Almacenamiento de datos holográficos

Discos ópticos
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Véase también Historia de los medios de almacenamiento óptico Guerra de formatos de discos ópticos de alta definición
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El almacenamiento de datos holográficos es una tecnología potencial en el área del almacenamiento de datos de alta capacidad . Mientras que los dispositivos de almacenamiento de datos magnéticos y ópticos dependen de que los bits individuales se almacenen como cambios magnéticos u ópticos distintos en la superficie del medio de grabación, el almacenamiento de datos holográficos registra información en todo el volumen del medio y es capaz de grabar múltiples imágenes en la misma área utilizando luz en diferentes ángulos.

Además, mientras que el almacenamiento de datos magnético y óptico registra la información bit a bit de manera lineal, el almacenamiento holográfico es capaz de registrar y leer millones de bits en paralelo, lo que permite velocidades de transferencia de datos mayores que las alcanzadas por el almacenamiento óptico tradicional . ^[1]

El almacenamiento de datos holográficos contiene información que utiliza un patrón de interferencia óptica dentro de un material óptico fotosensible grueso. La luz de un solo haz láser se divide en dos o más patrones ópticos separados de píxeles oscuros y claros. Al ajustar el ángulo del haz de referencia, la longitud de onda o la posición del medio, se pueden almacenar una multitud de hologramas (teóricamente, varios miles) en un solo volumen.

Los datos almacenados se leen mediante la reproducción del mismo haz de referencia utilizado para crear el holograma . La luz del haz de referencia se enfoca en el material fotosensible, iluminando el patrón de interferencia apropiado , la luz se difracta en el patrón de interferencia y proyecta el patrón sobre un detector. El detector es capaz de leer los datos en paralelo, más de un millón de bits a la vez, lo que da como resultado una rápida velocidad de transferencia de datos. Se puede acceder a los archivos en la unidad holográfica en menos de 0,2 segundos. ^[2]

El almacenamiento de datos holográficos puede proporcionar a las empresas un método para preservar y archivar información. El enfoque de almacenamiento de datos de una sola escritura, lectura múltiple ( WORM ) garantizaría la seguridad del contenido, impidiendo que la información se sobrescriba o modifique. Los fabricantes ^{[¿ quiénes? ]} creen que esta tecnología puede proporcionar un almacenamiento seguro de contenido sin degradación durante más de 50 años, superando con creces las opciones actuales de almacenamiento de datos ^{[ dudoso – discutir ]} . Los contrapuntos a esta afirmación son que la evolución de la tecnología de lectura de datos ha cambiado –en las últimas dos décadas– cada diez años. Si esta tendencia continúa, se deduce que poder almacenar datos durante 50 a 100 años en un formato es irrelevante, porque se migrarían los datos a un nuevo formato después de solo diez años. Sin embargo, la longevidad declarada del almacenamiento ha demostrado, en el pasado, ser un indicador clave de la confiabilidad a corto plazo de los medios de almacenamiento. Los formatos ópticos actuales, como el CD , han cumplido en gran medida con las promesas originales de longevidad (cuando se utilizan marcas de medios de buena reputación) y han demostrado ser portadores de datos a corto plazo más confiables que los disquetes y los medios DAT a los que reemplazaron. ^[2]

La sensibilidad se refiere al grado de modulación del índice de refracción producido por unidad de exposición. La eficiencia de difracción es proporcional al cuadrado de la modulación del índice multiplicado por el espesor efectivo.

El rango dinámico determina cuántos hologramas se pueden multiplexar en un solo volumen de datos.

Los moduladores de luz espacial (SLM) son dispositivos de entrada pixelados (paneles de cristal líquido) que se utilizan para imprimir los datos que se almacenarán en el haz del objeto.

Al igual que otros medios, los medios holográficos se dividen en medios de escritura única (en los que el medio de almacenamiento sufre algún cambio irreversible) y medios regrabables (en los que el cambio es reversible). El almacenamiento holográfico regrabable se puede lograr mediante el efecto fotorrefractivo en los cristales:

• La luz coherente entre sí de dos fuentes crea un patrón de interferencia en el medio. Estas dos fuentes se denominan haz de referencia y haz de señal .
• Cuando hay interferencia constructiva , la luz es brillante y los electrones pueden ser promovidos desde la banda de valencia a la banda de conducción del material (ya que la luz les ha dado energía para saltar la brecha de energía). Las vacantes con carga positiva que dejan se denominan agujeros y deben ser inmóviles en los materiales holográficos reescribibles. Cuando hay interferencia destructiva, hay menos luz y se promueven pocos electrones.
• Los electrones en la banda de conducción tienen libertad de movimiento en el material. Experimentarán dos fuerzas opuestas que determinan cómo se mueven. La primera fuerza es la fuerza de Coulomb entre los electrones y los huecos positivos de los que han sido promovidos. Esta fuerza alienta a los electrones a quedarse en el mismo lugar o regresar al lugar de donde vinieron. La segunda es la pseudofuerza de difusión que los alienta a moverse a áreas donde los electrones son menos densos. Si las fuerzas de Coulomb no son demasiado fuertes, los electrones se moverán hacia las áreas oscuras.
• Inmediatamente después de ser promovido, existe la posibilidad de que un electrón determinado se recombine con un hueco y vuelva a la banda de valencia. Cuanto más rápida sea la tasa de recombinación, menor será la cantidad de electrones que tendrán la oportunidad de moverse hacia las áreas oscuras. Esta tasa afectará la fuerza del holograma.
• Después de que algunos electrones se hayan desplazado a las zonas oscuras y se hayan recombinado con los huecos que se encuentran allí, se crea un campo de carga espacial permanente entre los electrones que se han desplazado a las zonas oscuras y los huecos de las zonas claras. Esto provoca un cambio en el índice de refracción debido al efecto electroóptico .

Cuando se debe recuperar o leer la información del holograma , solo es necesario el haz de referencia. El haz se envía al material exactamente de la misma manera que cuando se escribió el holograma. Como resultado de los cambios de índice en el material que se crearon durante la escritura, el haz se divide en dos partes. Una de estas partes recrea el haz de señal donde se almacena la información. Se puede utilizar algo así como una cámara CCD para convertir esta información en una forma más utilizable.

En teoría, los hologramas pueden almacenar un bit por bloque cúbico del tamaño de la longitud de onda de la luz en la escritura. Por ejemplo, la luz de un láser de helio-neón es roja, con una longitud de onda de 632,8 nm . Con luz de esta longitud de onda, el almacenamiento holográfico perfecto podría almacenar 500 megabytes por milímetro cúbico. En el extremo del espectro láser, el láser excimer de flúor a 157 nm podría almacenar 30 gigabytes por milímetro cúbico. En la práctica, la densidad de datos sería mucho menor, por al menos cuatro razones:

• La necesidad de añadir corrección de errores
• La necesidad de acomodar imperfecciones o limitaciones en el sistema óptico.
• Rentabilidad económica (lograr densidades más altas puede resultar desproporcionadamente más costoso)
• Limitaciones de la técnica de diseño: un problema que enfrentan actualmente los discos duros magnéticos en el que la configuración del dominio magnético impide la fabricación de discos que utilicen plenamente los límites teóricos de la tecnología.

A pesar de estas limitaciones, es posible optimizar la capacidad de almacenamiento utilizando técnicas de procesamiento de señales totalmente ópticas. ^[3]

A diferencia de las tecnologías de almacenamiento actuales que registran y leen un bit de datos a la vez, la memoria holográfica escribe y lee datos en paralelo en un solo destello de luz. ^[4]

Para la grabación holográfica de dos colores, el haz de referencia y señal se fija a una longitud de onda particular (verde, rojo o IR) y el haz de sensibilización/ activación es una longitud de onda separada, más corta (azul o UV). El haz de sensibilización/activación se utiliza para sensibilizar el material antes y durante el proceso de grabación, mientras que la información se graba en el cristal a través de los haces de referencia y señal. Se proyecta de forma intermitente sobre el cristal durante el proceso de grabación para medir la intensidad del haz difractado. La lectura se logra mediante la iluminación solo con el haz de referencia. Por lo tanto, el haz de lectura con una longitud de onda más larga no podría excitar los electrones recombinados de los centros de trampa profundos durante la lectura, ya que necesitan la luz sensibilizadora con una longitud de onda más corta para borrarlos.

Por lo general, para la grabación holográfica de dos colores, se requieren dos dopantes diferentes para promover los centros de trampa, que pertenecen a los metales de transición y a los elementos de tierras raras y son sensibles a ciertas longitudes de onda. Al usar dos dopantes, se crearían más centros de trampa en el cristal de niobato de litio . Es decir, se crearían una trampa superficial y una profunda. El concepto actual es utilizar la luz sensibilizadora para excitar a los electrones de la trampa profunda más alejada de la banda de valencia hasta la banda de conducción y luego recombinarlos en las trampas superficiales más cercanas a la banda de conducción. El haz de referencia y el haz de señal se utilizarían entonces para excitar a los electrones de las trampas superficiales de nuevo a las trampas profundas. De este modo, la información se almacenaría en las trampas profundas. La lectura se realizaría con el haz de referencia, ya que los electrones ya no pueden ser excitados fuera de las trampas profundas por el haz de longitud de onda larga.

Para un cristal de niobato de litio doblemente dopado ( LiNbO ₃ ) existe un estado óptimo de oxidación/reducción para el rendimiento deseado. Este óptimo depende de los niveles de dopaje de las trampas superficiales y profundas, así como de las condiciones de recocido de las muestras de cristal. Este estado óptimo generalmente ocurre cuando el 95-98% de las trampas profundas están llenas. En una muestra fuertemente oxidada, los hologramas no se pueden registrar fácilmente y la eficiencia de difracción es muy baja. Esto se debe a que la trampa superficial está completamente vacía y la trampa profunda también está casi desprovista de electrones. Por otro lado, en una muestra altamente reducida, las trampas profundas están completamente llenas y las trampas superficiales también están parcialmente llenas. Esto da como resultado una muy buena sensibilidad (registro rápido) y una alta eficiencia de difracción debido a la disponibilidad de electrones en las trampas superficiales. Sin embargo, durante la lectura, todas las trampas profundas se llenan rápidamente y los hologramas resultantes residen en las trampas superficiales donde se borran totalmente durante la lectura posterior. Por lo tanto, después de una lectura exhaustiva, la eficiencia de difracción cae a cero y el holograma almacenado no se puede reparar.

Desarrollado a partir del trabajo pionero sobre holografía en medios fotorrefractivos y almacenamiento de datos holográficos de Gerard A. Alphonse , InPhase realizó demostraciones públicas de un prototipo de dispositivo de almacenamiento comercial en la convención de la Asociación Nacional de Radiodifusores (NAB) de 2005 en Las Vegas, en el stand de Maxell Corporation of America.

Las tres principales empresas implicadas en el desarrollo de la memoria holográfica, a partir de 2002, fueron InPhase y la filial de Polaroid Aprilis en los Estados Unidos, y Optware en Japón. ^[5] Aunque la memoria holográfica se ha discutido desde la década de 1960, ^[6] y se ha promocionado para una aplicación comercial a corto plazo al menos desde 2001, ^[7] todavía tiene que convencer a los críticos de que puede encontrar un mercado viable. ^[8] A partir de 2002, los productos holográficos planificados no apuntaban a competir cara a cara con los discos duros, sino a encontrar un nicho de mercado basado en virtudes como la velocidad de acceso. ^[5]

InPhase Technologies, después de varios anuncios y posteriores retrasos en 2006 y 2007, anunció que pronto lanzaría un producto estrella. InPhase cerró en febrero de 2010 y el estado de Colorado confiscó sus activos por impuestos atrasados. Según se informa, la empresa había gastado 100 millones de dólares, pero el principal inversor no pudo reunir más capital. ^{[9] [10]} Los activos y el conocimiento de InPhase han sido adquiridos por Apple, que se cree que planea usarlos para la realidad aumentada. ^[11]

Durante la CES 2006 , se probó una unidad holográfica funcional que almacenaba 300 GB de memoria en comparación con los 100 GB del Blu-ray . Se ha anunciado que los discos holográficos serán un dispositivo de almacenamiento posterior al Blu-ray.

En abril de 2009, GE Global Research demostró su propio material de almacenamiento holográfico que podría permitir la creación de discos que utilicen mecanismos de lectura similares a los que se encuentran en los reproductores de discos Blu-ray . ^[12]

Nintendo presentó un acuerdo de investigación conjunta con InPhase para almacenamiento holográfico en 2008. ^[13]

Nintendo también es mencionado en la patente como solicitante conjunto: "... se revela aquí que la invención reclamada fue realizada de conformidad con un Acuerdo de Investigación Conjunta según se define en 35 USC 103 (c)(3), que estaba en vigor en o antes de la fecha en que se realizó la invención reclamada, y como resultado de actividades realizadas dentro del alcance del Acuerdo de Investigación Conjunta, por o en nombre de Nintendo Co., e InPhase Technologies, Inc.". ^[14]

En Star Wars , los Jedi usan holocrones y cristales holográficos para almacenar datos sobre su historia.

En 2010: El año en que hacemos contacto , se tuvo que emplear una tenia para borrar la memoria holográfica de HAL ya que "los borrados cronológicos no funcionarían".

En Robot y Frank , Robot tiene una memoria holográfica que se puede borrar a la mitad, pero tendrá la mitad de resolución.

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• Sistema de almacenamiento de datos holográficos

• Daewoo Electronics desarrolla el primer sistema de control de movimiento servo de alta precisión del mundo para almacenamiento de datos digitales holográficos (prototipo virtual creado con LabView)
• GE Global Research está desarrollando discos y reproductores de terabytes que funcionarán con medios de almacenamiento antiguos Archivado el 31 de enero de 2012 en Wayback Machine