Armazenamento de dados ópticos em 3D é qualquer forma de armazenamento de dados ópticos na qual a informação pode ser gravada ou lida com resolução tridimensional (em oposição à resolução bidimensional oferecida, por exemplo, por CD).
Essa inovação tem o potencial de fornecer armazenamento em massa de nível de petabyte em discos do tamanho de DVD (120 mm). A gravação de dados e o retorno são obtidos focando os lasers no meio. No entanto, devido à natureza volumétrica da estrutura de dados, a luz do laser deve percorrer outros pontos de dados antes de atingir o ponto em que a leitura ou a gravação é desejada. Portanto, algum tipo de não-linearidade é necessário para garantir que esses outros pontos de dados não interfiram no endereçamento do ponto desejado.
Nenhum produto comercial baseado em armazenamento de dados óptico 3D chegou ao mercado de massa, embora várias empresas estejam desenvolvendo ativamente a tecnologia e afirmem que ela poderá estar disponível em breve.
Visão geral
A mídia de armazenamento de dados óptica atual, como o CD e o DVD, armazena dados como uma série de marcas reflexivas em uma superfície interna de um disco. Para aumentar a capacidade de armazenamento, é possível que os discos armazenem duas ou mais dessas camadas de dados, mas seu número é severamente limitado, pois o laser de endereçamento interage com todas as camadas pelas quais passa no caminho de entrada e saída da camada endereçada. . Essas interações causam ruído que limita a tecnologia a aproximadamente 10 camadas. Os métodos de armazenamento óptico de dados 3D contornam esse problema usando métodos de endereçamento em que somente o voxel especificamente endereçado (pixel volumétrico) interage substancialmente com a luz de endereçamento. Isso envolve necessariamente métodos não lineares de leitura e escrita de dados, em particular óptica não linear.
O armazenamento ótico de dados 3D está relacionado com (e compete com) o armazenamento de dados holográficos. Os exemplos tradicionais de armazenamento holográfico não são endereçados na terceira dimensão e, portanto, não são estritamente “3D”, mas, mais recentemente, o armazenamento holográfico 3D foi realizado pelo uso de micro-hologramas. A tecnologia multicamada de seleção de camadas (na qual um disco multicamadas possui camadas que podem ser ativadas individualmente, por exemplo, eletricamente) também está intimamente relacionada.
Por exemplo, um sistema de armazenamento óptico de dados 3D prototípico pode usar um disco que se parece muito com um DVD transparente. O disco contém muitas camadas de informação, cada uma com uma profundidade diferente na mídia e cada uma consistindo de uma faixa espiral tipo DVD. Para registrar as informações no disco, o laser é focalizado em uma profundidade específica na mídia que corresponde a uma camada de informação específica. Quando o laser é ligado, causa uma alteração fotoquímica na mídia. À medida que o disco gira e o cabeçote de leitura / gravação se move ao longo de um raio, a camada é gravada exatamente como um DVD-R é gravado. A profundidade do foco pode então ser alterada e outra camada inteiramente diferente de informação escrita. A distância entre camadas pode ser de 5 a 100 micrômetros, permitindo que> 100 camadas de informação sejam armazenadas em um único disco.
A fim de ler os dados de volta (neste exemplo), um procedimento semelhante é usado, exceto desta vez, em vez de causar uma alteração fotoquímica na mídia, o laser causa fluorescência. Isto é conseguido, por exemplo, usando uma potência laser menor ou um comprimento de onda diferente do laser. A intensidade ou o comprimento de onda da fluorescência é diferente dependendo se a mídia foi escrita naquele ponto e, portanto, medindo a luz emitida, os dados são lidos.
O tamanho das moléculas cromóforas individuais ou dos centros de cor fotoativos é muito menor que o tamanho do foco do laser (que é determinado pelo limite de difração). A luz, portanto, aborda um grande número (possivelmente até 109) de moléculas de uma só vez, de modo que o meio atua como uma massa homogênea em vez de uma matriz estruturada pelas posições dos cromóforos.
História
As origens do campo datam da década de 1950, quando Yehuda Hirshberg desenvolveu os espiropiranos fotossensíveis e sugeriu seu uso no armazenamento de dados. Na década de 1970, Valeri Barachevskii demonstrou que esse fotocromismo poderia ser produzido pela excitação de dois fótons e, finalmente, no final da década de 1980, Peter M. Rentzepis mostrou que isso poderia levar ao armazenamento de dados tridimensionais. A maioria dos sistemas desenvolvidos baseia-se, em certa medida, nas ideias originais do Rentzepis. Uma ampla gama de fenômenos físicos para leitura e registro de dados tem sido investigada, um grande número de sistemas químicos para o meio foi desenvolvido e avaliado, e um extenso trabalho foi realizado na solução dos problemas associados com os sistemas ópticos necessários para a leitura e registro. gravação de dados. Atualmente, vários grupos continuam trabalhando em soluções com vários níveis de desenvolvimento e interesse em comercialização.
Processos para criar dados escritos
A gravação de dados em um meio de armazenamento ótico 3D requer que uma mudança ocorra no meio após a excitação. Essa mudança é geralmente uma reação fotoquímica de algum tipo, embora existam outras possibilidades. Reações químicas que foram investigadas incluem fotoisomerizações, fotodecomposições e fotodegradação, e iniciação de polimerização. A maioria dos investigados tem sido compostos fotocrômicos, que incluem azobenzenos, espiropiranos, estilbenos, fulgídeos e diariletenos. Se a alteração fotoquímica é reversível, então o armazenamento de dados regravável pode ser alcançado, pelo menos em princípio. Além disso, a gravação em vários níveis, em que os dados são gravados em “escala de cinza” e não em sinais “ligados” e “desligados”, é tecnicamente viável.
Escrita por absorção de multiphotons não ressonantes
Embora existam muitos fenômenos ópticos não-lineares, somente a absorção multifotônica é capaz de injetar na mídia a energia significativa necessária para excitar eletronicamente as espécies moleculares e causar reações químicas. A absorção de dois fótons é, de longe, a absorbância multifotônica mais forte, mas ainda é um fenômeno muito fraco, levando a uma baixa sensibilidade à mídia. Portanto, muita pesquisa tem sido direcionada ao fornecimento de cromóforos com altas seções de absorção de dois fótons.
Escrevendo por absorção de dois fótons pode ser alcançado, concentrando o laser de escrita no ponto onde o processo de escrita fotoquímica é necessário. O comprimento de onda do laser de escrita é escolhido de tal forma que não é absorvido linearmente pelo meio e, portanto, não interage com o meio, exceto no ponto focal. No ponto focal, a absorção de dois fótons torna-se significativa, porque é um processo não-linear dependente do quadrado da fluência do laser.
Escrevendo por absorção de dois fótons também pode ser alcançado pela ação de dois lasers em coincidência. Esse método é normalmente usado para obter a gravação paralela de informações de uma só vez. Um laser passa pela mídia, definindo uma linha ou plano. O segundo laser é então direcionado para os pontos da linha ou plano em que a gravação é desejada. A coincidência dos lasers nesses pontos excitou a absorção de dois fótons, levando à escrita de fotoquímica.
Escrevendo por absorção seqüencial multiphoton
Outra abordagem para melhorar a sensibilidade do meio tem sido empregar absorção ressonante de dois fótons (também conhecida como absorbância de dois fótons “1 + 1” ou “seqüencial”). A absorção de dois fótons não ressonante (como é geralmente usada) é fraca, pois para que a excitação ocorra, os dois fótons excitantes devem chegar ao cromóforo quase exatamente no mesmo tempo. Isso ocorre porque o cromóforo é incapaz de interagir apenas com um único fóton. No entanto, se o cromóforo tiver um nível de energia correspondente à absorção (fraca) de um fóton, ele poderá ser usado como um degrau, permitindo mais liberdade no tempo de chegada dos fótons e, portanto, uma sensibilidade muito maior. No entanto, essa abordagem resulta em uma perda de não-linearidade em comparação à absorbância de dois-fóton não-ressonante (pois cada etapa de absorção de dois fótons é essencialmente linear) e, portanto, corre o risco de comprometer a resolução 3D do sistema.
Microholography
Na microholografia, feixes de luz focalizados são usados para registrar hologramas de tamanho submicrométrico em um material fotorrefrativo, geralmente pelo uso de feixes colineares. O processo de gravação pode usar os mesmos tipos de mídia usados em outros tipos de armazenamento de dados holográficos e pode usar processos de dois fótons para formar os hologramas.
Gravação de dados durante a fabricação
Os dados também podem ser criados na fabricação da mídia, como é o caso da maioria dos formatos de discos ópticos para distribuição comercial de dados. Neste caso, o usuário não pode gravar no disco – é um formato ROM. Os dados podem ser escritos por um método óptico não-linear, mas neste caso o uso de lasers de alta potência é aceitável, então a sensibilidade da mídia se torna um problema menor.
A fabricação de discos contendo dados moldados ou impressos em sua estrutura 3D também foi demonstrada. Por exemplo, um disco contendo dados em 3D pode ser construído intercalando um grande número de discos finos de bolacha, cada um dos quais é moldado ou impresso com uma única camada de informação. O disco ROM resultante pode então ser lido usando um método de leitura 3D.
Outras abordagens para escrever
Outras técnicas para escrever dados em três dimensões também foram examinadas, incluindo:
A queima persistente do furo espectral (PSHB), que também permite a possibilidade de multiplexação espectral aumentar a densidade de dados. No entanto, a mídia PSHB atualmente requer que temperaturas extremamente baixas sejam mantidas para evitar a perda de dados.
Formação de vazios, onde bolhas microscópicas são introduzidas em uma mídia por irradiação de laser de alta intensidade.
Chromophore poling, onde a reorientação de cromóforos induzida por laser na estrutura da mídia leva a alterações legíveis.
Processos para leitura de dados
A leitura de dados de memórias óticas 3D foi realizada de muitas maneiras diferentes. Enquanto alguns deles dependem da não-linearidade da interação luz-matéria para obter resolução 3D, outros usam métodos que filtram espacialmente a resposta linear da mídia. Métodos de leitura incluem:
Absorção de dois fótons (resultando em absorção ou fluorescência). Este método é essencialmente microscopia de dois fótons.
Excitação linear de fluorescência com detecção confocal. Este método é essencialmente microscopia confocal de varredura a laser. Ele oferece excitação com potências de laser muito menores do que a absorbância de dois fótons, mas tem alguns problemas em potencial porque a luz de endereçamento interage com muitos outros pontos de dados além do que está sendo endereçado.
Medição de pequenas diferenças no índice de refração entre os dois estados de dados. Este método geralmente emprega um microscópio de contraste de fase ou um microscópio de reflexão confocal. Nenhuma absorção de luz é necessária, portanto não há risco de danificar os dados durante a leitura, mas a incompatibilidade de índice de refração exigida no disco pode limitar a espessura (ou seja, o número de camadas de dados) que a mídia pode alcançar devido aos erros aleatórios de frente de onda que destroem a qualidade pontual focalizada.
A geração de segundo harmônico foi demonstrada como um método para ler dados gravados em uma matriz polimérica polida.
A tomografia de coerência óptica também foi demonstrada como um método de leitura paralela.
Design de mídia
A parte ativa do meio de armazenamento ótico 3D é geralmente um polímero orgânico dopado ou enxertado com as espécies fotoquimicamente ativas. Alternativamente, materiais cristalinos e sol-gel foram usados.
Fator de forma de mídia
Mídia para armazenamento de dados óptico 3D tem sido sugerida em vários fatores de forma: disco, cartão e cristal.
Uma mídia de disco oferece uma progressão a partir de CD / DVD e permite que a leitura e a gravação sejam executadas pelo método familiar de disco giratório.
Uma mídia de fator de forma de cartão de crédito é atraente do ponto de vista de portabilidade e conveniência, mas seria de menor capacidade que um disco.
Vários escritores de ficção científica sugeriram pequenos sólidos que armazenam grandes quantidades de informação e, pelo menos em princípio, isso poderia ser conseguido com o armazenamento de dados ópticos 5D.
Fabricação de mídia
O método mais simples de fabricação – a moldagem de um disco em uma única peça – é uma possibilidade para alguns sistemas. Um método mais complexo de fabricação de mídia é que a mídia seja construída camada por camada. Isso é necessário se os dados forem criados fisicamente durante a fabricação. No entanto, a construção de camada por camada não precisa significar a junção de muitas camadas juntas. Outra alternativa é criar o meio em uma forma análoga a um rolo de fita adesiva.
Projeto da unidade
Uma unidade projetada para ler e gravar em mídia de armazenamento de dados óticos 3D pode ter muito em comum com unidades de CD / DVD, especialmente se o fator de forma e a estrutura de dados da mídia for semelhante à do CD ou DVD. No entanto, existem várias diferenças notáveis que devem ser levadas em consideração ao projetar uma unidade desse tipo.
Laser
Particularmente, quando a absorção de dois fótons é utilizada, podem ser necessários lasers de alta potência que podem ser volumosos, difíceis de resfriar e apresentar preocupações de segurança. Os drives óticos existentes utilizam lasers de diodo de onda contínua operando a 780 nm, 658 nm ou 405 nm. Unidades de armazenamento ótico 3D podem exigir lasers de estado sólido ou lasers de pulso, e vários exemplos usam comprimentos de onda facilmente disponíveis por essas tecnologias, como 532 nm (verde). Esses lasers maiores podem ser difíceis de integrar na cabeça de leitura / gravação da unidade óptica.
Correção de aberração esférica variável
Como o sistema deve abordar diferentes profundidades no meio, e em diferentes profundidades a aberração esférica induzida na frente de onda é diferente, um método é necessário para explicar dinamicamente essas diferenças. Existem muitos métodos possíveis que incluem elementos óticos que entram e saem do caminho ótico, elementos móveis, ótica adaptativa e lentes de imersão.
Sistema óptico
Em muitos exemplos de sistemas de armazenamento óptico de dados 3D, vários comprimentos de onda (cores) de luz são usados (por exemplo, leitura de laser, gravação de laser, sinal; às vezes até dois lasers são necessários apenas para gravação). Portanto, além de lidar com a alta potência do laser e com a aberração esférica variável, o sistema óptico deve combinar e separar essas diferentes cores de luz, conforme necessário.
Detecção
Em unidades de DVD, o sinal produzido a partir do disco é um reflexo do feixe de laser de endereçamento e, portanto, é muito intenso. Para armazenamento ótico 3D, no entanto, o sinal deve ser gerado dentro do pequeno volume que é endereçado e, portanto, é muito mais fraco que a luz do laser. Além disso, a fluorescência é irradiada em todas as direções a partir do ponto de endereçamento, de modo que óticas especiais de coleta de luz devem ser usadas para maximizar o sinal.
Rastreamento de dados
Uma vez identificadas ao longo do eixo z, camadas individuais de dados semelhantes a DVDs podem ser acessadas e rastreadas de maneira semelhante aos DVDs. A possibilidade de usar endereçamento paralelo ou baseado em página também foi demonstrada. Isso permite taxas de transferência de dados muito mais rápidas, mas requer a complexidade adicional de moduladores de luz espacial, geração de imagens de sinal, lasers mais poderosos e manipulação de dados mais complexa.
Questões de desenvolvimento
Apesar da natureza altamente atraente do armazenamento de dados ópticos em 3D, o desenvolvimento de produtos comerciais levou um tempo significativo. Isso resulta do limitado apoio financeiro no campo, bem como de questões técnicas, incluindo:
Leitura destrutiva. Uma vez que tanto a leitura quanto a escrita dos dados são realizadas com feixes de laser, existe um potencial para o processo de leitura causar uma pequena quantidade de escrita. Neste caso, a leitura repetida de dados pode eventualmente servir para apagá-lo (isso também acontece em materiais de mudança de fase usados em alguns DVDs). Esta questão foi abordada por muitas abordagens, como o uso de diferentes bandas de absorção para cada processo (leitura e escrita), ou o uso de um método de leitura que não envolve a absorção de energia.
Estabilidade Termodinâmica. Muitas reações químicas que parecem não ocorrer de fato acontecem muito lentamente. Além disso, muitas reações que parecem ter acontecido podem se inverter lentamente. Como a maioria das mídias em 3D é baseada em reações químicas, existe o risco de que os pontos não gravados sejam gravados lentamente ou que os pontos gravados voltem lentamente a ser não gravados. Esta questão é particularmente séria para os espiropiranos, mas uma extensa pesquisa foi conduzida para encontrar cromóforos mais estáveis para memórias 3D.
Sensibilidade de mídia. A absorção de dois fótons é um fenômeno fraco e, portanto, os lasers de alta potência geralmente são necessários para produzi-lo. Os pesquisadores normalmente usam lasers de Ti-safira ou lasers Nd: YAG para obter excitação, mas esses instrumentos não são adequados para uso em produtos de consumo.
Desenvolvimento acadêmico
Grande parte do desenvolvimento do armazenamento de dados ópticos 3D foi realizado nas universidades. Os grupos que forneceram informações valiosas incluem:
Peter T. Rentzepis foi o criador deste campo e recentemente desenvolveu materiais livres de leitura destrutiva.
Watt W. Webb desenvolveu o microscópio de dois fótons no Bell Labs e mostrou gravação 3D em mídia fotorrefrativa.
Masahiro Irie desenvolveu a família diarylethene de materiais fotocrômicos.
Yoshimasa Kawata, Satoshi Kawata e Zouheir Sekkat desenvolveram e trabalharam em vários sistemas ópticos de manipulação de dados, em particular envolvendo sistemas poliméricos polidos.
A Kevin C Belfield está desenvolvendo sistemas fotoquímicos para armazenamento de dados óticos em 3D pelo uso de transferência de energia de ressonância entre moléculas, e também desenvolve materiais de seção transversal de dois fótons altos.
Seth Marder realizou grande parte do trabalho inicial desenvolvendo abordagens lógicas para o design molecular de cromóforos de seção cruzada de dois fótons.
Tom Milster fez muitas contribuições para a teoria do armazenamento de dados ópticos em 3D.
Robert McLeod examinou o uso de micro-hologramas para armazenamento de dados ópticos em 3D.
Min Gu examinou a leitura confocal e os métodos para seu aprimoramento.
Desenvolvimento comercial
Além da pesquisa acadêmica, várias empresas foram criadas para comercializar o armazenamento de dados óticos 3D e algumas grandes corporações também demonstraram interesse na tecnologia. No entanto, ainda não está claro se a tecnologia terá sucesso no mercado na presença de concorrência de outros setores, como discos rígidos, armazenamento flash e armazenamento holográfico.
A Call / Recall foi fundada em 1987 com base na pesquisa de Peter Rentzepis. Usando gravação de dois fótons (a 25 Mbit / s com pulsos de 6,5 ps, 7 nJ, 532 nm), leitura de um fóton (com 635 nm) e uma lente de imersão alta (1,0), eles armazenaram 1 TB como 200 camadas em um disco de 1,2 mm de espessura. Eles visam melhorar a capacidade para> 5 TB e as taxas de dados para até 250 Mbit / s em um ano, desenvolvendo novos materiais, bem como diodos a laser pulsados de alta potência.
Mempile está desenvolvendo um sistema comercial com o nome TeraDisc. Em março de 2007, eles demonstraram a gravação e a leitura de 100 camadas de informação em um disco de 0,6 mm de espessura, assim como baixa crosstalk, alta sensibilidade e estabilidade termodinâmica. Eles pretendem lançar um produto de consumo de laser vermelho de 0.6-1.0 TB em 2010 e ter um roteiro para um produto de laser azul de 5 TB.
A Constellation 3D desenvolveu o Fluentcent Multilayer Disc no final da década de 1990, que era um disco ROM, fabricado camada por camada. A empresa faliu em 2002, mas a propriedade intelectual (IP) foi adquirida pela D-Data Inc., que está tentando introduzi-la como o Digital Multilayer Disk (DMD).
A Storex Technologies foi criada para desenvolver mídia 3D baseada em óculos fotossensíveis fluorescentes e materiais vitrocerâmicos. A tecnologia deriva das patentes do cientista romeno Eugen Pavel, que também é o fundador e CEO da empresa. Na conferência ODS2010 foram apresentados resultados referentes à leitura por dois métodos de não fluorescência de um disco óptico Petabyte.
A Landauer Inc. está desenvolvendo uma mídia baseada na absorção de dois fótons ressonantes em um substrato de cristal único safira. Em maio de 2007, eles mostraram a gravação de 20 camadas de dados usando 2 nJ de energia laser (405 nm) para cada marca. A taxa de leitura é limitada a 10 Mbit / s devido ao tempo de vida da fluorescência.
A Colossal Storage visa desenvolver uma tecnologia de armazenamento óptico holográfico 3D baseada em pólos elétricos induzidos por fótons usando um laser UV distante para obter grandes melhorias em relação à capacidade atual de dados e taxas de transferência, mas ainda não apresentaram nenhuma pesquisa experimental ou estudo de viabilidade.
Microholas opera fora da Universidade de Berlim, sob a liderança da Prof Susanna Orlic, e conseguiu o registro de até 75 camadas de dados microholographic, separados por 4,5 micrômetros, e sugerindo uma densidade de dados de 10 GB por camada.
A 3DCD Technology Pty. Ltd. é uma subsidiária universitária criada para desenvolver tecnologia de armazenamento ótico 3D com base em materiais identificados por Daniel Day e Min Gu.
Várias empresas de tecnologia de grande porte, como Fuji, Ricoh e Matsushita, solicitaram patentes de materiais sensíveis a dois fótons para aplicativos, incluindo armazenamento de dados óticos 3D, mas não deram qualquer indicação de que estão desenvolvendo soluções completas de armazenamento de dados.