W marcu 2005 roku InPhase pokazało prototyp modelu Tapestry HDS-200R. Nowy napęd potrafił już zapisać na jednej płycie 200 GB danych, a szybkość odczytu zwiększono z 10 do 20 MB/s. Wzrost pojemności uzyskano dzięki zastosowaniu niebieskich półprzewodnikowych laserów (długość fali 405 nm), takich samych, jak stosowane w napędach Blu-ray i HD DVD. Zaledwie pół roku później, a dokładnie 9 września 2005 roku światło dzienne ujrzał prototyp napędu Tapestry HDS-300R, potrafiącego zapisać już 300 GB danych. Jedno z pierwszych seryjne produkowanych urządzeń z tej serii, o wymiarach zaledwie 14,6x13,3x66 cm można było obejrzeć w marcu na hanowerskich targach komputerowych CeBIT 2007.
Podstawy holografii
Początki holografii, czyli metody zapisywania i odczytywania informacji w postaci trójwymiarowych obrazów, sięgają lat 20. ubiegłego wieku. Wtedy to polski fizyk profesor Mieczysław Wolfke, pracujący na Politechnice Warszawskiej, opisał podstawy holograficznego zapisu zdjęć. Los jednak sprawił, że Dennis Gabor, brytyjski naukowiec węgierskiego pochodzenia, opracował w 1948 roku własną teorię holografii, za którą w 1971 otrzymał Nagrodę Nobla. Co ciekawe, Gabor, pracując w latach czterdziestych nad swoją teorią, nic nie wiedział o wcześniejszych pracach Polaka, o czym zresztą wspomniał w swoim noblowskim wykładzie, wygłoszonym podczas odbioru nagrody. Zasady holograficznego zapisu danych opracował w latach 60. XX wieku Pieter J. van Heerden z firmy Polaroid.
Do rejestracji hologramów wykorzystuje się falową naturę światła, a dokładniej zjawisko interferencji związane ze zmianami jego fazy i amplitudy. Światło musi być koherentne (spójne), co oznacza, że jego fale muszą mieć taką samą długość (światło monochromatyczne) i stałą w czasie różnicę faz. Dopiero takie światło umożliwia powstanie prążków interferencyjnych, czyli wzoru złożonego z ciemnych i jasnych pasków światła, powstającego w momencie, gdy dwie koherentne wiązki zostają ze sobą skrzyżowane. Wzór taki można obserwować na ekranie lub zarejestrować na kliszy fotograficznej. Światło koherentne emitują m.in. lasery, dlatego właśnie są najczęściej wykorzystywane do zapisu hologramów.
Zaawansowane prace nad holografią prowadzi też Aprillis, wywodzący się z Polaroida. Opracował własne nośniki holograficzne o pojemności 200 GB. Z kolei angielski Polight, założony przez naukowców z Cambridge, przygotował 500-gigabajtowy nośnik Holodisc. Wszystkie wymienione firmy pracują też nad płytami o pojemności 1-1,5 TB, Optware zaś - pojemności 3,9 TB!
Aby zarejestrować hologram, wychodzącą z lasera cienką wiązkę światła rozszerza się w układzie soczewek, a następnie dzieli na dwie części -tzw. wiązkę obrazową oraz referencyjną, zwaną też wiązką odniesienia. Do tego celu wykorzystuje się specjalne półprzepuszczalne lustro, które w literaturze naukowej nosi nazwą płytki światłodzielącej (beam splitter). Po podziale obie wiązki światła biegną już różnymi drogami. Na trasie jednej z nich (obrazowej) umieszcza się fotografowany przedmiot. Może to być np. matryca LCD, taka jak w projektorach LCD, na której wyświetlony zostanie obraz czarnych i białych punktów reprezentujący cyfrowe dane. Matryca LCD, używana w holografii do wprowadzania danych nazywana jest modulatorem SLM (Spatial Light Modulator).
Fala światła, odbijając się od fotografowanego przedmiotu lub - w wypadku modulatora SLM - przechodząc przez nią, zmienia swoją amplitudę i fazę. Jeżeli teraz skrzyżujemy wiązkę obrazową z referencyjną, to w miejscu ich przecięcia powstanie niepowtarzalny wzór interferencyjny, który jest charakterystyczny dla połączenia fali odbitej od fotografowanego przedmiotu i wiązki referencyjnej - inny obiekt lub ten sam przedmiot, ale fotografowany pod innym kątem, stworzą odmienny, również niepowtarzalny, wzór interferencyjny. Zapisując hologram na kliszy fotograficznej, rejestruje się właśnie wzór interferencyjny powstały wyniku skrzyżowania obu wiązek światła laserowego. Trzeba tylko pamiętać, aby materiał rejestrujący dane znalazł się dokładnie w miejscu przecięcia.
Zarejestrowany na kliszy wzór interferencyjny (pamiętajmy, że jest to zbiór ciemnych i jasnych prążków) tworzy swego rodzaju siatkę dyfrakcyjną, na której wiązka światła ugina się pod ściśle określonymi kątami, zależnymi wyłącznie od parametrów siatki. Odczytując informacje, wystarczy teraz oświetlić zapisany na kliszy wzór interferencyjny wiązką światła laserowego, aby na skutek jej ugięcia na tej specyficznej siatce dyfrakcyjnej odtworzył się kompletny obraz sfotografowanego przedmiotu lub zarejestrowanych cyfrowych danych. Co ważne, wiązka odczytująca musi padać pod tym samym kątem, pod którym w czasie zapisu padała wiązka referencyjna. W wypadku odczytu cyfrowych danych wystarczy następnie ich obraz skierować na matrycę CCD, taką samą, jak stosowana w cyfrowych aparatach fotograficznych. Przetworzy ona matrycę czarnych i białych punktów (wprowadzoną wcześniej do obrazu za pomocą projektorowej matrycy LCD) na ciąg zer i jedynek zrozumiałych dla komputera.
Jedną z najważniejszych cech hologramów z punktu widzenia ich przydatności do zapisu cyfrowych danych jest nielokalność. Właściwość ta powoduje zapamiętywanie pełnej informacji o trójwymiarowym obiekcie na całej powierzchni naświetlonej w trakcie zapisu. Oznacza to, że jeśli podczas odczytu oświetlony zostanie tylko mały fragment hologramu (ale nie mniejszy od długości fali światła użytej do jego zapisu), i tak otrzymamy obraz pełnej informacji utrwalonej na kliszy. Mało tego, jeśli zapisany hologram zostanie podzielony na kilka kawałków, z każdego da się odczytać pełną informację - taką samą, jak zapisana na pierwotnej, całej fotografii. Innymi słowy, nawet w wypadku znacznego uszkodzenia nośnika odczytane informacje będą zawsze w stu procentach poprawne.
Nie trzeba stosować algorytmów korekcji błędów!
W stronę pamięci masowej
Skoro holografia ma tyle zalet, a sposób rejestracji hologramów znany jest od prawie 50 lat, dlaczego nikt nie wykorzystał jej wcześniej do gromadzenia cyfrowych danych? Przecież teoretycznie pozwala zmieścić na jednym centymetrze kwadratowym ponad 100 GB danych! Odpowiedź jest prosta: do niedawna brakowało odpowiednich materiałów holograficznych i laserów. Z pewnością wielu czytelników to zadziwi. Przecież lasery znane są od lat 60. ubiegłego wieku, a tradycyjna fotografia od końca wieku XIX!
Jednakże zwykłe materiały fotograficzne dobrze nadają się do rejestracji dużych zdjęć holograficznych, ale zawodzą, gdy trzeba zapisać tysiące niewielkich hologramów na bardzo małej powierzchni - tak jak na przykład na płycie DVD. Z kolei wykorzystywane do niedawne lasery były zbyt duże, aby zamknąć je w niewielkim napędzie, który nadawałby się do zapisu danych i postawienia obok komputera. Z drugim problemem poradzono sobie przy okazji konstruowania kolejnych generacji optycznych napędów CD, DVD a ostatnio Blu-ray - dzisiejsze półprzewodnikowe lasery są bardzo małe, mają moc wystarczającą do zapisu hologramów i - co ważne - intensywność ich światła nie zmienia się w trakcie całego okresu eksploatacji. Dużo gorzej szło jednak naukowcom ze znalezieniem odpowiedniego materiału niezbędnego do utrwalenia ciągu niewielkich hologramów.
Początkowo, jeszcze w latach 60. ubiegłego wieku zapisywano je na szklanych płytach pokrytych emulsją fotograficzną. Pod koniec lat 70. pojawiły się pierwsze hologramy rejestrowane na światłoczułym papierze polimerowym. Miały tę zaletę, że do odczytu nie trzeba było stosować laserów, wystarczało zwykłe, dzienne światło widzialne. Takie hologramy można zobaczyć na wielu wystawach sztuki i w muzeach prezentujących najnowsze technologie. Polimerowe kartki z punktu widzenia zapisu ogromnych ilości informacji miały jednak jedną, ale bardzo istotną wadę - odkształcały się pod wpływem skoncentrowanej wiązki światła laserowego, a stałość geometrii jest przecież jednym z najważniejszych parametrów przy zapisie cyfrowych danych.
Na początku lat 80. XX wieku IBM rozpoczęło eksperymenty z kryształami niobianu litu. Pierwsze takie nośniki zajmowały sporo miejsca i wymagały laserów dużej mocy, które bardzo trudno zminiaturyzować. Następnie próbowano wykorzystać polimery fotorefrakcyjne, w których wzór interferencyjny utrwalany jest metodą zamrażania rozkładu ładunku elektrycznego (w miejscach prążków było mniej elektronów, w jasnych - więcej). Niestety, zapis okazał się nietrwały, stopniowo niszczyło go światło z otoczenia, podobnie jak każde odczytanie danych. Jeszcze niedawno zapis na materiałach fotorefrakcyjnych mógł przetrwać w najlepszym wypadku kilka lat, dlatego nie nadawały się do długoterminowej archiwizacji danych.
Polimerowy gobelin
Problem odpowiedniego holograficznego nośnika rozwiązano w Bell Telephone Laboratories, badawczym oddziale amerykańskiego koncernu telekomunikacyjnego Lucent Technologies. W 1994 roku naukowcy z tej firmy opracowali materiał składający się z dwóch polimerów. Pierwszy z nich (twardy) tworzy coś w rodzaju szkieletu lub przestrzennej siatki, zapewniającej całej konstrukcji odpowiednią sztywność i niezmienność geometrycznych wymiarów. Drugi, bardziej miękki, wtopiony jest w tę siatkę i on właśnie pozwala za zapisanie holograficznej informacji. Wynalazek ten, przypominający tkaninę, stał się kluczem do całego projektu firmy InPhase i dał nazwę jej napędom - "tapestry" to po angielsku gobelin.
Firma InPhase powstała w grudniu 2000 roku jako wydzielony z Lucent Technologies oddział Bell Telephone Laboratories, którego głównym zadaniem jest masowe wdrożenie pamięci holograficznych. Jak widać, plan jest realizowany. Za wytwarzanie kompozytowego polimeru holograficznego odpowiada Bayer Material Science (jeden z największych na świecie producentów materiałów używanych do produkcji płyt CD, DVD, HD DVD i Blu-ray), a bezpośrednio wykonywaniem polimerowych nośników holograficznych zajmuje się obecnie Hitachi Maxell Ltd., firma dobrze znana w tej branży.
Stosowany w napędach Tapestry nośnik o pojemności 300 GB to przezroczysty krążek HRM (Holographic Recording Media) o 130-milimetrowej (5,25-calowej) średnicy. Jest zamknięty w plastikowej kasecie, przypominającej do złudzenia przerośniętą, 3,5-calową dyskietkę komputerową. Sama płyta jest trzywarstwowa - środkowa warstwa, holograficzna, o grubości 1,5 mm jest wykonana z "gobelinowego" kompozytu polimerowego. Przykrywają i zabezpieczają ją z obu stron dyski, wykonane z poliwęglanu o grubości 1 mm. Na jednym z nich wytłoczona jest też spiralna ścieżka prowadząca, pozwalająca precyzyjnie pozycjonować laser na płytach CD i DVD. Cały dysk HRM pokryty jest dodatkowo z obu stron warstwą antyrefleksyjną, tłumiącą niepożądane przy zapisie i odczycie refleksy światła. Obecnie produkowane dyski HRM są nośnikami typu WORM (Write Once Read Many), a więc odpowiednikami krążków CD-R i DVD R. Firma Maxel pracuje obecnie nad nośnikami do wielokrotnego zapisu.
Konstrukcja napędu
Napęd InPhase Tapestry HDS-300R oparto na opisanej powyżej metodzie holograficznego zapisu danych - z jedną różnicą. Modulator SLM nie jest matrycą LCD, ale pochodzącym również z projektorów przetwornikiem DLP (Digital Light Processing). Wybrano właśnie ten element wprowadzający obraz do wiązki, ponieważ jest bardziej odporny na długotrwałe działanie światła laserowego. Użyta w konstrukcji napędu matryca SLM ma wymiary 1696×1700 pikseli i może wyświetlić 2000 obrazów na sekundę. Oznacza to, że zapisany w warstwie holograficznej płyty HRM pojedynczy hologram mieści 354 KB danych, a teoretyczna prędkość zapisu danych wynosi 690 MB/s! W praktyce jest mniejsza i wynosi, podobnie jak w modelu HDS-200R, 20 MB/s, choć zewnętrzny interfejs komunikacyjny napędu HDS-300R, Ultra320 SCSI, pozwala na transfer z maksymalną prędkością 320 MB/s, Są też modele z modułem sieciowym, umożliwiające podłączenie urządzenia do firmowej, gigabitowej sieci Ethernet, podobnie jak dysków NAS (Network Attached Storage).
Samo wypalanie i odczytywanie informacji za pomocą (podobnie jak w modelu HDS-200R) niebieskiego lasera o długości fali 405 nm, przypomina nagrywanie i odczytywanie danych z płyt CD-R lub DVD R, tyle że w poszczególnych punktach znajdują się nie pojedyncze bity informacji, ale bloki zawierające wspomniane 354 KB danych. Wypalony w warstwie holograficznej punkt, a raczej wzór interferencyjny, ma średnicę 100 metrów kwadratowych. Warto dodać, że czas dostępu do danych wynosi 250 ms.
Czas na rynek
Na początku tego roku InPhase podpisało kontrakt z niemiecką firmą DSM Handhabungssysteme GmbH, która jako wytwórca OEM rozpoczęła już seryjną produkcję napędów Tapestry HDS-300R - właśnie przygotowany przez nią egzemplarz można było oglądać na targach CeBIT w stoisku firmy Hitach Maxell. Kosztujące obecnie około 18 tysięcy dolarów napędy Tapestry zakupiły już m.in. takie firmy, jak Deutsche Bank, Europejska Agencja Kosmiczna, Siemens Medical i Volkswagen. Trzystugigabajtowe płyty Maxella kosztują 180 dolarów, a trwałość zapisanych na nich danych szacowana jest na 50 lat.
Dzięki tym inwestycjom technologia holograficzna wreszcie wyszła z laboratoriów i trafiła na rynek. Nie jest to jeszcze oferta dla indywidualnego użytkownika - napędy i nośniki są zbyt drogie - ale przedstawiciele InPhase obiecują szybkie zmiany. Projektanci pracują nad modelem Tapestry, który miałby rozmiary standardowego czytnika DVD-ROM lub w najgorszym razie zajmowałby w obudowie dwie zatoki 5,25-calowe. Prototyp napędu przeznaczonego dla użytkowników domowych, korzystającego z tańszych czerwonych laserów, prostszej optyki i 12-centymetrowych (średnica krążka CD/DVD) płyt o pojemności 80-160 GB, zaprezentowano w ubiegłym roku.
Jednocześnie trwają prace nad pojemniejszymi następcami Tapestry HDS-300R. Napęd HDS-800R ma korzystać z płyt 800-gigabajtowych, a maksymalny transfer danych zostanie zwiększony do 80 MB/s. Jeszcze szybszy (120 MB/s) i bardziej pojemny (1,6 TB) ma być model HDS-1600R. Ale to nie wszystko! W przyszłym roku na rynku pojawi się Tapestry HDS-300RW. Podobnie jak w wypadku płyt CD-RW/DVD-RW/DVD+RW, pozwoli na wielokrotny zapis i kasowanie danych. Nieco później w sprzedaży znajdzie się model HDS-800RW, również wypalający płyty wielokrotnego zapisu.
Marcin Bieńkowski
