Optikai adattárolás ma és holnap(után) Koppa Pál
Technical University of Budapest Department of Atomic Physics www.fat.bme.hu
Tartalom I. II. III.
IV. V. VI. VII. VIII.
2
A mai optikai adattárolók Az adatsűrűség Térfogati adattárolás Holografikus adattárolás Optikai adattárolás a Műegyetemen Fázisban modulált adatlapok Mikroholografikus rendszer Konklúzió
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
I. Egy mai optikai adattároló felépítése
3
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Mi van a lemezen?
CD, DVD, BLU-Ray –ROM: Pit & land interference
4
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
CD, DVD, BLU-Ray –R: Organic dye with permanent absorption change
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Újraírható lemez CD, DVD, BLU-Ray +/–RW: Metal alloy with reversible phase change
5
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
A tárolási kapacitás fejlődése
6
Tegnap
Ma
Holnap
650 MB
4.7 GB
25 GB
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
És holnapután???
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
II. Az adatsűrűség
NA n sin()
2
NA n sin() Adatsűrűség: DD 0,6 0,6
7
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
2
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
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
8
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Írás túl a diffrakciós határon - egy példa
Magneto-optical crescent recording
Laser Beam
Temperature Profile
Small Crescent Domains
Switching Threshold
H Media Motion H
9
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Olvasás
Magnetic Super Resolution (MSR) Center Aperture Detection (CAD) Solves the Diffraction Limit Problem! However: Low signal levels Thermal Aperture
Temp Profile
In Plane Mask
Readout Layer Recording Layer
Side View 10
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
Top View "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
A 2D adatsűrűség nagyságrendi növelése nem kézenfekvő !
Megoldás???
Térfogati tárolás
11
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
III. Térfogati tárolás 3D adatsűrűség elvi határa:
x,y
z
2
2
)rE( Er ()
Maximális adatsűrűség:
NA DD 0,6
2 2 rE (x(aEr m) )max
2
2 NA2 5.5 NA4 3
~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) 12
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
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
13
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
2 fotonos térfogati tárolás
14
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Arany nanorudak, plazmonrezonancia
15
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
IV. Holografikus adattárolás
16
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Multiplexelés
Szög multiplexelés (síkhullám referencia)
Hullámhossz multiplexelés (síkhullám referencia)
17
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
Fázis-kódolt multiplexelés (N síkhullám szuperpozíciója)
Shift multiplexelés (gömbhullám referencia) "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Holografikus tároló-anyagok
Vastagság
Dinamika tartomány
Érzékenység Optikai minőség
→ MUX száma
r
→ Diffrakciós hatásfok
2L sin(s )
M # M
→ Írási sebesség → Jel-zaj viszony Zsugorodás, hőtágulás → Jel-zaj viszony
Tipikus anyagok: fotorefraktív kristályok, fotopolimerek 18
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
2
InPhase Technologies
Hologram felvétel
19
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
InPhase Technologies
Hologram kiolvasás
20
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
„Piacon kapható” holografikus adattároló
Drive •300GB capacity; •20MB/s, 160 Mb/s transfer rate •WORM recording format •405 nm laser wavelength
21
Media •1.5 mm recording material •130 mm diameter disk •50 year archive life Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
„Kollineáris” rendszer
Adatlap
Optikai rendszer
22
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Mikroholografikus rendszer data control
laser
n
detector
multiplex collimator
Confocal filter
beam splitter
beam splitter astigmatic lens
objective lens
FES / TES actuator
reflector
FES / TES
servo system
quad
actuator astigmatic lens
quad
Setup with confocal filtering
23
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Az adatsűrűség fejlődése
Seagate HDD 2005 (421 Gb/inch 2)
8 rétegű Blu-ray 2007 (100 Gb/inch 2)
Samsung HDD 2011 (739 Gb/inch 2)
Holographic (InPhase) 2006 (500 Gb/inch 2)
microSDXC 2011 (2000 Gb/inch2)
24
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
V. Optikai adattárolás a Műegyetemen
25
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
Holographic Memory Card Demonstrator Systems
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
R/W unit
power supply
26
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
Read-only unit
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Polarizációs holográfia Interference pattern (hologram)
Reference beam
Circular polarization
Storage material
Linear polarization
Key features
27
No -1 and higher diffracted orders High diffraction efficiency possible Requires photoanisotropic storage material
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Read & Write System Optical Set-up Beam expander
Green laser source
Beam splitter
Object SLM (transmissive)
Mirror Fourier objective Beam shaper (aperture stop, #1 Fourier filter)
Mirror λ/4 plate Fourier lens Beam contractor
Reference beam Mirror
Signal beam
Aperture stop of reference arm
Read&Write head
Random-phase mask CCD array Polarisation filter λ/4 plate #2
Beam shaper
28
Mirror
8f Fourier module
Polarisation Polarisation beam splitter Fourier objective #2 beam splitter with central hole in the splitting layer
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
Storage layer
Memory card
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Elements of the system
29
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
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 30
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Holographic Cryptography with phase coded reference wave Reconstruction Rec. wave
Recording Input data
FT of data FT
Ref. wave 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
Output FT
Correct code
0
π
π
0
π
0
0
π
0
π
π
0
π
0
0
π
FT
Different code 31
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Reconstructed holograms
32
Recording reference =
Recording reference
Reconstructing reference
Reconstructing reference
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Object plane encoding Reference beam Laser
PBS
Phase SLM
Data encoding
Amplitude SLM
Aperture Phase Phasemask SLM
Hologram CCD
Data recovery and ECC
Reconstructed beam
Object beam
Does not make any encoding for amplitude images !!! Phase modulated data page is needed !!
33
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
VI. Fázisban modulált adatlapok Reference beam
Laser
PBS
Phase SLM
Amplitude SLM
Aperture Phase mask SLM
Hologram CCD Data recovery and ECC
Data encoding
Object beam
Phase modulated data page: +Simple object arm +Smooth Fourier plane +Higher object power 34
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
Reconstructed beam
-Difficult data recovery
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Phase to amplitude conversion Phase object electric field
Phase object shifted
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
1
1
1
-1
-1
-1
1
0
-1
1
-1
1
1
-1
1
-1
1
-1
1
1
1
-1
0
-1
1
1
1
-1
-1
-1
1
1
-1
-1
-1
-1
0
1
-1
1
-1
1
-1
-1
1
1
1
1
-1
0
-1
-1
1
-1
1
1
1
-1
-1
-1
1
0
1
-1
-1
1
1
-1
1
-1
1
-1
0
-1 -1
+
Phase object intensity
35
Superimposed phase objects
1
-1
1
-1
-1
1
-1
1
0
1
-1
2
-2
2
0
-2
2
-2
1
1
-1
-1
0
2
0
0
0
-2
2
-1
-1
-1
1
1
-2
2
0
2
0
0
-2
1
1
-1
1
-1
-1
0
0
2
-2
0
-2
0
-1
1
-1
1
-1
-1
1
-2
-2
2
2
0
2
-2
-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
2
0
2
-2
0
-2
1
1
1
-1
1
-1
1
-1
0
-1
1
1
-1
1
-1
1
-1
=
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
Optical implementation E O
Circ.
Image duplication and shift by: •Birefringent plate •Diffraction grating •Etc.
BIS
P45°
CCD
Opical axis
=12
Clear aperture d25 mm
d Thickness t=6,2 mm
LTB (Li 2B4O7)
36
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Experimental results Simulation
3000
0
2500
-2
1500 1000 500
-4 -6 -8 -10
0
-12
0
25
50
75
100
125
150
CCD Grey level (0..255)
37
Experiment Simulation
2000
Log10(BER)
No. of occurences
Experiment
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
175
200
0
25
50
75
100
125
150
Fourier filtering [%]
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Tolerances 1 0
5
10
15
20
25
BER
0.1
0.01
0.001
0.0001
Image phase SLM Shift (microns)
120
Histogram spacing
100 80 60 40 20 0 3
4
5
6
7
8
9
10
-20 -40 -60
Hologram misalignment (% of hologram size)
38
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
11
Encrypted storage /2
Ref
Recording Reconstruction SLM 2
Obj
SLM 1
39
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
FT lens
Hologram
FT lens
SLM 3 BIS CCD
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Encrypted storage
Histogram 500
No. Of occurances
400
300
200
100
0 0
50
100
150
200
250
300
CCD grey level (0..255)
40
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Object plane phase code
500
No. Of occurances
400
Total histogram Logical 1-s Logical 0-s
300
200
100
0 0
50
100
150
200
250
300
CCD grey level (0..255)
41
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Fourier plane phase code
500
400
No. Of occurances
Total histogram Logical 1-s Logical 0-s
300
200
100
0 0
50
100
150
200
250
300
CCD grey level (0..255)
42
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Dual phase code
500
No. Of occurances
400
Total histogram Logical 1-s Logical 0-s
300
200
100
0 0
50
100
150
200
250
300
CCD grey level (0..255)
43
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
VII. Mikroholografikus rendszer data control
laser
n
detector
multiplex collimator
Confocal filter
beam splitter
beam splitter astigmatic lens
objective lens
FES / TES actuator
reflector
FES / TES
servo system
quad
actuator astigmatic lens
quad
Setup with confocal filtering 44
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
The system model 1. Laser diode 2. Collimator lens 3. Objective lens + aperture 4. Disk 5. Microholograms in the disk 6. Confocal filter
1. 2. 3. 4. 5.
Calculate scattering (4) Propagate to lens (3) Add spherical phase (3) Cut wave by aperture (3) FFT of wave (2) pinhole 6. Cut wave by pinhole (6)
45
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
→ diffracted field → far field wave → perfect lens → truncated Gauss → beam focused on
→ confocal filtering
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Bragg diffraction calculations •Volume scattering on weak index modulation •Volume integral using the first Born approximation •Both scalar and vector form can be integrated numerically ik ( x x ) 2 ( y y ) 2 ( z z ) 2
l r r
1 1 k2 e 1 Ed ( x1 , y1 , z1 ,x,y,z ) E p ( x x, y y, z z )n( x, y, z ) dxdydz 2 2 2 4 ( x x ) ( y y ) ( z z ) l rr 1 1 1
Diffracted field
Probe wave
Linear material: Gaussian writing and reading beams:
46
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
Index modulation
Green function
n( x, y, z) Er ( x, y, z)Es ( x, y, z) CC
E ( x, y, z ) E0
2 e w( z )
x2 y2 w( z ) 2
ik
e
x2 y2 ikz i ( z ) 2R( z)
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Intensity distribution at output
dz=0 dy=0
Confocal filter aperture size
dz=6 mm dy=.5mm
47
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
First model results
Index modulation of a microhologram
Transversal scan 532nm
Longitudinal scan 532nm
1
Energy 0.9 [a.u.]
Measurement FFT Born appr. Volume integral
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
-15
-10
-5
0
5
Diffracted intensity at z=100 microns
10
15
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
FFT Born approximation Measurement
-3
-2
-1
0
1
2
shift (micron) z [micrometer]
48
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
3
Statistical evaluation Random hologram configurations
0.4mm Hologram pitch
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
0.7mm Track pitch
Reconstructed hologram Two nearest neighbors Holograms in the same layer Holograms in other layers 49
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Bit error rate calculation W0(E)
W1(E)
Ec W0 & W1: fitted probability distributions Ec: read energy at crossing point N: No of bits in the histogram Ec 1 BER W1 ( E )dE W0 ( E )dE N 0 Ec
50
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
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:
u ( x, t ) u ( x, t ) D( x, t ) R( x, x' ) F ( x' , t )u ( x' , t )dx' t x x Grad of mon. cc Diffusion constant Change of monomer concentration
51
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
Monomer concentration Light induced polymerization rate Non-local material response
* 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)
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Diffusion model results
If Texp Tdiff Saturation and possible fringe distortion Non-local response Provides the known CGS curve and M#
52
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
If Texp<< Tdiff and Iexp<< Isat Diffusion can be modeled with Gaussian smoothing of monomer concentration! "Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
Holograms with non-local model
Unequal diffraction efficiencies Non-local response Good fit to experimental scans
53
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged
VIII.
Konklúzió
Holographic? 2 photon 3D? 5D? ????
? >1000GB (200 x DVD)
Követelmények: -Nagy adatsűrűség, nagy adatátviteli sebesség -Hosszú archíválási idő -Biztonság -Könnyű kereshetőség -Olcsó adathordozó, nem nagyon drága meghajtó 54
Koppa Pál: Optikai adattárolás,
"Sokszínű Optika" nyári iskola 2011, Szeged