Upload
phungnhi
View
220
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Optikai adattárolás ma és
holnap(után)
Koppa Pál
Technical University of Budapest
Department of Atomic Physics
www.fat.bme.hu
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 2
Tartalom
I. A mai optikai adattárolók
II. Az adatsűrűség
III. Térfogati adattárolás
IV. Holografikus adattárolás
V. Optikai adattárolás a Műegyetemen
VI. Fázisban modulált adatlapok
VII. Mikroholografikus rendszer
VIII. Konklúzió
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 3
I. Egy mai optikai adattároló felépítése
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 4
Mi van a lemezen?
CD, DVD, BLU-Ray –ROM:
Pit & land interference
CD, DVD, BLU-Ray –R:
Organic dye with permanent
absorption change
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 5
Újraírható lemez CD, DVD, BLU-Ray +/–RW: Metal alloy with reversible phase change
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 6
A tárolási kapacitás fejlődése
Tegnap Ma Holnap És holnapután???
650 MB 4.7 GB 25 GB
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 7
II. Az adatsűrűség
22
6,0
)sin(
6,0
nNADDAdatsűrűség:
)sin( nNA
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 8
NA növelése? Elvileg lehetséges
közeltéri (near-field) technikák:
•SIL (szilárd immerziós lencse)
•Elhaló hullám becsatolás (evanescent wave)
csökkentése? •UV lézer dióda elvileg lehetséges…
Diffrakciós limit áthágása ??? •Miért ne?
•Ld. superresolution
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 9
Írás túl a diffrakciós határon - egy példa
Magneto-optical crescent recording
Switching
Threshold
H
Temperature
Profile Laser Beam
Small Crescent Domains
H
Media
Motion
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 10
Olvasás
Readout Layer
Recording Layer
Temp Profile
Side View Top View
In Plane
Mask Thermal
Aperture
Magnetic Super Resolution (MSR)
Center Aperture Detection (CAD)
Solves the Diffraction Limit Problem!
However: Low signal levels
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 11
A 2D adatsűrűség nagyságrendi növelése nem kézenfekvő !
Megoldás???
Térfogati tárolás
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 12
III. Térfogati tárolás
Maximális adatsűrűség:
Er( )2
max Er( )2
Er ()2
maxEr ()2
3
422NA5.5NA2
6,0
NADD
x,y z
3D adatsűrűség elvi határa:
~14 bit/mm3 térfogati adatsűrűség (NA=0.85, l=400nm)
~12 000 Gbit/inch2 felületi adatsűrűség
~25 TB/lemez felhasználói kapacitás (R=125mm, t=1mm, CR=0.6)
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 13
CD „térfogatosítása”
2,4 rétegű Blu-ray lemez kapható
8, 16 réteg fejlesztés alatt (200-400 GB)
Abszorpció, transzmisszió, szórás
→ SNR csökken
Komplex és drága lemez-technológia
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 14
2 fotonos térfogati tárolás
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 15
Arany nanorudak, plazmonrezonancia
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 16
IV. Holografikus adattárolás
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 17
Multiplexelés
Szög multiplexelés
(síkhullám referencia)
Shift multiplexelés
(gömbhullám referencia) Hullámhossz multiplexelés
(síkhullám referencia)
Fázis-kódolt multiplexelés
(N síkhullám szuperpozíciója)
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 18
Holografikus tároló-anyagok
Vastagság →
Dinamika tartomány →
Érzékenység →
Optikai minőség →
Zsugorodás, hőtágulás →
MUX száma
Diffrakciós hatásfok
Írási sebesség
Jel-zaj viszony
Jel-zaj viszony
2#
M
M
)sin(L2 s
r
Tipikus anyagok: fotorefraktív kristályok, fotopolimerek
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 19
InPhase Technologies
Hologram felvétel
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 20
InPhase Technologies
Hologram kiolvasás
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 21
„Piacon kapható” holografikus adattároló
Drive
•300GB capacity; •20MB/s, 160 Mb/s transfer rate •WORM recording format
•405 nm laser wavelength
Media
•1.5 mm recording material •130 mm diameter disk •50 year archive life
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 22
„Kollineáris” rendszer
Optikai rendszer
Adatlap
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 23
Mikroholografikus rendszer
n
FES / TES
FES / TES se
rvo
sy
ste
m
data control
laser
multiplex
objective
lens
actuator
actuator
reflector
astigmatic
lens
astigmatic
lens
quad
quad
collimator
beam
splitter
beam
splitter
detector
Confocal
filter
Setup with confocal filtering
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 24
Az adatsűrűség fejlődése
Seagate HDD 2005 (421 Gb/inch2)
Samsung HDD 2011 (739 Gb/inch2)
microSDXC 2011 (2000 Gb/inch2)
8 rétegű Blu-ray 2007 (100 Gb/inch2)
Holographic (InPhase) 2006 (500 Gb/inch2)
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 25
V. Optikai adattárolás a Műegyetemen
CD and MO technology (1988-’91 in
cooperation with VIDEOTON)
Page oriented optical memory card
(1995’98 with Optilink AB)
Holographic data storage (from 1998 with Optilink and Bayer Innovations)
2 Photon volume optical data storage (1999 with EOARD, Univ. of Buffalo)
Communication compatible all optical data
storage (2001 with Deutsche Telecom)
Technical support on CD/DVD RW manufacturing (from 2000 with Philips Hungary)
High density holographic storage (ATHOS
and MICROHOLAS from 2004)
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 26
Holographic Memory Card Demonstrator Systems
R/W unit
power supply Read-only unit
Portable Holographic Storage Demonstrator Systems
Read only and read&write units demonstrated
Inherently secure data storage technology
2.77 bits/mm2 (1012 bit/cm3) data density
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 27
Polarizációs holográfia
Key features No -1 and higher diffracted orders
High diffraction efficiency possible
Requires photoanisotropic storage material
Reference beam
Storage material
Interference pattern (hologram)
Circular polarization
Linear polarization
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 28
Read & Write System Optical Set-up
Green laser
source Beam splitter
Mirror Mirror
(aperture stop, Fourier filter)
Object SLM (transmissive)
CCD array
Memory card Storage layer
λ/4 plate #2
Fourier objective #2
Polarisation beam splitter with central hole in the
splitting layer
Polarisation filter
Fourier objective #1
Mirror
λ/4 plate
Fourier lens
Random-phase mask
Polarisation beam splitter
Beam expander Beam shaper
Beam shaper
Beam contractor
Aperture stop of reference arm
Mirror 8f Fourier module
Signal beam
Reference beam
Read&Write head
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 29
Elements of the system
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 30
Reconstructed Data Page
•Constant weight sparse code modulation, 3x oversampling at CCD
•16.4 Kbyte in a hologram, 2.77 bits/mm2 (1012 bits/cm3 ) storage density
• raw symbol error rate: 10-4, user bit error rate after RS error correction: 10-12
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 31
0 π π 0
π 0 0 π
0 π π 0
π 0 0 π
π 0 π π
0 0 π 0
π π 0 0
0 0 π π
π 0 π π
0 0 π 0
π π 0 0
0 0 π π
Input data FT of data Ref. wave
Rec. wave Recording
FT
FT
FT
Reconstruction
Output
Correct code
Different code
Holographic Cryptography with phase coded reference wave
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 32
Reconstructed holograms
Recording reference =
Reconstructing reference
Recording reference
Reconstructing reference
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 33
Object plane encoding
Laser
Amplitude
SLM Phase mask Aperture
Data recovery
and ECC CCD Hologram
Reference beam
Object beam Reconstructed beam
Data encoding
PBS
Phase SLM
Does not make any encoding for amplitude images !!!
Phase modulated data page is needed !!
Phase SLM
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 34
VI. Fázisban modulált adatlapok
Laser
Amplitude
SLM Phase mask Aperture Data recovery
and ECC CCD Hologram
Reference beam
Object beam Reconstructed beam
Data encoding
PBS
Phase SLM
Phase modulated data page:
+Simple object arm
+Smooth Fourier plane
+Higher object power
Phase SLM
-Difficult data recovery
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 35
Phase to amplitude conversion Phase object electric field Phase object shifted Superimposed phase objects
1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 0
-1 1 -1 1 1 -1 1 -1 0 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 2 -2 2 0 -2 2 -2 1
-1 1 1 1 -1 -1 -1 1 0 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 0 2 0 0 0 -2 2 -1
1 -1 1 -1 1 1 1 -1 0 -1 1 1 1 -1 -1 -1 1 1 -2 2 0 2 0 0 -2 1
-1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 + 0 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 = -1 0 0 2 -2 0 -2 0 -1
1 -1 -1 1 1 1 1 -1 0 -1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -2 -2 2 2 0 2 -2 -1
-1 1 1 1 -1 -1 -1 1 0 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 -1 2 0 0 0 -2 0 2 -1
-1 1 1 -1 1 -1 1 -1 0 -1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 0 2 0 2 -2 0 -2 1
-1 1 1 -1 1 -1 1 -1 0 -1 1 1 -1 1 -1 1 -1
Phase object intensity Shifted intensity Intensity of superimposed phase objects
1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0
1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 4 4 0 4 4 4 1
1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 4 0 0 0 4 4 1
1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 4 0 4 0 0 4 1
1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 → 1 0 0 4 4 0 4 0 1
1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 4 4 4 0 4 4 1
1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 0 0 0 4 0 4 1
1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 4 0 4 4 0 4 1
0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 36
Optical implementation
BIS CCDP45°
E
OCirc.
Thickness t=6,2
mm
Opical axis
=12
d
Clear aperture d25 mm
LTB (Li2B4O7)
Image duplication and shift by:
•Birefringent plate
•Diffraction grating
•Etc.
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 37
Experimental results
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 25 50 75 100 125 150 175 200
CCD Grey level (0..255)
No
. o
f o
ccu
ren
ces
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 25 50 75 100 125 150
Fourier filtering [%]
Lo
g10(B
ER
)
Experiment
Simulation
Simulation
Experiment
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 38
Tolerances
I n terf erence
maxIn terf erence( )25 5
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
3 4 5 6 7 8 9 10 11
Hologram misalignment (% of hologram size)
His
tog
ram
sp
ac
ing
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
0 5 10 15 20 25
Image phase SLM Shift (microns)
BE
R
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 39
Ref
Obj
SLM 1 FT lens
SLM 2
Hologram FT lens SLM 3 BIS CCD
/2
Recording Ref Reconstruction
Encrypted storage
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 40
Encrypted storage
Histogram
0
100
200
300
400
500
0 50 100 150 200 250 300
CCD grey level (0..255)
No
. O
f o
ccu
ran
ces
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 41
Object plane phase code
0
100
200
300
400
500
0 50 100 150 200 250 300
CCD grey level (0..255)
No
. O
f o
cc
ura
nc
es
Total histogram
Logical 1-s
Logical 0-s
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 42
Fourier plane phase code
0
100
200
300
400
500
0 50 100 150 200 250 300
CCD grey level (0..255)
No
. O
f o
cc
ura
nc
es
Total histogram
Logical 1-s
Logical 0-s
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 43
Dual phase code
0
100
200
300
400
500
0 50 100 150 200 250 300
CCD grey level (0..255)
No
. O
f o
cc
ura
nc
es
Total histogram
Logical 1-s
Logical 0-s
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 44
n
FES / TES
FES / TES se
rvo
sy
ste
m
data control
laser
multiplex
objective
lens
actuator
actuator
reflector
astigmatic
lens
astigmatic
lens
quad
quad
collimator
beam
splitter
beam
splitter
detector
Confocal
filter
Setup with confocal filtering
VII. Mikroholografikus rendszer
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 45
The system model
1. Laser diode
2. Collimator lens
3. Objective lens + aperture
4. Disk
5. Microholograms in the disk
6. Confocal filter
1. Calculate scattering (4) → diffracted field
2. Propagate to lens (3) → far field wave
3. Add spherical phase (3) → perfect lens
4. Cut wave by aperture (3) → truncated Gauss
5. FFT of wave (2) → beam focused on
pinhole
6. Cut wave by pinhole (6) → confocal filtering
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 46
Bragg diffraction calculations
l
l
r
r
r
r
zzyyxxik
pd dxdydzzzyyxx
ezyxnzzyyxxE
kzyxzyxE
2
1
2
1
2
1
)()()(2
111
)()()(),,(),,(
4),,,,,(
21
21
21
•Volume scattering on weak index modulation
•Volume integral using the first Born approximation
•Both scalar and vector form can be integrated numerically
Diffracted field Probe wave Index modulation Green function
CCzyxEzyxEzyxn sr ),,(),,(),,(
)()(2)(
0
22
2
22
)(
2),,(
ziikzzR
yxik
zw
yx
eezw
EzyxE
Linear material:
Gaussian writing and
reading beams:
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 47
Intensity distribution at output
Confocal filter
aperture size
dz=0
dy=0
dz=6 mm
dy=.5mm
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 48
First model results
Diffracted intensity at z=100 microns Index modulation of a microhologram
Transversal scan 532nm
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
-3 -2 -1 0 1 2 3
shift (micron)
FFT Bornapproximation
Measurement
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
-15 -10 -5 0 5 10 15
z [micrometer]
Energy
[a.u.]
Measurement
FFT Born appr.
Volume integral
Longitudinal scan
532nm
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 49
Statistical evaluation
0.4mm
Hologram pitch
Random hologram configurations
50% white rate
Track pitch: 0.7μm
Hologram pitch : 0.4 μm Layer pitch : 6 μm
Modeling up to 7 layers.
Histograms of 10 000 configurations
Reconstructed hologram
Two nearest neighbors
Holograms in the same layer
Holograms in other layers
0.7mm
Track pitch
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 50
Bit error rate calculation
c
c
E
E
dEEWdEEWN
BER0
01 )()(1
Ec
W1(E) W0(E)
W0 & W1: fitted probability distributions
Ec: read energy at crossing point
N: No of bits in the histogram
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 51
Non-local saturation
•Exposure → photo-polymerisation → relaxation by monomer diffusion
•Sensitivity to next exposure proportional to monomer concentration
•Diffusion is to be taken into account!
•Calculation of polymer and monomer cc. as a function of time and space
Result: non-linear, non-local material model
Diffusion equation:
Monomer concentration
Light induced polymerization rate
Non-local material response
Diffusion constant
Change of monomer concentration
Grad of mon. cc
* J. R. Lawrence, F. T. O'Neill, J. T. Sheridan, Adjusted intensity nonlocal diffusion model of
photopolymer grating formation, J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 19, No. 4, Page 621-629, (April 2002)
'),'(),'()',(
),(),(
),(dxtxutxFxxR
x
txutxD
xt
txu
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 52
Diffusion model results
If Texp<< Tdiff and Iexp<< Isat
Diffusion can be modeled with
Gaussian smoothing of monomer
concentration!
If Texp Tdiff
Saturation and possible fringe distortion
Non-local response
Provides the known CGS curve and M#
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 53
Holograms with non-local model
Unequal diffraction efficiencies
Non-local response
Good fit to experimental scans
Koppa Pál: Optikai adattárolás, "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged 54
VIII. Konklúzió
Követelmények:
-Nagy adatsűrűség, nagy adatátviteli sebesség
-Hosszú archíválási idő
-Biztonság
-Könnyű kereshetőség -Olcsó adathordozó, nem nagyon drága meghajtó
Holographic?
2 photon 3D?
5D?
????
>1000GB
(200 x DVD)
?