Holografischer Speicher
Als Holografischer Speicher wird eine Technik bezeichnet, mit der Informationen in sehr hoher Dichte innerhalb von Kristallen oder Foto-Polymeren gespeichert werden können.
Technik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Aufgrund der durch Diffraktion gesetzten physikalischen Grenzen des Schreiblasers haben heutige Speichertechniken, z. B. die DVD, die Obergrenze der Datendichte erreicht. Aus diesem Grund hat ein holografischer Speicher das Potenzial, die nächste Generation von Speichermedium zu werden (siehe auch Holographic Versatile Disc).
Der Vorteil des holografischen Datenspeichers ist, dass nicht nur die Oberfläche, sondern das gesamte Volumen des Aufzeichnungsmaterials genutzt werden kann. Dieser Aspekt erlaubt es, Phänomene wie die Bragg-Volumen-Adressierung auszunutzen, wodurch sehr viel mehr Informationen in demselben Volumen an Speichermedium untergebracht werden können. Dafür muss jedes Hologramm gegen seine Nachbarn Bragg-verstimmt werden. Dies kann durch mehrere Methoden erreicht werden, z. B. durch Rotation des Speichermediums unter Berücksichtigung des Aufnahmemediums und der Referenzstrahlung sowie durch Änderung der Wellenlänge oder Phase des Aufnahmelaserstrahls für jedes Hologramm.
Wie auch bei anderen Datenträgern werden holografische Speicher in einmalig beschreibbare Speicher und wiederbeschreibbare Speicher unterteilt. Einmalig beschreibbare Speichermedien werden durch den Speicherprozess irreversibel verändert. Wiederbeschreibbare Speichermedien hingegen erlauben wiederholt Änderungen. Wiederbeschreibbare holografische Speicher können durch den photorefraktiven Effekt in Kristallen erreicht werden:
- Beidseitig kohärentes Licht von zwei Lichtquellen erzeugt ein Interferenzmuster im Medium. Die beiden Lichtquellen werden als Referenzstrahl und Signalstrahl bezeichnet.
- An Orten, an denen überlagerte Wellen zu einer Verstärkung der Amplitude führen, spricht man von konstruktiver Interferenz, und das Licht erscheint heller. Dadurch ist genug Energie vorhanden, um Elektronen aus dem Valenzband über die Bandlücke ins Leitungsband zu befördern. Bei den entstandenen „Löchern“ handelt es sich um Quasiteilchen, die als positive Ladungsträger agieren. Für eine Nutzung als holografischer Speicher müssen diese sogenannten Defektelektronen örtlich fest sein.
- Elektronen im Leitungsband können sich frei innerhalb des Mediums bewegen. Ihre Bewegung wird dabei durch zwei gegensätzliche Effekte beeinflusst: Die zwischen ihnen wirkende Coulomb-Kraft und ihre Diffusion im Medium. Nach Charles Augustin de Coulombs Gesetz streben die Elektronen nach einem Ladungsausgleich und werden daher möglichst nahe bei einem der Elektronenlöcher bleiben oder diese besetzen. Dem entgegen steht der Diffusions-Gradient (Mathematik) der Elektronen, der auf eine homogene Elektronenverteilung hinwirkt. Solange die elektrostatischen Kräfte und der Konzentrationsunterschied zwischen den Elektronen eine Nettokraft hervorrufen, d. h. kein Gleichgewicht vorliegt, wandern Elektronen zu Orten geringerer Elektronenkonzentration.
- Direkt nach dem Aufstieg ins Leitungsband besteht die Möglichkeit, dass das Elektron wieder ein Defektelektron besetzt. Je höher die Besetzungsrate, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit eines diffusiven Ladungsausgleichs. Dies ist ein entscheidendes Kriterium zur Haltbarkeitsbestimmung holografischer Speicher.
- Nachdem Elektronen zu den Orten geringerer Konzentration gewandert sind und die dortigen Elektronenlöcher besetzt haben, besteht ein elektrisches Feld zwischen den hinzugewanderten Elektronen und den Defektelektronen an Orten höherer Konzentration. Dieses elektrische Feld verändert aufgrund des Kerr-Effekts den Brechungsindex des Mediums.
Wenn Informationen aus einem Hologramm abgerufen oder gelesen werden sollen, ist dazu nur der Referenzstrahl notwendig. Der Referenzstrahl wird mit den gleichen Eigenschaften wie beim Beschreiben ins Medium geschickt. Durch die eingangs erwähnten veränderten optischen Eigenschaften des Mediums weicht der Brechungsindex lokal von dem zu erwartenden Wert ab, und zwei Strahlen verlassen das Medium, einer auf dem zu erwartenden Weg und ein anderer auf einer abweichenden Route. Ein optischer Sensor fängt diesen Strahl ein und ermittelt seine Eigenschaften. Diese bieten Aufschluss über den ursprünglichen, beim Beschreiben verwendeten Signalstrahl und dessen Informationen.
Hologramme können theoretisch ein Bit in einem Würfel mit der Kantenlänge der Wellenlänge des Lichts, das zum Schreiben benutzt wurde, speichern. Das Licht z. B. eines Helium-Neon-Lasers befindet sich im roten Bereich des sichtbaren Lichts (Wellenlänge: 632,8 nm). Wenn man nun Licht von dieser Wellenlänge benutzt, würde ein Quadratzoll von perfektem holografischem Speicher 1,61×109 Bits (ca. 201,4 Megabyte, 2,5×108 Bit pro cm²) speichern können. Ein Kubikzoll eines solchen Speichers hätte eine Speicherkapazität von 8,1 Terabyte (493 GB pro cm³). Allerdings ist die Speicherdichte eines solchen Materials in der Praxis um Größenordnungen niedriger, da Bits für Fehlerkorrekturen benötigt werden und die Mängel des optischen Systems ausgeglichen werden müssen.
Andererseits bietet die Holographie die Möglichkeit, in ein gegebenes Speichervolumen mehrere Hologramme unter verschiedenen Bestrahlungsbedingungen einzuschreiben und weitgehend störungsfrei zu überlagern. Diese Technik wird „holographisches Multiplexen“ genannt. Dazu kann beispielsweise Licht verschiedener Wellenlängen genutzt werden (Wellenlängenmultiplexen), die Interferenzmuster mit Lichtstrahlen in unterschiedlichen Winkeln erzeugt werden (Winkelmultiplexen) oder das Speichermedium um eine Symmetrieachse gedreht werden (Rotationsmultiplexen). Es können auch mehrere Multiplex-Techniken kombiniert werden. Der mögliche Multiplexgrad ist abhängig von der gewählten Technik und dem verwendeten Speichermaterial. So kann das im vorigen Abschnitt beschriebene Speicherlimit vervielfacht werden, sodass holografische Speicher bei entsprechendem Aufwand tatsächlich sehr hohe Speicherdichten erreichen können.[1][2]
Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Im Frühjahr 1999 wurde veröffentlicht, dass die Heidelberger Forschungseinrichtung European Media Laboratory und der Hamburger Tesa-Hersteller Beiersdorf AG einen Kooperationsvertrag über die Weiterentwicklung einer sogenannten „T-ROM“ (auch Tesa-ROM genannt) abgeschlossen haben.[3][4]
Im Frühjahr 2009 wurde berichtet, dass der Forschungszweig des amerikanischen Mischkonzerns General Electric einen holografischen Speicher mit einer Kapazität von bis zu 500 Gigabyte entwickelt hat.[5]
Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
- A. M. Glass (Vorwort), M. J. Cardillo (Vorwort), Hans J. Coufal (Herausgeber), Demetri Psaltis (Herausgeber), Glenn T. Sincerbox (Herausgeber): Holographic Data Storage. ISBN 3-540-66691-5
- Nanocomputers and Swarm Intelligence by Jean-Baptiste Waldner, ISTE-Wiley, ISBN 978-1-84704-002-2, 2008
Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
- ↑ Holographische Datenspeicher. Abgerufen am 18. Dezember 2022.
- ↑ Holografischer Speicher (Holografisches Storage). Abgerufen am 18. Dezember 2022.
- ↑ "Tesa-ROM" wird kommerziell entwickelt – Artikel bei heise online, vom 27. April 1999
- ↑ Die Tesa-ROM auf der CeBIT – Artikel bei der Universität Mannheim, vom 12. März 1999
- ↑ Holografischer Speicher mit 500 GByte Kapazität – Artikel bei heise online, vom 28. April 2009