Об'ємне оптичне зберігання даних — це будь-яка форма оптичного зберігання даних, в якій інформацію можна записувати чи читати з тривимірною роздільною здатністю (на відміну від двовимірної роздільної здатності, яку надає, наприклад, CD)«Three-Dimensional Optical Data Storage Using Photochromic Materials» S. Kawata and Y. Kawata, Chem. Rev. 2000, 100, 1777..
Ця інновація має потенціал забезпечити масове зберігання на рівні петабайт на дисках DVD (120мм). Запис і читання даних досягаються фокусуванням лазерів у середовищі. Однак через об'ємну природу структури даних, лазерне світло має проходити через інші точки даних, перш ніж воно досягне точки, де виконується читання або запис. Тому необхідна певна нелінійність для того, щоб ці інші точки даних не заважали адресації потрібної точки.
Жоден комерційний продукт на основі 3D-оптичного зберігання даних поки що не надійшов на масовий ринок, хоча кілька компаній активно розвивають технологію і стверджують, що вона може стати доступною «незабаром».
Огляд Поточні оптичні носії інформації, такі як компакт-диск та DVD, зберігають дані у вигляді серії відбивних позначок на внутрішній поверхні диска. Щоб збільшити обсяг даних, на дисках можна створювати два або навіть більше цих шарів даних, але їхня кількість дуже обмежена, оскільки промінь адресного лазера взаємодіє з кожним шаром, який він проходить на шляху до і від адресованого шару. Ці взаємодії викликають шум, що обмежує технологію приблизно 10 шарами. 3D-оптичні методи зберігання даних обходять цю проблему, використовуючи методи адресації, коли лише спеціально адресований воксель (об'ємний піксель) суттєво взаємодіє з адресним світлом. Це обов'язково включає нелінійні методи зчитування та запису даних, зокрема нелінійну оптику.
Об'ємне оптичне зберігання даних пов'язане (і конкурує з) голографічним зберіганням даних. Традиційні приклади голографічного зберігання не стосуються третього виміру і тому не є строго «об'ємними», але останнім часом об'ємне голографічне зберігання реалізовано за допомогою мікроголограм. Багатошарова технологія вибору шару (де багатошаровий диск має шари, які можна активувати індивідуально, наприклад електричним шляхом) також тісно пов'язані.
Наприклад, система об'ємного оптичного зберігання даних може використовувати диск, схожий на прозорий DVD. Диск містить багато шарів інформації, кожен на різній глибині носія, і кожен складається з DVD-подібної спіральної доріжки. Для запису інформації на диск лазер фокусується на певній глибині носія, яка відповідає певному інформаційному шару. Коли лазер увімкнений, він викликає фотохімічну зміну середовища. Коли диск крутиться і головка читання/запису рухається по радіусу, шар записується так само, як записується DVD-R. Глибина фокусування може бути змінена та записаний зовсім інший рівень інформації. Відстань між шарами може становити від 5 до 100мкм, що дозволяє зберігати більше ніж 100 шарів інформації на одному диску.
Для зчитування даних (у цьому прикладі) використовується аналогічна процедура, тільки замість того, щоб викликати фотохімічну зміну носія лазер викликає флуоресценцію. Це досягається, наприклад, за допомогою меншої потужності або іншої довжини хвилі лазера. Інтенсивність або довжина хвилі флуоресценції відрізняється залежно від того, що було записано на носій у цій точці, завдяки чому, вимірюючи випромінене світло, дані зчитуються.
Розміри окремих хромофорних молекул або фотоактивних колірних центрів значно менші за розмір плями фокусування лазера (який визначається межею дифракції). Отже, світло потрапляє на велику кількість (можливо, навіть 109) молекул у будь-який час, тому середовище виступає як однорідна маса, а не матриця, структурована положенням хромофорів.
Історія Витоки напрямку сягають 1950-х років, коли Єгуда Хіршберг розробив фотохромні спіропірани та запропонував використовувати їх для зберігання даних. У 1970-х Валерій Барачевський продемонструвавSoviet Journal of Quantum Electronics 1973, vol. 3, no. 2, 128 що цей фотохромізм може бути викликаний двофотонним збудженням, і, нарешті, наприкінці 1980-х показав, що це дозволяє реалізувати тривимірне зберігання данихScience 1989, 245, 843. Більшість розроблених систем певною мірою базуються на оригінальних ідеях Ренцепіса. Досліджено широкий спектр фізичних явищ для зчитування та запису даних, розроблено та оцінено велику кількість хімічних систем для середовища, проведено велику роботу щодо вирішення проблем, пов'язаних з оптичними системами, необхідними для читання та запису даних. В даний час кілька груп продовжують працювати над рішеннями різного рівня розвитку та зацікавленості у комерціалізації.
Процеси записування даних Запис даних в об'ємному оптичному носії інформації вимагає, щоб у середовищі відбулася зміна після збудження. Ця зміна, як правило, є певною фотохімічною реакцією, хоча існують й інші можливості. Хімічні реакції, які були досліджені, включають фотоізомеризацію, фотокомпозиції та фотознебарвлення та ініціацію полімеризації. Найбільш дослідженими були фотохромні з'єднання, які включають азобензен, спіропірани, стильбени, фульгіди і діарилетени. Якщо фотохімічна зміна є оборотною, то, в принципі, можна досягти перезаписуваного зберігання даних. Також технічно здійсненне багаторівневе записування, де дані записуються у «градаціях сірого», а не як «увімкнено» та «вимкнено».
Записування нерезонансним багатофотонним поглинанням Хоча існує багато нелінійних оптичних явищ, лише багатофотонне поглинання здатне вводити в носій значну енергію, необхідну для збудження електронів у молекулах і здатну викликати хімічні реакції. Двофотонне поглинання на сьогодні є найсильнішим багатофотонним поглинанням, але все-таки це дуже слабке явище, що призводить до низької чутливості носія. Тому багато досліджень спрямовано на забезпечення хромофорів з високими двофотонними поперечними перерізами поглинанняScience 1998, 281, 1653.
Записування двофотонним поглинанням досягається фокусуванням лазерного променя в точці, де має відбутися процес фотохімічного запису. Довжину хвилі записувального лазера вибрано такою, що він нелінійно поглинається середовищем і тому не взаємодіє з середовищем, крім як у фокусі. У фокусі двофотонне поглинання стає значним, тому що це нелінійний процес, який залежить від квадрата флюенса лазера.
Запис двофотонним поглинанням також можна реалізувати узгодженою дією двох лазерів. Цей метод, як правило, використовується для одночасного паралельного запису даних. Один лазер проходить через носій, визначаючи лінію або площину. Потім другий лазер спрямовується в точки на тій лінії або площині, де потрібно здійснити запис. Збіг лазерів у цих точках спричиняє двофотонне поглинання, що приводить до фотохімічного запису.
Записування послідовним багатофотонним поглинанням Іншим підходом до покращення чутливості середовища є використання резонансного поглинання двох фотонів (також відомого як «1+1» або «послідовне» двофотонне поглинання). Нерезонансне двофотонне поглинання (яке зазвичай використовується) є слабким, оскільки для того, щоб збудження відбулося, два збуджувальні фотони повинні надходити на хромофор майже одночасно. Це тому, що хромофор не в змозі взаємодіяти з одним окремим фотоном. Однак, якщо хромофор має енергетичний рівень, що відповідає (слабкому) поглинанню одного фотона, то це можна використати як «трамплін», що забезпечує більше свободи у часі надходження фотонів і, отже, значно більшу чутливість. Однак такий підхід призводить до втрати нелінійності, порівняно з нерезонансним поглинанням двох фотонів (оскільки кожен етап поглинання двох фотонів є по суті лінійним), а отже, ризикує поставити під загрозу об'ємну роздільну здатність системи.
Мікроголографія У мікроголографії сфокусовані промені світла використовуються для запису голограм субмікрометрового розміру у фоторефракційному матеріалі, як правило, за допомогою колінеарних променів. У процесі записування можна використовувати ті самі типи носіїв, які використовуються в інших типах зберігання голографічних даних, також для формування голограм можна використовувати двофотонні процеси.
Записування даних під час виготовлення Дані також можуть створюватися під час виготовленні носіїв, як у більшості форматів оптичних дисків для комерційного поширення даних. У цьому випадку користувач не може записати дані на диск — це формат тільки для читання (ROM). Дані можуть бути записані нелінійно-оптичним методом, але в цьому випадку використання лазерів дуже високої потужності є прийнятним, тому чутливість середовища стає менш важливою.
Продемонстровано також виготовлення дисків, що містять дані, сформовані або надруковані в їх 3D-структурі. Наприклад, диск, що містить дані в тривимірному форматі, може бути сконструйований шляхом утворення стосу з великої кількості дисків, на кожному з яких сформовано або надруковано один шар інформації. Потім отриманий диск ROM можна прочитати за допомогою методу об'ємного читання.
Інші підходи до записування Вивчено також інші методики запису даних у трьох вимірах, зокрема: Випалювання постійних спектральних провалівИ. С. Осадько. Лазерная селективная спектроскопия активированных полимеров и стекол (PSHB), що також дозволяє використати спектральне мультиплексування для збільшення щільності даних. Однак, для уникнення втрати даних, PSHB-носій потребує підтримання надзвичайно низьких температур.
Утворення порожнеч, де в носії інтенсивним лазерним опроміненням утворюються мікроскопічні бульбашки.
Хромофорне полірування, де лазерна переорієнтація хромофорів у структурі носія призводить до читанних змін.
Процеси зчитування даних Зчитування даних з об'ємної оптичної пам'яті здійснюється різними способами. Хоча деякі з них покладаються на нелінійність взаємодії світло-речовина для отримання тривимірної роздільної здатності, інші використовують методи, які просторово фільтрують лінійну реакцію носія.
Методи читання включають:
дофотонне поглинання (в результаті відбувається або поглинання, або флуоресценція). Цей метод є по суті двофотонною мікроскопією.
лінійне збудження флуоресценції з конфокальним виявленням. Цей метод є по суті конфокальною лазерною сканувальною мікроскопією. Він використовує збудження з набагато меншими потужностями лазера, ніж за двофотонного поглинання, але має деякі потенційні проблеми, оскільки адресне світло взаємодіє з багатьма іншими точками даних, крім тієї, до якої здійснюється звертання.
вимірювання невеликих різниць показника заломлення між двома станами даних. Цей метод зазвичай використовує фазоконтрастний мікроскоп або конфокальний відбивний мікроскоп. Не потрібно поглинання світла, тому немає ризику пошкодження даних під час читання, але необхідна невідповідність показника заломлення на диску може обмежувати товщину (тобто кількість шарів даних), до якої можна досягти, через накопичення випадкових похибок фронту хвилі, що знижують якість фокусування.
генерування другої гармоніки була продемонстрована як метод зчитування даних, записаних у поляризованій полімерній матриціPaper 6653-10 presented at SPIE Optics and Photonics 2007, San Diego..
також була продемонстрована як метод паралельного зчитуванняOptics Communications 2003, 220, 59..
Будова носіїв Активна частина об'ємних оптичних носіїв зазвичай є органічним полімером з легуванням або доданням фотохімічно активних речовин. Як альтернатива використовуються кристалічні та золь-гелеві матеріали.
Форма носія Носії для об'ємного оптичного зберігання даних пропонуються у кількох форм-факторах: диск, карта та кристал.
Дисковий носій є розвитком CD/DVD та дозволяє читання та запис здійснювати під час звичного обертання дисків.
Носій у вигляді кредитної картки привабливий з точки зору портативності та зручності, але має меншу ємність, ніж диск.
Кілька авторів наукової фантастики запропонували невеликі тверді тіла, які зберігають величезну кількість інформації, і, в принципі, цього можна досягти за допомогою 5D оптичного зберігання даних.
Виробництво носіїв