letto utilizzando un metodo di lettura 3D.

Altri approcci per scrivere

Sono state esaminate anche altre tecniche per scrivere dati in tre dimensioni, tra cui:

Combustione persistente dei fori spettrali (PSHB), che consente anche la possibilità di multiplexing spettrale per aumentare la densità dei dati. Tuttavia, attualmente i supporti PSHB richiedono temperature estremamente basse per evitare perdite di dati.

Formazione del vuoto, dove le bolle microscopiche vengono introdotte in un mezzo mediante irradiazione laser ad alta intensità. ^[7]

La polarizzazione del cromoforo, in cui il riorientamento laser dei cromofori nella struttura dei media porta a cambiamenti leggibili. ^[8]

Processi per la lettura dei dati

La lettura dei dati dalle memorie ottiche 3D è stata effettuata in molti modi diversi. Mentre alcuni di questi si basano sulla non linearità dell’interazione luce-materia per ottenere la risoluzione 3D, altri usano metodi che filtrano spazialmente la risposta lineare del media. I metodi di lettura includono:

Assorbimento di due fotoni (con conseguente assorbimento o fluorescenza). Questo metodo è essenzialmente microscopia a due fotoni .

Eccitazione lineare di fluorescenza con rilevamento confocale. Questo metodo è essenzialmente microscopia a scansione laser confocale . Offre eccitazione con potenze laser molto inferiori rispetto all’assorbanza a due fotoni, ma ha alcuni potenziali problemi perché la luce di indirizzamento interagisce con molti altri punti di dati oltre a quella che viene indirizzata.

Misura di piccole differenze nell’indice di rifrazione tra i due stati di dati. Questo metodo impiega di solito un microscopio a contrasto di fase o riflessione confocale microscopio . Nessun assorbimento di luce è necessario, quindi non vi è alcun rischio di danneggiare i dati durante la lettura, ma il disadattamento dell’indice di rifrazione richiesto nel disco può limitare lo spessore (cioè il numero di strati di dati) che il supporto può raggiungere a causa degli errori casuali del fronte d’onda accumulati che distruggono la qualità del punto focalizzato.

La generazione della seconda armonica è stata dimostrata come metodo per leggere i dati scritti in una matrice polimerica polidata. ^[9]

La tomografia a coerenza ottica è stata anche dimostrata come metodo di lettura parallela. ^[10]

Design dei media

La parte attiva dei supporti di memorizzazione ottica 3D è solitamente un polimero organico o drogato o innestato con le specie fotochimicamente attive. In alternativa, sono stati usati materiali cristallini e sol-gel .

Fattore di forma dei media

I supporti per la memorizzazione ottica dei dati 3D sono stati suggeriti in diversi fattori di forma: disco, scheda e cristallo.

Un disco multimediale offre una progressione da CD / DVD e consente la lettura e la scrittura da parte del familiare metodo del disco rotante.

Un media di fattore di forma della carta di credito è attraente dal punto di vista della portabilità e della convenienza, ma sarebbe di una capacità inferiore a un disco.

Diversi autori di fantascienza hanno suggerito piccoli solidi che memorizzano enormi quantità di informazioni, e almeno in linea di principio ciò potrebbe essere ottenuto con la memorizzazione ottica dei dati 5D .

Produzione di media

Il metodo di produzione più semplice – lo stampaggio di un disco in un unico pezzo – è una possibilità per alcuni sistemi. Un metodo più complesso di produzione dei media è che i media siano costruiti strato per strato. Questo è necessario se i dati devono essere fisicamente creati durante la produzione. Tuttavia, la costruzione strato per strato non deve necessariamente significare il raggruppamento di più strati insieme. Un’altra alternativa è creare il mezzo in una forma analoga a un rotolo di nastro adesivo. ^[11]

Drive design

Un’unità progettata per leggere e scrivere su supporti di memorizzazione di dati ottici 3D può avere molto in comune con le unità CD / DVD, in particolare se il fattore di forma e la struttura dei dati del supporto sono simili a quelli di CD o DVD. Tuttavia, ci sono alcune notevoli differenze che devono essere prese in considerazione quando si progetta un disco di questo tipo.

Laser

In particolare, quando viene utilizzato l’assorbimento a due fotoni, possono essere necessari laser ad alta potenza che possono essere ingombranti, difficili da raffreddare e porre problemi di sicurezza. Le unità ottiche esistenti utilizzano laser a diodo continuo funzionanti a 780 nm, 658 nm o 405 nm. Le unità di archiviazione ottica 3D possono richiedere laser a stato solido o laser a impulsi e diversi esempi utilizzano lunghezze d’onda facilmente disponibili con queste tecnologie, ad esempio 532 nm (verde). Questi laser più grandi possono essere difficili da integrare nella testina di lettura / scrittura dell’unità ottica.

Correzione dell’aberrazione sferica variabile

Poiché il sistema deve affrontare diverse profondità nel mezzo e a diverse profondità l’ aberrazione sferica indotta nel fronte d’onda è diversa, è necessario un metodo per spiegare dinamicamente queste differenze. Esistono molti metodi possibili che includono elementi ottici che si spostano dentro e fuori dal percorso ottico, elementi in movimento, ottica adattiva e lenti a immersione.

Sistema ottico

In molti esempi di sistemi di memorizzazione di dati ottici 3D, vengono utilizzate diverse lunghezze d’onda (colori) di luce (ad esempio lettura laser, scrittura laser, segnale, a volte anche due laser sono necessari solo per la scrittura). Pertanto, oltre a far fronte all’alta potenza del laser e all’aberrazione sferica variabile, il sistema ottico deve combinare e separare questi diversi colori di luce secondo necessità.

Rilevamento

Nelle unità DVD, il segnale prodotto dal disco è un riflesso del raggio laser di indirizzamento ed è quindi molto intenso. Tuttavia, per la memorizzazione ottica 3D, il segnale deve essere generato all’interno del volume minuscolo indirizzato, e quindi è molto più debole della luce laser. Inoltre, la fluorescenza viene irradiata in tutte le direzioni dal punto indicato, pertanto è necessario utilizzare speciali ottiche di raccolta della luce per massimizzare il segnale.

Rilevamento dati

Una volta identificati lungo l’asse z, i singoli livelli di dati simili a DVD possono essere consultati e tracciati in modo simile ai DVD. È stata anche dimostrata la possibilità di utilizzare l’indirizzamento parallelo o basato su pagina. Ciò consente velocità di trasferimento dati molto più veloci , ma richiede l’ulteriore complessità dei modulatori di luce spaziale , l’imaging del segnale, i laser più potenti e una gestione dei dati più complessa.

Problemi di sviluppo

Nonostante la natura estremamente attraente dell’archiviazione dei dati ottici 3D, lo sviluppo di prodotti commerciali ha richiesto molto tempo. Ciò risulta da un limitato sostegno finanziario sul campo, nonché da problemi tecnici, tra cui:

Lettura distruttiva. Poiché sia ​​la lettura che la scrittura dei dati vengono eseguite con raggi laser, esiste la possibilità che il processo di lettura causi una piccola quantità di scrittura. In questo caso, la lettura ripetuta dei dati può eventualmente servire a cancellarla (questo accade anche nei materiali a cambiamento di fase usati in alcuni DVD). Questo problema è stato affrontato da molti approcci, come l’uso di diverse bande di assorbimento per ogni processo (lettura e scrittura) o l’uso di un metodo di lettura che non comporta l’assorbimento di energia.

Stabilità termodinamica. Molte reazioni chimiche che sembrano non accadere in realtà avvengono molto lentamente. Inoltre, molte reazioni che sembrano essere avvenute possono lentamente invertirsi. Poiché la maggior parte dei media 3D si basa su reazioni chimiche, vi è quindi il rischio che i punti non scritti vengano scritti lentamente o che i punti scritti tornino lentamente a essere non scritti. Questo problema è particolarmente grave per gli spiropoiografici, ma sono state condotte ricerche approfondite per trovare cromofori più stabili per le memorie 3D.

Sensibilità dei media l’assorbimento a due fotoni è un fenomeno debole, e quindi i laser ad alta potenza sono solitamente richiesti per produrlo. I ricercatori usano tipicamente laser al Ti-zaffiro o laser Nd: YAG per ottenere l’eccitazione, ma questi strumenti non sono adatti per l’uso nei prodotti di consumo.

Sviluppo accademico

Gran parte dello sviluppo dell’archiviazione dei dati ottici 3D è stata effettuata nelle università. I gruppi che hanno fornito preziosi contributi includono:

• Peter T. Rentzepis è stato all’origine di questo campo e ha recentemente sviluppato materiali privi di letture distruttive.
• Watt W. Webb ha sviluppato il microscopio a due fotoni in Bell Labs e ha mostrato la registrazione 3D su supporti fotorifrativi.
• Masahiro Irie ha sviluppato la diarylethene famiglia di materiali fotocromatiche. ^[12]
• Yoshimasa Kawata, Satoshi Kawata e Zouheir Sekkat hanno sviluppato e lavorato su diversi sistemi di manipolazione di dati ottici, in particolare con sistemi polimerici poled. ^[13]
• Kevin C Belfield sta sviluppando sistemi fotochimici per lo stoccaggio di dati ottici 3D mediante il trasferimento di energia di risonanza tra le molecole e sviluppa anche materiali a sezione incrociata con due fotoni alti. ^[14]
• Seth Marder ha svolto gran parte dei primi lavori sviluppando approcci logici alla progettazione molecolare di cromofori a sezione incrociata a due fotoni alti.
• Tom Milster ha dato molti contributi alla teoria dell’archiviazione dei dati ottici 3D. ^[15]
• Robert McLeod ha esaminato l’uso di microhologram per la memorizzazione di dati ottici 3D.
• Min Gu ha esaminato la lettura confocale e i metodi per il suo miglioramento. ^[16] [17]

Sviluppo commerciale

Oltre alla ricerca accademica, sono state create diverse aziende per commercializzare l’archiviazione ottica dei dati 3D e alcune grandi aziende hanno mostrato interesse per la tecnologia. Tuttavia, non è ancora chiaro se la tecnologia avrà successo sul mercato in presenza di concorrenza da parte di altri comparti come hard disk , storage flash e storage olografico .

• Call / Recall è stata fondata nel 1987 sulla base della ricerca di Peter Rentzepis. Usando la registrazione a due fotoni (a 25 Mbit / s con 6.5 ps, 7 nJ, 532 nm impulsi), la lettura di un fotone (con 635 nm) e una lente ad immersione ad alta NA (1.0), hanno memorizzato 1 TB come 200 strati in un disco spesso 1,2 mm. ^[18] Mirano a migliorare la capacità a> 5 TB e le velocità di trasmissione dati fino a 250 Mbit / s entro un anno, sviluppando nuovi materiali e diodi laser blu pulsati ad alta potenza.
• Mempile sta sviluppando un sistema commerciale con il nome TeraDisc . Nel marzo 2007, hanno dimostrato la registrazione e la lettura di 100 strati di informazioni su un disco spesso 0,6 mm, oltre a bassa diafonia , alta sensibilità e stabilità termodinamica . ^[19] Hanno intenzione di rilasciare un prodotto consumer rosso-laser da 0.6-1.0 TB nel 2010 e di avere una roadmap per un prodotto laser blu da 5 TB. ^[20]
• Constellation 3D ha sviluppato il disco multistrato fluorescente alla fine degli anni ’90, che era un disco ROM, prodotto strato per strato. La società fallì nel 2002, ma la proprietà intellettuale ( IP ) fu acquisita da D-Data Inc., ^[21] che sta tentando di introdurla come Digital Multilayer Disk (DMD).
• Storex Technologies è stata creata per sviluppare supporti 3D basati su vetri fotosensibili fluorescenti e materiali in vetro-ceramica. La tecnologia deriva dai brevetti dello scienziato rumeno Eugen Pavel , che è anche il fondatore e CEO dell’azienda. Alla conferenza ODS2010 sono stati presentati i risultati relativi alla lettura mediante due metodi di non fluorescenza di un disco ottico Petabyte.
• Landauer Inc. sta sviluppando un supporto basato sull’assorbimento di due fotoni risonanti in un substrato di cristallo singolo zaffiro . Nel maggio 2007, hanno mostrato la registrazione di 20 strati di dati usando 2 nJ di energia laser (405 nm) per ciascun segno. La velocità di lettura è limitata a 10 Mbit / s a ​​causa della durata della fluorescenza. ^[22]
• Lo scopo di Colossal Storage è lo sviluppo di una tecnologia di archiviazione ottica olografica 3D basata sulla polarizzazione del campo elettrico indotta da fotoni utilizzando un lontano laser UV per ottenere grandi miglioramenti rispetto alla capacità di dati e velocità di trasferimento attuali, ma finora non hanno presentato alcuna ricerca sperimentale o studio di fattibilità.
• Microholas opera presso l’Università di Berlino, sotto la guida della prof.ssa Susanna Orlic, e ha ottenuto la registrazione di fino a 75 strati di dati microografici, separati da 4,5 micrometri, e suggerisce una densità di dati di 10 GB per strato. ^[23]
• La tecnologia 3DCD Pty. Ltd. è uno spin-off universitario creato per sviluppare la tecnologia di archiviazione ottica 3D basata su materiali identificati da Daniel Day e Min Gu. ^[24]
• Diverse grandi aziende tecnologiche come Fuji , Ricoh e Matsushita hanno fatto richiesta di brevetti su materiali a due fotoni reattivi per applicazioni che includono la memorizzazione ottica dei dati 3D, tuttavia non hanno dato alcuna indicazione che stiano sviluppando soluzioni complete per l’archiviazione dei dati.