Harddisk med begrænsninger
Som vi skrev for nyligt, har firmaet Inphase Technologies netop demonstreret et holografisk lagersystem med diske, der kan rumme 100 gigabyte. Det er imidlertid kun den spæde begyndelse, for holografi rummer potientialet til at være den lagringsteknologi, der bliver standarden i fremtiden.
De nuværende datalagringsmedier har sine begrænsninger. Datatætheden på magnetiske medier som harddisken kan ikke vokse i det uendelige, for når de magnetiske partikler bliver meget små, bliver partiklerne ubrugelige til informationslagring, idet de spontant ændrer magnetiseringsretning. Ved datalagring på cd eller dvd er der også fysiske grænser for datatætheden, og for både harddiske og de optiske medier sætter omdrejningshastigheden grænser for dataoverførselshastigheden.
| Også i Danmark eksperimenteres der med holografisk hukommelse. Her er det en forsøgsopstilling på Risø. |
Efterhånden har de fleste nok set et hologram. Ikke alene garanterer hologrammer ægtheden på mange kreditkort, de kan også findes som blikfang på stadig flere emballager. Allerede i 1947 så teorien bag hologrammer dagens lys, men først med opfindelsen af laseren i 1960 kom der for alvor skub i teknikken. Normalt er lys sammensat af flere forskellige farver, men gode hologrammer kræver lys med en enkelt farve (monokromatisk lys) fra en punktformet kilde, og det er netop, hvad laseren kan levere.
Man laver et traditionelt holografisk billede ved at belyse et objekt med en laserstråle og lade det tilbagekastede lys vekselvirke med en tilsvarende laserstråle. Når de to lysstråler mødes på en lysfølsom film, bliver det dannede interferensmønster fastholdt på filmen, og når filmen efterfølgende belyses igen, kommer objektet til syne i tre dimensioner.
Den tredimensionale effekt fremkommer, fordi hologrammet ændrer udseende, alt efter hvilken vinkel det ses fra. Netop denne effekt udnyttes i den holografiske datalagring, men i stedet for at forskellige synsvinkler giver forskellige billeder af det samme objekt, kan holografiske hukommelsesenheder fremstilles sådan, at der fremkommer helt nye afbildninger for hver ny vinkel. Disse billeder gemmer dataene.
Både til billeder og data
Når man vil gemme data i et hologram, skal dataene først repræsenteres grafisk. Hvis det er billeder, man vil gemme, er det selvfølgelig ikke noget problem, men digitale data i form af nuller og ettaller skal laves om til noget, laseren kan opfange. Til det formål bruger man en spatial light modulator (SLM), som simpelthen er et LCD-panel, der viser binære data som et kryds-og-tværs-lignende mønster af sorte og gennemsigtige felter.
Data-hologrammet optages ved at lade en laserstråle gennemlyse SLM'en og lade denne signal-stråle mødes med en anden laserståle, den såkaldte reference-stråle. Mødet mellem strålerne behøver ikke at ske på en film, men kan med fordel finde sted i et lysfølsomt materiale med større rumfang. Vekselvirkningen mellem strålerne danner et interferensmønster, der afsættes i materialet.
Når dataene skal aflæses igen, kan man nøjes med en enkelt laserstråle. Når reference-strålen igen gennemlyser materialet, afbøjes den på en sådan måde, at det lagrede billede rekonstrueres. Billedet kan så aflæses af en samling lysfølsomme sensorer på en CCD-chip som den, der kendes fra digitale kameraer, og dataene kan genskabes.
Ideen med at gemme data i hologrammer er ikke ny, men først i dette årti er den nødvendige teknik for alvor kommet frem. Laserne er blevet bedre og billigere, og der har været en rivende udvikling af teknologien bag både SLM og CCD. Antallet af data, der kan opbevares i et enkelt hologram, afhænger af størrelsen af pixels i SLM. Hver pixel repræsenterer en bit, og jo mindre pixels, jo flere bit pr. areal om dermed pr. hologram.
De opbevarede data skal selvfølgelig kunne aflæses igen. Derfor skal CCD-teknologien også kunne følge med, men indtil videre har det største problem været at lave stor opløsning i SLM. Målet er en pixelstørrelse på en kvadratmikrometer.
Idet samtlige bit, der er gemt i et hologram, aflæses samtidig, åbnes der op for meget store overførselshastigheder. Rigtig spændende bliver det først, når der er flere tusinde hologrammer at vælge imellem, og man kan skifte hurtigt mellem dem. Heldigvis er det sådan, at tusindvis af hologrammer kan opbevares samtidig i det samme materiale. Man behøver bare at ændre laserens vinkel få tusindedele af en grad, så kan man skrive eller læse et nyt hologram.
Omvendt kan man foretage hurtige søgninger ved at fodre det holografiske materiale med en laserstråle, der indeholder et mønster, der afspejler de informationer, man søger efter. Hvis der er flere mulige resultater på søgningen, afspejles det i flere stråler, der sendes ud i forskellige retninger. Intensiteten af hver stråle afslører, i hvor høj grad det søgte billede ligner det lagrede.
Masser af plads
Det er lykkedes forskerne at opbevare 10.000 hologrammer i en krystal på størrelse med en sukkerknald, og med muligheden for en megabit pr. hologram bliver der således plads til omkring 10 gigabit i krystallen. Og det er bare begyndelsen. Der snakkes allerede om lagerenheder med plads til en million gigabit.
| Sådan forestiller forskere fra Stanford University sig, at en holografisk hukommelsesenhed kan komme til at se ud. |
Man kan også forestille sig roterende medier, der mest af alt ligner gennemsigtige dvd-skiver. Så kan mediet bevæge sig i stedet for laserstrålerne. Netop denne mulighed lader til at være den, der bliver taget i brug i første generation af holografiske lagringssystemer.
Når flere hologrammer opbevares i det samme rumlige materiale, kaldes det for multiplexing. Udover at variere den vinkel, hologrammerne skrives og læses i, kan multiplexing blandt andet opnås ved at variere laserens bølgelængde og ved at skifte til en helt anden position i materialet.
Når man indlæser et hologram, bliver hver enkelt bit så at sige spredt ud i hele materialets rumfang. En af hologrammet forunderlige egenskaber er, at man kan fjerne en del af det materiale, hologrammet opbevares i, og stadig få hele det gemte billede frem igen. Hologrammet bliver bare mere utydeligt. Derfor kan hologrammer tåle defekter i materialet.
For hvert nyt hologram, der skrives, forringes kvaliteten af de øvrige hologrammer en smule. Antallet af hologrammer, der kan indlæses i en dataenhed, afhænger først og fremmest af, hvor stor en procentdel af laserlyset, der afbøjes af hologrammerne. Størrelsen af denne såkaldte diffraktionseffektivitet kommer igen an på materialets egenskaber, og jo større diffraktionseffektivitet, jo flere hologrammer.
Jagten på egnede materialer
Lige siden opdagelsen af hologrammer har man søgt efter materialer, der er optimale i forhold til holografisk datalagring. Der er brug for materialer med den egenskab, at det er muligt at manipulere med, hvordan lys ændrer retning i materialet. Hologrammet indlæses ved, at de lysfølsomme materialer får ændret deres brydningsindeks ved hjælp af laserlyset.
Et holografisk materiale skal som nævnt også have en høj afbøjningsgrad, det skal kunne holde på informationerne, man skal kunne skrive til det og læse fra det gentagne gange med høj hastighed - og så skal det være billigt at fremstille. Det er store krav at stille, og netop jagten på egnede materialer lader da også til at være den største udfordring inden for forskningsfeltet.
Et af de første bud var krystaller af lithiumniobat tilsat et par promiller jern, og fra starten af 1970'erne har dette materiale været blandt de mest lovende. I 1994 blev det første fuldautomatiske holografiske datalagringssystem demonstreret i USA, og det var netop baseret på en krystal af lithiumniobat.
Siden 1994 har amerikanerne fundet nye teknikker, der gør lithiumniobat-hologrammerne mere stabile og muliggør gentagne skrivninger og læsninger. Udover krystaller forskes der også i forskellige former for lysfølsomme plastiklignende stoffer, både nogle der er fotorefraktive på samme måde som lithiumniobat, og såkaldte fotopolymerer, der undergår kemiske forandringer ved belysning, og derfor ændrer laserlysets bane.
Der lader dog til at være et stykke vej endnu, før man kan massefremstille systemer, hvor data kan overskrives utallige gange. Det nyeste system fra Inphase Technologies er da også stadig kun et read-only system.
Hologrammer er et godt bud på fremtidens datalager, men der vil gå mange år, før pc'ens harddisk kan afløses af holografiske hukommelsesenheder. Til at starte med vil hologrammer være mere egnede til specielle opgaver som for eksempel lagring af video.
