Оптическая память: 3.4. Оптическая память. 3. Оптическая обработка информации. Введение в оптоэлектронику

3.4. Оптическая память. 3. Оптическая обработка информации. Введение в оптоэлектронику

3.4.1. Постоянная оптическая память с последовательным способом записи и считывания информации

3.4.2. Оперативная оптическая память

3.4.3. Принципы голографической записи информации

Достоинства оптических модуляторов, дефлекторов, управляемых транспарантов и других элементов систем оптической обработки информации не могут в полной мере реализоваться без адекватных устройств оптической памяти с большой емкостью, плотностью и скоростью записи, малым временем поиска (выборки), высокой долговечностью и надежностью хранения информации.

Как отмечалось выше, оптический транспарант, у которого модулирующая среда даже малое время может сохранять после прекращения внешнего воздействия отличный от равновесного состояния оптический параметр, по существу является устройством оперативной памяти (для многих случаев достаточна длительность хранения информации всего 10^-8—10^-9 с). Ниже, кроме запоминающих устройств (ЗУ) такого типа, будут рассмотрены устройства долговременной (постоянной, архивной) памяти.

Создание оптических ЗУ продиктовано тем, что используемая в электронных устройствах магнитная память сталкивается с серьезными трудностями в связи с возрастающими требованиями, предъявляемыми к системам обработки информации. Кроме кардинального увеличения плотности и скорости записи, существенного уменьшения габаритов, веса и стоимости, устройства оптической памяти позволяют производить параллельную запись и выборку двумерных массивов информации. Тем не менее в оптических ЗУ используют оба способа записи — как параллельный, так и последовательный. Хотя оптические ЗУ допускают запись информации непосредственно в аналоговой форме, ниже будут рассматриваться также устройства с записью в цифровой двоичной форме, что обеспечивает большую точность, помехозащищенность, универсальность записи.

3.4.1. Постоянная оптическая память с последовательным способом записи и считывания информации

Упрощенная структурная схема записи информации последовательного типа при помощи сканирующего луча лазера приведена на рис. 3.9. Чтобы обеспечить высокую плотность записи, излучение лазера стараются сфокусировать в пятно как можно меньших размеров (из-за дифракции эти размеры не могут быть меньше длины волны излучения и обычно близки к 1мкм). Промодулированный необходимым образом луч направляют через объектив на запоминающую среду, а его геометрическое положение задают оптическим двухкоординатным дефлектором. В наиболее простом случае в качестве такой среды используют серебряно-галоидные эмульсии, нанесенные на прозрачную подложку. Фотоэмульсии, обеспечивающие, разумеется, постоянную (нереверсивную) память, имеют высокую разрешающую способность (тысячи линий на миллиметр) и высокую энергетическую чувствительность 10^-4 — 10^-6 Дж/см (для различных типов фотоэмульсии). После проявления и фиксирования изображение проецируют при помощи считывающего объектива на детектор излучения, например на матрицу фотоприемников. Источником света при этом служит сканирующий луч того же лазера (модулятор при считывании открыт).

Поиск сред для оптической памяти с оптимальным сочетанием чувствительности, разрешающей способности и других характеристик привел к использованию кроме фотоэмульсии многих других материалов, в частности фоторезисторов. Все эти материалы требуют обработки с использованием жидкостей, причем достаточно длительной, в лучшем случае—единиц секунд (для некоторых резисторов возможна «сухая» термообработка при температуре 150 — 200^оС).

Побитовую запись информации можно осуществлять прожиганием (проплавлением) при помощи сфокусированного лазерного луча сквозных отверстий размером около 1 мкм в тонких (~0,05 мкм) слоях Pt, Bi, Rh, As, Cr и других веществ, нанесенных на прозрачную, например полиэфирную, основу. Достоинство такой записи, считывание которой может производиться тем же лазером, но с меньшей интенсивностью луча, чтобы не повредить запись, — большое значение отношения сигнал/шум, высокая надежность и большой срок службы. Еще один способ записи в виде кодированной последовательности импульсов состоит в создании микро углублений или пятен (питов) на поливинилхлоридной или полиметакрилатной пластине с нанесенным на ее поверхности слоем теллура (20 — 40 мкм), как легкоплавкого материала, сильно поглощающего инфракрасное излучение.

Наконец, в металлическом слое можно формировать микробугорки. В этом случае используют тугоплавкие материалы (Ti, Pt), а в качестве диэлектрического подслоя — хорошо испаряемый материал. Под действием лазерного луча металлическая пленка не выжигается и не проплавляется, а в результате испарения подслоя в соответствующем месте образуется выпуклость. Пленку с записанной информацией покрывают слоем прозрачного материала, который предназначен прежде всего для защиты носителя информации от повреждений и гарантирует большой срок службы. Если защитный слой относительно толстый (как обычно и делается), инородные частицы, царапины и другие микродефекты на его поверхности оказываются не в фокусе считывающего объекта и, следовательно, слабо искажают сигнал.

Запоминающая пленочная структура может быть укреплена или нанесена на вращающемся диске из стекла, кварца, ситалла или полимера. Информацию записывают на дорожках с шагом 1,5 — 2 мкм, что при диаметре диска 30 см позволяет записывать более 1·10¹⁰ бит информации. Такой емкости достаточно для кодирования 20 — 30-минутной цветной телепрограммы, или нескольких десятков тысяч страниц машинописного текста, что сравнимо с информацией «Большой Советской Энциклопедии».

Трудности использования оптических дисков связаны с необходимостью точной юстировки лазерной головки и носителя информации. Надежное считывание практически невозможно без специальной сервосистемы, обеспечивающей точное слежение и следование сканирующего луча по информационной дорожке. Очевидно, что для того, чтобы при записи метки на диске не «размазывались» из-за его вращения, импульсы излучения лазера должны быть достаточно короткими (~1·10^-8 с). Фотоприемник, используемый при считывании, должен обладать высоким быстродействием (10^-8 — 10^-9 с).

Сравнение магнитной и оптической памяти свидетельстует о несомненных преимуществах последней. Оптическую память отличают высокое качество записи и воспроизведения при намного большем сроке службы (механический контакт считывающего устройства с носителем информации отсутствует), большая плотность записи, длительный срок хранения (десятки лет вместо 1 г при магнитной записи) и намного меньшая стоимость. Недостаток рассмотренных устройств оптической памяти — однократность записи; изготовление копий, разумеется, возможно. Для тиражирования записи с первичного оптического диска (без защитного покрытия) методами гальванотехники изготовляют металлический оригинал, а из него в нужном количестве прессуют пластмассовые копии. На вторичные диски со стороны записи наносят пленку с высокой отражательной способностью (алюминий), а поверх него—прозрачный защитный слой. Используемые для высококачественного звуковоспроизведения оптические диски малого диаметра (11,5 — 12см) называют компакт-дисками. Подобным образом возможно также тиражирование дисков для видеовоспроизведения.

3.4.2. Оперативная оптическая память

Устройства оперативной памяти, в отличие от рассмотренных выше, должны обладать реверсивностью, т. е. после кратковременного стирающего воздействия быть готовыми к записи новой информации. Свойства используемой среды не должны изменяться при большом числе циклов запись—стирание и позволять за как можно короткое время производить запись и стирание информации. В ЗУ оперативной оптической памяти используют многие физические эффекты, в частности, применяют рассмотренные ранее устройства Фототитус, ПРОМ, а также структуры фотопроводник — ЖК, фотопроводник — сегнетоэлектрическая ЦТСЛ-керамика и многие другие.

Возможны устройства оптической памяти, использующие запись на фотохромных материалах — веществах, поглощение которых обратимо изменяется под действием оптического излучения непосредственно, т. е. без какого-либо проявления. Среди большого числа фотохромных материалов достаточно широкое распространение получили полимеры, силикатные стекла, щелочно-галоидные кристаллы (КС1, NaF, CaF и т. д.). При фотохромном процессе вещество, поглощая кванты света, переходит из исходного состояния в фотоиндуцированное, характеризуемое изменением оптического пропускания в другой спектральной области. Для записи и считывания информации, следовательно, требуется излучение с различной длиной волны (например, 0,2 — 0,4 мкм при записи и 0,4 — 0,7 мкм при считывании). Обратный переход в исходное состояние совершается самопроизвольно, но может заметно ускориться под действием света, поглощаемого в фотоиндуцированном состоянии, поэтому при считывании световая энергия должна быть на несколько порядков выше, чем при записи.

Время хранения записанной информации различно для разных материалов: от 1·10^-6 с до нескольких лет. Для фотохромных материалов характерны малые времена записи (~1·10^-8 с) и высокая разрешающая способность (~3000 лин/мм). Запись можно производить в различных плоскостях фотохромного материала, причем переход от одной плоскости к другой осуществляется изменением фокусного расстояния записывающего и считывающего объективов. Несмотря на некоторую потерю оптического контраста, удается использовать для записи множество слоев, что приводит к огромной объемной плотности записи.

В устройствах памяти, основанных на магнитооптических эффектах, используют слои ферромагнитных материалов с большой коэрцитивной силой, способных надолго сохранять намагниченность после выключения внешнего магнитного поля. В тонком слое такого материала под действием излучения лазерного луча происходит локальный нагрев и, если при этом температура превысит точку Кюри, вектор намагниченности скачком изменяется. Вращение плоскости поляризации прошедшего через слой считывающего света (эффект Фарадея) оказывается разным в предварительно освещенных и неосвещенных участках. Считывание можно осуществить и отраженным светом, используя уже упомянутый магнитооптический эффект Керра.

Для стирания информации, записанной ферромагнитным слоем, его нагревают световым импульсом или каким-либо другим способом в присутствии магнитного поля, в результате чего восстанавливается его первоначальное магнитное состояние. Хотя при считывании информации в рассматриваемых случаях используют магнитооптические эффекты, такой способ записи принято также называть термомагнитным. Среди подходящих материалов для термомагнитной записи хорошо изучен марганцевый висмут MnBi, имеющий температуру Кюри примерно 360^оС, достаточно хорошее разрешение (10³ лин/мм), малое время записи (~1·10^-8 с), большой срок хранения записанной информации, а также ресурс работы. В качестве запоминающего материала в магнитооптических дисках используют сплавы MnA1Ge, MnCuBi, оксиды лантаноидов (например, ЕuО и др.), висмутосодержащие гранаты, а также аморфные пленки Tb_1-хFe_x и соединения на их основе (с добавлением кобальта, хрома, кадмия, гадолиния и др.).

Пленки Tb_1-хFe_x являются ферримагнетиками, т. е. магнитные моменты атомов тербия и железа ориентированы антипараллельно, и в определенном интервале х в пленке возникает анизотропия с осью, перпендикулярной плоскости пленки. Запись, считывание и стирание информации производят практически так, как и в случае устройства памяти на основе MnBi. Достоинство аморфных пленок Tb_1-хFe_x состоит в отсутствии эффектов рассеяния на границах зерен, в отличие от поликристаллического MnBi или других подобных материалов. Температура Кюри Tb_1-хFe_x зависимости от х изменяется в пределах 40 — 140^оС, разрешение — более 1·10⁴ лин/мм, время цикла запись — стирание — около 1·10^-8 с. Информационная емкость магнитооптических дисков диаметром 30 см составляет 10⁹ — 10¹⁰ бит.

На локальном нагреве лазерным лучом основывается запись в халькогенидных стеклах, содержащих серу, теллур, мышьяк и другие элементы (например, As — Se, Sb — S, As — Sb — S, As — Bi — S, Ge — S, Те — Ge — As и т. п.). Однако механизм памяти в этом случае другой. При превышении температуры расстеклования, но ниже точки плавления, происходит фазовый переход из аморфного состояния материала в кристаллическое, в результате чего изменяется показатель преломления света, что и используют при считывании информации. Переход пленки в аморфное состояние (стирание) производят нагревом до температуры плавления и последующим быстрым охлаждением. Запись на таких пленках, как и при термомагнитной записи, сохраняется длительное время, энергетическая чувствительность примерно такая же, разрешение превышает 1·10 лин/мм, однако оптическое пропускание стекол может достигать ~~80% ( 1·10^-3 для MnBi). Для реверсивной записи применяют также получаемый вакуумным испарением аморфные пленки ТеОх(х=1,1÷1,2). Под действием лазерного луча происходит фототермический переход, в результате чего заметно изменяются оптическое пропускание и отражение пленки. Работающие на этом принципе оптические диски позволяют производить многократную перезапись (например, музыкальных программ) вплоть до 1·10^-6 раз.

Работа быстродействующих многоканальных транспарантов, обладающих реверсивной памятью, может основываться на элементе, предложенном в начале 80-х годов и названном трансфазором. В этом устройстве используют оптическую нелинейность материала, проявляющуюся в изменении коэффициента преломления при увеличении интенсивности падающего света. В трансфазоре световой пучок направляют на плоско параллельную пластинку из нелинейного кристалла, образующую интерферометр Фабри — Перо, роль зеркал в котором могут играть либо естественные (отполированные) грани кристалла, либо нанесенные на них тонкие полупрозрачные металлические пленки. Толщину пластинки выбирают такой, чтобы при низких интенсивностях света, когда кристалл можно считать линейным, разность фаз лучей, многократно отражающихся от зеркальных граней, была равна нечетному числу π и интенсивность пучка на выходе была малой (Ф_вых=0). Такое условие нарушается в области больших световых потоков (вполне достижимых при использовании ОКГ), когда значение п, а значит, и оптическая длина пути начинают возрастать. Это вызывает увеличение интенсивности света внутри резонатора, что, в свою очередь, приводит к еще большему возрастанию п и т. д. Устройство скачкообразно переходит в состояние с пропусканием, близким к единице.

На практике на трансфазор направляют два лазерных луча. Один из них имеет постоянную интенсивность Ф_пост соответствующую низкому пропусканию, но близкую к пороговому состоянию. Небольшая подсветка другим лучом (Ф_упр) переключает трансфазор в состояние с максимальным Ф_вых. За счет Ф_пост такое состояние может поддерживаться как угодно долго, а при отключении Ф_пост кристалл скачкообразно переходит в исходное состояние, т. е. он уже не пропустит второго луча Ф_упр. Таким образом, трансфазор является оптически бистабильным элементом, который можно рассматривать как оптический аналог электронного транзистора.

Трансфазор переключается намного быстрее, чем транзистор. Действительно, быстродействие трансфазора ограничено временем установления светового поля внутри резонатора, а оно по порядку величины равно hn/с, т. е. при толщине пластинки h=10 мкм составляет ~1·10^-13 с. Во всяком случае работа трансфазора в пикосекуцдном диапазоне (10^-12 с) вполне реальна. Его поперечные размеры ограничены сечением лазерного пучка, т. е. трансфазор может быть таким же миниатюрным, как и транзистор. При использовании в качестве материала для трансфазора, например, сурьмянистого индия или моноселенида галлия энергия переключения составляет всего 1·10^-15 Дж при мощности постоянной предпороговой подсветки ~10 мВт. Трудности на пути реализации устройств на базе трансфазоров связаны с тем, что используемые для этого материалы требуют охлаждения.

В устройствах оперативной памяти могут использоваться и другие эффекты и материалы (см. д 3.3).

3.4.3. Принципы голографической записи информации

Голографическая память основывается на записи интерференционной картины, образованной в результате сложения световой волны, отраженной от объекта или прошедшей через него (объектной волны), и когерентной волны, идущей непосредственно от источника света (опорной волны). Если зафиксированную картину (голограмму) затем осветить тем же опорным источником, расположенным относительно нее точно так же, как и при записи, то в результате взаимодействия опорной волны с голограммой в пространстве образуется волна, восстанавливающая изображение объекта, совпадающее с ним по форме и пространственному положению (обязательно требование для используемых световых потоков — их когерентность).

Важно, что голограмма, в отличие от фотографического снимка, фиксирует не только распределение амплитуд, но и распределение фаз объектной волны относительно опорной. Информация о соотношении фаз объектной и опорной волн отражается рисунком и частотой полос интерференционной картины, а об амплитуде — ее контрастом. При помощи голограммы, таким образом, восстанавливается амплитудно-фазовое распределение волнового поля, т. е. создается копия объектной волны, а не только светоконтрастная характеристика объекта, как при обычном фотографировании. Этим объясняется чрезвычайно высокая информационная емкость голографического способа записи информации.

Поскольку при записи свет от каждой точки объекта падает на всю поверхность голограммы, каждый малый ее участок способен восстановить изображение объекта, хотя и с меньшим соотношением сигнал/шум и с потерей разрешения мелких деталей. Поэтому на качество записи голограммы слабо влияют различные дефекты — пятна, пылинки, царапины и т. п. Это обусловливает высокую надежность и помехозащищенность голографической записи. Количественную характеристику, отражающую способность голограммы трансформировать опорную волну в восстановленное изображение, называют дифракционной эффективностью и определяют как отношение мощности светового потока в восстановленном изображении к мощности светового потока в восстанавливающей волне.

Часто голограммы регистрируют на фотопластинках, причем различные участки фотопластинки можно использовать для записи разных голограмм. Минимальные размеры этих участков теоретически определяются дифракционными явлениями, однако на практике плотность записи оказывается заметно меньшей.

Оптическая схема голографической записи (рис. 3.10) обычно включает в себя светоделитель (например, полупрозрачное зеркало), который устанавливают на пути лазерного луча, освещающего записываемый объект и образующего объектную волну. При помощи отклоняющих устройств (дефлекторов, зеркал и т. п.) опорную волну направляют на нужный участок фотопластинки (как и объектную волну). Если объектом записи служит оптический транспарант, то на каждом таком участке, обычно не превышающем 1 — 2 мм², записывается не один бит информации, а целое изображение (страница информации емкостью 1·104 — 1·10⁵ бит). Один и тот же участок регистрирующего материала может содержать несколько наложенных голограмм, не влияющих друг на друга, если при записи каждый раз изменять угол падения опорного луча. Разумеется, при считывании его направление должно соответственно изменяться, чтобы быть таким же, как и при записи. Нужно, однако, иметь в виду, что увеличение числа наложенных голограмм приводит к уменьшению дифракционной эффективности.

До сих пор предполагалось, что толщина регистрирующей среды намного меньше периода интерференционной картины (двумерные голограммы). В противоположном случае голограмма представляет собой не плоскую картину интерференционных полос, а объемную структуру, повторяющую пространственную картину интерференции объектной и опорной волн. Трехмерный способ записи голограмм как наиболее общий предложил и обосновал в 1962 г. Ю.Н. Денисюк. При восстановлении изображения объемная голограмма действует подобно трехмерной дифракционной решетке. Отражение света от интерференционных слоев (брэгговское) происходит только при выполнении условия, аналогичного (3.11): , где d—расстояние между соседними слоями; θ_Б — угол между падающим светом и плоскостью слоев.

Таким образом, трехмерная голограмма обладает спектральной избирательностью (селективностью), т. е. для восстановления изображения можно применять источники со сплошным спектром (например, лампу накаливания, Солнце). При этом голограмма «выберет» излучение той длины волны, которое использовалось при записи (двумерные голограммы не обладают спектральной селективностью и восстанавливаемое изображение окажется размытым). Свойство трехмерных голограмм воспроизводить спектральный состав записывающего излучения позволяет значительно увеличить информационную емкость за счет записи в одной и той же области регистрирующей среды множества изображений, используя каждый раз излучение с разной длиной волны. Нужное изображение может быть считано независимо, для чего его нужно восстанавливать излучением соответствующей длины волны. Еще одно достоинство трехмерной голограммы состоит в том, что она восстанавливает только одно изображение. Двумерная голограмма трансформирует опорную волну как в объектную, так и в так называемую сопряженную волну, создающую ложное изображение, что может усложнить считывание информации.

Голографическую запись можно произвести как в цифровой, так и аналоговой форме; использовать в устройствах как постоянной, так и реверсивной памяти, включая системы обработки данных в реальном масштабе времени.

Развитие голографических методов записи привело к использованию многих пригодных для этого материалов. При этом важнейшее требование, предъявляемое к ним,— высокая разрешающая способность. Для специальных серебряно-галоидных фотоэмульсий она достигает 3000 — 5000 лин/мм (в красной области спектра). Некоторую потерю разрешающей способности, но выигрыш по дифракционной эффективности, можно получить, применяя для записи голограмм бихромированной желатины и фоторезисторы различных типов. Голограмма, зафиксированная на фотоэмульсии, за счет почернения модулирует световой поток по амплитуде, однако при этом происходит и его фазовая модуляция, так как одновременно изменяются толщина и коэффициент преломления эмульсии. Голограмма, полученная на прозрачном материале, модулирует свет только по фазе. В соответствии с этим различают фазовые и амплитудные голограммы. В первом случае дифракционная эффективность голограммы может приближаться к 100%, во втором, обычно составляет несколько процентов (фотоэмульсию с записанной голограммой поэтому отбеливают).

Для голограмм, допускающих многократную перезапись, применяют многие из материалов, используемых при других оптических методах записи. Для получения фазовых голограмм сразу же после экспозиции используют фототермопластики, обеспечивающие высокую дифракционную эффективность, а также другие реверсивные материалы: фотохромные, магнитооптические, халькогенидные стекла и др.

Для трехмерной записи голограмм применяют материал реоксан-полимер с добавлением красителя-сенсибилизатора и антрацена. Запись в реоксане основывается на фотоиндуцированной реакции окисления антрацена, в результате чего происходит изменение коэффициента преломления практически без уменьшения оптического пропускания. При этом глубина записи голограммы может достигать нескольких миллиметров.

Сверхстабильная оптическая память

04.11.2020 19:58

1794

Добавить в закладки

Цифровой носитель на основе стекла, представленный
сотрудниками Российского химико-технологического
университета им. Д.И. Менделеева на международной выставке
химической промышленности «Химия 2020», не подвержен старению, не
требует специальных условий хранения, устойчив к экстремальным
условиям, электромагнитному полю, свету, агрессивным химическим
средам, радиации, повышенной температуре, включая открытое
пламя.

Как рассказали в РХТУ, технология не является конкурентом для
флешек или оптических дисков, она предназначена для архивного
хранения особо важной информации. Такие системы востребованы в
государственных архивах, базах данных органов власти, крупных
компаниях и медицинских учреждениях, библиотеках и фильмофондах.
Уже сейчас результаты исследований вуза отслеживают ряд
организаций, работающих с крупными архивами оцифрованных
документов. Для выполнения работ по этому проекту при кафедре
химической технологии стекла и ситаллов была создана лаборатория
лазерного наноструктурирования стекла.

Помимо оптической памяти, университет на своем стенде представил
кровоостанавливающие препараты на основе аэрогеля, новый класс
связующих для пкм, огнезащитные панели. Это последние разработки
университета, которые смогут выйти на рынок уже в ближайшее
время.

Пресс-служба Российского химико-технологического университета им.
Д.И. Менделеева

Разместил Григорий Яшин

Автор Пресс-Служба РХТУ им Менделеева

оптическая память
цифровой носитель на основе стекла

Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано
Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.

НАУКА ДЕТЯМ

Пленарное заседание «Российская наука в эпоху международного соперничества» ― прямая трансляция

15:00 / Наука и общество

Дмитрий Чернышенко, зампред правительства РФ: Россия на девятом месте в мире по уровню научного развития

14:30 / Наука и общество

Ученые ЛЭТИ научили робота-художника писать картины цветными красками

14:00 / Новые технологии

Максим Древаль, генеральный директор общества «Знание»: Как сделать так, чтобы в науку приходило больше людей

14:00 / Наука и общество

Илья Воротынцев, и. о. ректора РХТУ: Интернет вещей позволяет контролировать технологические процессы

13:30 / Информационные технологии, Наука и общество

Новая светящаяся молекула-аналог американского препарата поможет диагностировать и лечить рак

12:00 / Медицина, Химия

Крупнейший аграрный вуз. 3 декабря 1865 г. была основана Тимирязевская академия

10:00 / Биология, Наука и общество, Науки о земле

Вице-президент РАН Степан Калмыков: «Мы можем перегнать зарубежных ученых, не догоняя их»

19:00 / Наука и общество

Андрей Фурсенко, помощник президента РФ: Наука вынуждена меняться быстрее других сфер

18:57 / Наука и общество

Эксперты на КМУ рассказали, как интеллектуальные состязания привлекают школьников и студентов в науку

18:30 / Наука и общество, Образование

Памяти великого ученого. Наука в глобальном мире. «Очевиднное — невероятное» эфир 10. 05.2008

04.03.2019

Памяти великого ученого. Нанотехнологии. «Очевидное — невероятное» эфир 3.08.2002

04.03.2019

Вспоминая Сергея Петровича Капицу

14.02.2017

Смотреть все

Что такое оптическая память? CD-ROM, CD-R, CD-RW и DVD

Оптическая память — это электронный носитель информации, в котором для хранения и извлечения данных используется лазерный луч. Если мы классифицируем систему памяти, то оптическая память попадает под внешнюю память в компьютерной системе. Оптическая память может быть разделена на несколько типов.

Оптический накопитель был представлен компаниями Philips и Sony в середине 1980-х годов. Оптическая память представляет собой круглый диск с блестящей поверхностью, на который с помощью лазерного луча впечатываются данные. Таким образом, оптическая технология впервые использовалась для преобразования аналоговых звуковых сигналов в цифровую форму.

Типы оптической памяти

Технология компакт-дисков (CD)

Первым практическим применением этой оптической технологии является компакт-диск, т. е. Компакт-диск представляет собой нестираемый диск , и данные наносятся на диск с помощью лазерного луча. Изначально компакт-диски были предназначены для хранения аудиоинформации продолжительностью 60-75 минут, что позволяло хранить около 3 ГБ данных. С тех пор началась разработка недорогих устройств с большей емкостью.

Конструктивная конструкция CD

Нижний слой компакт-диска, подвергающийся воздействию лазерного луча, образован прозрачным поликарбонатным пластиком . Это выглядит как основание из прозрачного стекла, а его поверхность запрограммирована на хранение данных. Лазерный луч используется для отпечатка данных на поликарбонатном пластике путем нанесения на него ямок.

Части с зазубринами называются ямками , тогда как части без отступов называются площадями . Слой этого поликарбонатного пластика покрыт тонким слоем алюминия, что придает ему блеск. Чтобы защитить эту блестящую поверхность от пыли и царапин, она покрыта тонким слоем акрила.

Наконец, на акриловую поверхность наносится этикетка. Общая толщина компакт-диска составляет 1,2 мм, чему больше всего способствует поликарбонатный пластик.

Механизм компакт-диска

Каким образом цифровые данные записываются на компакт-диск?

Лазерный луч высокой интенсивности фокусируется на диске, который оставляет на поверхности поликарбонатного пластика ряд микроскопических ямок . Эти ямки расположены на длинной круговой дорожке на поверхности диска, идущей по спирали от центра диска к внешнему краю, образуя, таким образом, мастер-диск.

Этот мастер-диск затем используется для изготовления пресс-формы, которая может быть использована для производства большого объема компакт-дисков, содержащих ту же информацию, что и мастер-диски.

Как данные извлекаются с компакт-диска?

Лазерный луч малой мощности фокусируется на поликарбонатном пластике. Лазерный луч проходит через слой поликарбонатного пластика и отражается обратно от слоя алюминия.

Этот отраженный луч теперь принимается фотодетектором, который также расположен под поликарбонатным пластиком.

Когда лазерный луч падает на ямку, которая представляет собой слегка шероховатую поверхность, интенсивность отраженного луча низка. Когда лазерный луч падает на поверхность земли, отраженный луч возвращается с более высокой интенсивностью.

Фотодетектор принимает отраженный луч и определяет изменение интенсивности отраженного луча, преобразуя его в цифровой сигнал. Начало или конец ямок, когда происходит изменение высоты отраженного луча, регистрируется как 1. Гладкая поверхность земли, где нет изменения высоты отраженного луча, регистрируется фотоприемником как 0.

На рисунке ниже показаны несколько переходов лазерного луча между землями и ямами.

CD-ROM

Компакт-диск Постоянное запоминающее устройство (CD-ROM) — это постоянное запоминающее устройство, которое используется для хранения компьютерных данных. Ранее компакт-диски были реализованы для хранения аудио и видео, но поскольку компакт-диски хранят данные в цифровой форме, их можно использовать для хранения компьютерных данных.

Аудио- и видеоустройство может допускать некоторое количество ошибок, поскольку они не отражаются заметным образом в воспроизводимом звуке и видео. Но когда дело доходит до компьютерных данных, компьютерная техника не терпит ошибок. Теперь невозможно предотвратить физическое несовершенство при вдавливании ям на компакт-дисках. Поэтому необходимо добавить несколько дополнительных битов для обнаружения и исправления ошибки.

Компакт-диски и компакт-диски имеют одну спиральную дорожку, которая начинается от центра дорожки и закручивается к внешнему краю. Данные хранятся на CD-ROM блоками, т.е. сектора. Количество секторов варьируется от дорожки к дорожке. На внутренних дорожках компакт-диска меньше секторов, а на внешней дорожке компакт-диска больше секторов.

Сектор на внешнем и внутреннем краях диска имеет одинаковую длину. Эти сектора сканируются маломощным лазерным лучом с одинаковой скоростью во время вращения диска. Хотя скорость вращения диска может варьироваться. Для доступа к секторам ближе к центру диск вращается сравнительно быстрее по сравнению с доступом к секторам, расположенным на внешнем краю диска.

CD-Recordable

CD-Recordable т. е. (CD-R) был первым типом компакт-диска, который мог легко записать любой пользователь компьютера. Этот диск имеет такую ​​же блестящую спиральную дорожку, которую мы можем видеть на CD и CD-ROM. Эта блестящая гусеница покрыта органическим красителем во время изготовления.

Для записи данных на CD-R диск вставляется в привод CD-R, и лазерный луч фокусируется на приводе, который выжигает ямки на красителе . Обожженное место становится непрозрачным, а необожженный участок по-прежнему выглядит блестящим. Когда лазерный луч малой мощности фокусируется на диске для извлечения информации. Непрозрачные пятна отражают свет с меньшей интенсивностью, а блестящие участки отражают свет с большей интенсивностью.

Помните, что CD-R можно прожечь или записать один раз за весь срок службы. Хотя неиспользованную часть CD-R можно использовать для записи дополнительной информации позже.

Перезаписываемый компакт-диск (CD-RW)

Этот компакт-диск можно записывать несколько раз, что означает, что пользователь может многократно записывать и стирать данные с компакт-диска RW. Это связано с тем, что вместо органического красителя используется сплав, включающий серебро, индий, сурьму и теллур. Температура плавления этого сплава 500 ^o C.

Сплав показывает интересное поведение при нагревании и охлаждении. При нагревании сплава выше температуры плавления и охлаждении он переходит в аморфное состояние, способное поглощать свет.

Если сплав нагрет до 200 ^o С и выдержан при этой температуре в течение определенного времени, происходит процесс отжига , который переводит сплав в кристаллическое состояние. В этом состоянии сплав пропускает свет.

Так что здесь ямки могут быть созданы путем нагревания выбранных мест выше точки плавления, а оставшиеся части между ямками являются землями. Сохраненные данные могут быть дополнительно удалены с помощью процесса отжига.

Цифровой универсальный диск (DVD)

Технология DVD была впервые представлена ​​в 1996 году и имеет тот же внешний вид, что и компакт-диск. Разница заключается в размере их хранилища: у DVD намного больше места для хранения, чем у CD, и это достигается за счет внесения нескольких изменений в дизайн DVD.

Лазерный луч, используемый для впечатывания данных в DVD, имеет более короткую длину волны по сравнению с длиной волны лазерного луча, который мы используем для компакт-дисков. Более короткая длина волны лазерного луча помогает свету сфокусироваться на меньшем пятне.

Питы намного меньше по сравнению с питами на компакт-диске, и даже дорожки расположены гораздо ближе по сравнению с дорожками на компакт-диске. Со всеми этими изменениями в дизайне объем памяти DVD составляет 4,7 ГБ.

Чтобы еще больше увеличить объем памяти, был введен двухслойный и двусторонний диск.

Двухслойный DVD

Двухслойный диск имеет первую основу, как на компакт-диске, но вместо алюминия площадки и ямы первой основы покрыты полупрозрачным материалом , который решает задачу отражатель.

Теперь этот полупрозрачный слой также запрограммирован для хранения данных путем создания на нем углублений. На этот второй слой ям и площадок укладывается светоотражающий материал.

Когда лазерный луч сфокусирован на первом слое для извлечения бинарной картины, полупрозрачный материал будет отражать достаточно света, чтобы его уловил детектор. Второй слой будет отражать небольшое количество света, которое будет подавляться детектором как 9.0023 шум.

Точно так же, когда лазер будет сфокусирован для считывания второго слоя, первый слой будет отражать небольшое количество света, который будет подавлен детектором.

Двусторонний DVD

В этом случае дорожки реализуются на обеих сторонах DVD. Эту структуру можно представить как два односторонних диска, которые соединяются вместе, образуя бутерброд, но самый верхний диск перевернут вверх дном.

Оптические диски высокого разрешения

Оптический диск высокой четкости — это усовершенствованная версия DVD-дисков, которые используются для хранения видео высокой четкости. Для повышения мощности используется лазерный луч с еще более короткой длиной волны в сине-фиолетовом диапазоне. Питы на оптических дисках высокой четкости еще короче по сравнению с DVD.

Все эти типы оптической памяти можно использовать для хранения цифровых данных. Оптические накопители долговечны, удобны в транспортировке и способны хранить огромное количество данных.

Что такое оптический накопитель и как он работает?

Хранилище

По

• Роберт Шелдон
• Родни Браун,
  ТехТаржет

Что такое оптический накопитель?

Оптическое хранилище — это любой тип хранилища, в котором данные записываются и считываются с помощью лазера. Как правило, данные записываются на оптические носители, такие как компакт-диски (CD) и универсальные цифровые диски (DVD). Одно время оптические диски считались потенциальной заменой жестких дисков (HDD) в вычислительных системах, но отсутствие роста их емкости по сравнению как с жесткими дисками, так и с более поздними твердотельными накопителями (SSD) на основе флэш-памяти привело к снижению использования оптических хранилищ. в основном для долгосрочного архивирования и резервного копирования данных.

Хотя оптические носители более долговечны и менее уязвимы к условиям окружающей среды, чем ленты, жесткие диски и твердотельные накопители, оптические диски работают медленнее, чем обычные жесткие диски, и значительно медленнее, чем твердотельные накопители, и предлагают меньшую емкость для хранения, чем любой из них. Диски Blu-ray в настоящее время являются самыми быстрыми оптическими носителями на рынке и обеспечивают гораздо большую емкость, чем CD и DVD, но они все еще отстают от жестких дисков и твердотельных накопителей.

Каковы распространенные примеры оптических носителей?

За прошедшие годы оптические носители приняли различные формы, включая лазерные диски (LD), HD-DVD, оптические картриджи с однократной записью, многократным чтением (WORM) и некоторые другие. Благодаря этому сочетанию на современном рынке оптических накопителей в качестве стандартов появились три формата:

• Компакт-диск (CD). Компакт-диск представляет первое поколение коммерческих оптических накопителей. После своего появления он быстро заменил как виниловые пластинки, так и кассеты в качестве предпочтительного аудионосителя. Первоначально компакт-диски были доступны только в виде предварительно записанных дисков только для чтения, но вскоре они стали доступны в виде записываемых и перезаписываемых дисков, которые можно было использовать для хранения данных. Компакт-диск может содержать до 700 мегабайт (МБ) данных.
• Цифровой универсальный диск (DVD). Также называемый цифровым видеодиском, DVD начинался как носитель только для чтения, аналогичный компакт-дискам, но с возможностью хранения достаточного количества данных для хранения полнометражного фильма. Однослойный DVD-диск может содержать 4,7 гигабайта (ГБ) данных, а двухслойный диск — 8,5 ГБ. Вскоре после появления DVD для хранения данных стали доступны записываемые и перезаписываемые диски.
• Blu-Ray. Диск Blu-ray стал бесспорным лидером на современном рынке оптических накопителей. В отличие от компакт-дисков и DVD-дисков, в которых для чтения и записи данных используется красный лазер, в дисках Blu-ray используется синий лазер, который значительно увеличивает емкость и скорость передачи данных по сравнению с компакт-дисками и DVD-дисками. Современные диски Blu-ray могут хранить до 128 ГБ данных и доступны как диски только для чтения, которые могут содержать предварительно записанные художественные фильмы высокой четкости, а также записываемые и перезаписываемые диски для хранения данных.

Стандартный размер для всех трех форматов одинаков: диаметр 120 мм (4,7 дюйма), толщина 1,2 мм (0,05 дюйма). Этот стандарт позволяет приводам Blu-ray поддерживать DVD и компакт-диски, а приводам DVD — компакт-диски. При этом оптические приводы совместимы только с более ранними форматами, а не наоборот. Приводы компакт-дисков не могут работать с дисками DVD или Blu-ray, а приводы DVD не могут работать с дисками Blu-ray.

Различные форматы оптических дисков

История оптических носителей

Первый метод хранения данных с использованием света на твердом носителе был изобретен Джеймсом Т. Расселом в конце 1960-х годов. Первоначальное творение Рассела мало походило на современную технологию оптического хранения.

В его изобретении использовались светлые и темные точки микронного размера для обозначения наличия или отсутствия цифрового бита. Этот узор был прочитан путем пропускания света через прозрачную среду, на которой он был закодирован.

В 1970-х Рассел продолжал совершенствовать свой дизайн по мере того, как формат компакт-дисков начал обретать форму, но только в 1982, компакт-диски получили серьезное признание, когда Philips и Sony представили первый в мире коммерческий проигрыватель компакт-дисков. В отличие от оригинального дизайна Рассела, в этих современных дисках используется лазер для создания ямок на отражающей поверхности, такой как алюминиевая фольга, которая находится под твердым прозрачным пластиковым покрытием. Размер ямки определяется длиной волны лазерного излучения.

Поскольку лазер синего света, используемый с дисками Blu-ray, имеет более короткую длину волны, чем свет красного лазера, 25 ГБ памяти можно закодировать на одном слое диска Blu-ray диаметром 12 см. Для сравнения, компакт-диск может хранить только 700 МБ, а однослойный DVD — только 4,7 ГБ, что делает Blu-ray текущим стандартом хранения оптических дисков.

Несмотря на то, что емкость оптических накопителей остается меньше, чем у жестких дисков или твердотельных накопителей, продолжаются исследования и разработки, направленные на увеличение емкости. В 2016 году Sony анонсировала диск Blu-ray, который может хранить до 3,3 терабайт (ТБ) данных.

С тех пор было мало указаний на то, что Sony все еще собирается выполнить свое обещание, но теперь компания предлагает четырехслойный диск Blu-ray, на котором может храниться 128 ГБ данных. Тем временем Ассоциация дисков Blu-ray делает все возможное для Ultra HD Blu-ray, который может хранить до 100 ГБ данных.