В комплексе проблем, связанных с обработкой информации, одной
из актуальных является задача хранения больших объемов архивной
цифровой информации. Актуальность задачи обусловлена колос-
сальным объемом и лавинным ростом хранимой информации. Так,
в 2000 г. был записан 1 экзабайт (1018 байт) информации, в 2006 г. —
2 экзабайта, в 2016 г. — уже 20 экзабайтов, т.е. в 10 раз больше, и эта
тенденция сохраняется. Поэтому ежегодно требования к емкости
систем хранения и памяти информации растут, по оценкам специа-
листов, примерно на 60% в год [3D лазерные технологии / Отв.
редактор П.Е. Твердохлеб, 2003, Офсет, Новосибирск, 550 с.].
Наибольшее количество информации, требуемой для последу-
ющего архивного хранения в течение многих лет (до 25—50 лет),
появляется при решении следующих прикладных задач:
1) хранение аэрокосмических снимков и изображений, получае-
мых с орбитальных спутников, предназначенных для экологи-
ческого мониторинга поверхности земли, при разведке полез-
ных ископаемых, обнаружении объектов в военных целях и др.;
оценки показывают, что только с одного спутника в сутки по-
ступает на землю до 1 ГБ информации в цифровом виде, а ко-
личество спутников для мониторинга на сегодня исчисляется
сотнями, т.е. количество информации просто колоссально;
2) хранение медицинских изображений персонально для физиче-
ских лиц; в развитых странах ставится задача персонального со-
хранения в цифровом виде рентгеновских и томографических
снимков каждого человека, начиная от рождения и до преклон-
ного возраста; так, только в Европе оценка количества снимков
составляет до 200 снимков/чел х 500 млн человек = 1011 сним-
ков или в цифровом виде до 5000 ТБ информации;
3) хранение персональных данных физических лиц в виде их пас-
портов, пластиковых банковских карточек, дипломов об обра-
зовании, сведений о месте проживания и др.; так, при пересе-
чении границ стран с последующим паспортным контролем
требуется хранить данные о сотнях миллионов паспортов физи-
ческих лиц, что особенно важно при борьбе с международным
терроризмом и в глобальном масштабе представляет пока нере-
шенную задачу;
4) есть целый ряд более простых, но не менее важных задач, на-
пример по архивному хранению строительной документации;
так, в Москве с 1947 г. и по настоящее время в подразделениях
МЧС в обязательном порядке хранятся все поэтажные плани-
ровки и чертежи всех возведенных и возводимых зданий, что
также оценивается до 5000—10000 ТБ цифровой информации.
Таким образом, архивное хранение такого количества инфор-
мации является даже более важной задачей, чем оперативное хра-
нение на короткое время (обычно до 2—3 лет).
В то время как потребности хранения информации требуют
увеличения емкости и быстродействия устройств массовой памя-
ти, усовершенствование технологий современных электронных и
магнитных систем хранения данных достигло своих физических
пределов, которые ограничивают теоретически достижимые плот-
ности записи информации, как это представлено на рис. 1. Кроме
того, они имеют существенные недостатки:
— в магнитных системах до сих пор выполняется контактное счи-
тывание информации головкой с магнитного диска (часто на-
зываемых винчестерами), что приводит к полному осыпанию
магнитного слоя через 2—3 года и необходимости замены всей
дорогостоящей системы;
— в электронных носителях, называемых флешками, SSD-диска-
ми и др., до сих пор не решена проблема защиты от стирания
информации под воздействием импульсных электромагнитных
полей, количество которых с каждым годом только увеличива-
ется и может привести к катастрофическим последствиям.
Поэтому одним из эффективных путей решения указанной за-
дачи архивного хранения цифровой информации до настоящего
времени являются две оптические технологии:
1) запись, хранение и считывание информации с оптических
CD/DVD-дисков и BD-дисков (Blu-Ray Disc);
2) запись, хранение и считывание информации с оптических го-
лографических дисков.
Наиболее распространенные в настоящее время системы дис-
ковой памяти с записью данных на поверхности оптического носителя подошли к пределу плотности записи, обусловленному как
техническими и технологическими причинами, так и фундамен-
тальными. Дальнейшее развитие технологии оптической памяти
возможно за счет использования толстых регистрирующих сред.
Это направление реализуется путем многослойной записи инфор-
мации, а также путем наложенной записи объемных голограмм в
толстых фоточувствительных материалах. Технология наложенной
голографической записи страниц информации достигла значи-
тельных успехов и близка к выходу на потребительский рынок.
Однако для эффективного использования при этом страничного
формата данных необходимо разрабатывать новые параллельные
системы связи с компьютером.
На рис. 2 представлены схемы записи информации для обыч-
ного оптического диска и для трехмерной оптико-голографиче-
ской памяти (ОГП), в которой теоретически возможная плотность
записи данных может составлять ~1,0 ТБ/см3 и скорость передачи
данных — сотни мегабайт в секунду. Это возможно благодаря:
1) переходу от последовательной записи/считывания битов инфор-
мации к двухмерному (параллельному) вводу/воспроизведению
одновременно страницы данных, содержащей несколько мега-
бит цифровых данных;
2) организации наложенной (мультиплексной) голографической
записи многих голограмм с последующим селективным восста-
новлением каждой голограммы, что позволяет использовать
«информационный» ресурс объемного регистрирующего мате-
риала. Устройства ОГП обеспечивают высокую защищенность и
длительность хранения информации, а также высокую надеж-
ность и помехоустойчивость хранения информации благодаря
большой избыточности записи. Каждая из единиц информации
записывается в голограмме в виде интерференционной карти-
ны, распределенной по всему объему регистрирующей среды.
В этом случае неконтролируемая потеря в среде части такой
картины не влечет за собой потерю всей информации. Все эти
достоинства ОГП реализуются особенно при записи цифровой
информации (а в настоящее время не только цифровая инфор-
мация, но и аналоговая — фотографии, кинофильмы и др.,
используют цифровое кодирование).
Таким образом, голографическая технология хранения инфор-
мации является перспективной и на ее разработку направлены
усилия многих научно-исследовательских коллективов во всем
мире. Однако основной проблемой ОГП является обеспечение ис-
следований в этой области фоточувствительными и регистрирую-
щими материалами с высокой энергетической чувствительностью
и разрешающей способностью, обеспечивающими длительное
хранение и недеструктивное считывание голограмм. Кроме того,
классические ОГП характеризуются сложной оптической системой, необходимостью применения дорогих лазеров, пространст-
венных модуляторов света с высокой частотой смены кадров и вы-
сокими оптическими характеристиками, а также дорогостоящими
высокопроизводительными фотоприемными устройствами.
В соответствии с вышеизложенным в настоящей книге приво-
дятся материалы, посвященные разработке архивной оптико-голо-
графической памяти (ОГП), например, для записи/считывания на
голографический накопитель видеосигналов цифрового потока со
скоростью до 25 Мб/с и с разрешением не менее 720 Ї 576 пиксе-
лов. При этом должна обеспечиваться непрерывная запись видео-
информации в течение не менее 1 часа, т.е. непрерывная запись
25 Мб/с Ї 3600 с = 90 Гб или 11,25 ГБ часового потока цифровой
информации. Последние достижения в области разработки ОГП
показывают возможность записи до 500 ГБ информации на голо-
графический диск с размерами обычного BD-диска 120 мм, на ко-
тором можно записывать не более 25 ГБ на одну сторону.
В первой главе проанализированы основные типы оптических
систем памяти цифровой информации на оптических однослой-
ных CD/DVD/BD-дисках (называемых также двухмерными 2D-
дисками), а также многослойные диски (называемые часто трех-
мерными 3D-дисками) с побитовой записью и считыванием. Так-
же рассмотрены принципы создания терабайтных оптических
систем архивной памяти типа 3D с побитовой записью и считыва-
нием цифровой информации в объеме регистрирующей среды.
Во второй главе рассматриваются методы и устройства оптико-
голографических систем архивной памяти типа 3D с записью
в объеме регистрирующей среды. Также рассматривается странич-
ное представление и кодирование цифровой информации для сис-
тем голографической памяти, методы фазового кодирования объ-
ектного пучка с помощью фазовых масок и диффузоров, методы
мультиплексирования микроголограмм Фурье при записи на фо-
точувствительные материалы и регистрирующие среды.
В третьей главе приводится обзор основных типов фоточувст-
вительных материалов и регистрирующих сред, используемых при
записи мультиплексных микроголограмм Фурье. Кратко анализи-
руются параметры и возможности новых фототерморефрактивных
стекол для многослойной записи микроголограмм Фурье.
В четвертой главе рассматриваются новые методы и принципы
построения ОГП на основе компьютерно-синтезированных микроголограмм Фурье. В качестве альтернативы классическому двух-
лучевому методу записи голограмм предлагается использование
методов их компьютерного синтеза. В этом случае цифровая стра-
ница информации с помощью численных расчетов кодируется,
формируется в виде компьютерно-синтезированной голограммы
Фурье (или Френеля), а затем выводится в оптическую систему на
пространственный модулятор света (ПМС). Далее с помощью
проекционного метода фотолитографии голограмма Фурье с ПМС
уменьшается до требуемых размеров (например до 0,3 Ї 0,3 мм)
и перезаписывается на фоточувствительный материал, который
после соответствующей фотохимической обработки преобразуется
в микроголограмму Фурье на голографическом диске. Показыва-
ется, что использование компьютерно-синтезированных голо-
грамм и проекционной оптической системы (фотолитографии)
приводит к резкому снижению массогабаритных параметров опти-
ческих систем и увеличению скорости записи информации.
В пятой главе рассматривается оригинальный метод и оптико-
лектронные устройства для записи и считывания цифровой ин-
формации с мультиплексированных одномерных компьютерно-
синтезированных микроголограмм Фурье как с построчным, так и
с постраничным считыванием информации. Рассматриваются па-
раметры и особенности применения ПМС на основе жидких кри-
сталлов для ввода в оптический канал компьютерно-синтезиро-
ванных микроголограмм Фурье.
Основное содержание книги составляют оригинальные науч-
но-технические результаты, полученные авторами в рамках вы-
полнения конкретных прикладных НИР и ОКР, проводимых в
рамках целевых программ Министерства образования и науки РФ,
а также по заданиям государственных и коммерческих организа-
ций, занимающихся проблемой архивного долговременного хране-
ния информации. В частности, это относится к результатам, со-
держащимся в четвертой и пятой главах книги.
Общее редактирование книги проведено д.т.н., профессором
С. Б. Одиноковым. Главы 1—3 написаны к.т.н., доц. Н. М. Вере-
никиной, Д. С. Лушниковым, В. В. Маркиным, д.т.н., проф.
С. Б. Одиноковым, глава 4 — А. Ю. Бетиным, к.ф.-м.н., с.н.с.
В. И. Бобриневым, С. С. Донченко, к.ф.-м.н., с.н.с. Е. Ю. Злока-
зовым, д.т.н., проф. С. Б. Одиноковым, глава 5 — А. Ю. Бетиным,
к.ф.-м.н., с.н.с. В. И. Бобриневым, к.т.н., доц. Н. М. Вереникиной, С. С. Донченко, к.ф.-м.н., с.н.с. Е. Ю. Злоказовым, д.т.н.,
проф. С. Б. Одиноковым.
Авторы выражают большую благодарность за проявленный ин-
терес к работе и ее поддержку от АО «Научно-производственное
объединение «Криптен»» (г. Дубна, Россия), ФГУП «НТЦ
«АТЛАС», благодарность за помощь в компьютерном моделиро-
вании Талалаеву В. Е. и в экспериментах Ханевичу П. А., за пло-
дотворное обсуждение результатов работы Жердеву А. Ю., Цыга-
нову И. К., а также Найден Л. А. за помощь при оформлении и
редактировании материалов книги.
Авторы выражают глубокую признательность рецензентам —
д.ф-м.н., профессору Венедиктову В. Ю. и д.т.н., профессору
Вишнякову Г. Н. за титанический труд по прочтению и обсужде-
нию материалов и результатов работы, представленных в данной
книге.
По мнению авторов, данная книга открывает перспективы для
дальнейших исследований в области создания ОГП с повышенной
емкостью и малыми массогабаритными параметрами, будет полез-
на как для ученых и специалистов, работающих в сфере хранения
больших массивов информации, так и для студентов и молодых
специалистов, обучающихся и желающих работать в данной обла-
сти науки и техники.
Глава 1. Оптические дисковые системы памяти с побитовой записью
и считыванием цифровой информации
В настоящее время существует несколько вариантов оптической
дисковой памяти с побитовой записью и считыванием цифровой
информации:
1) однослойные оптические дисковые системы памяти типа 2D
с побитовой записью в одном тонком слое регистрирующей
среды [1];
2) многослойные оптические дисковые системы памяти типа 3D
с фокусировкой лазерного излучения и побитовой записью
в каждом отдельном слое, объединенные затем в многослойную
структуру [1];
3) оптические дисковые системы памяти типа 3D с фокусировкой
лазерного излучения и побитовой записью в каждой отдельной
плоскости внутри толстой регистрирующей среды [2].
1.1. Однослойные оптические дисковые
системы памяти типа 2D
с побитовой записью в одном
тонком слое регистрирующей
среды
Было разработано и существует несколько вариантов однослойных
оптических дисковых систем памяти типа 2D с побитовой записью
в одном тонком слое (поверхностном слое) регистрирующей среды,
называемых в ранней литературе двухмерными оптическими диско-
выми системами записи и воспроизведения информации [1].
Массовое внедрение систем побитовой оптической памяти на-
чалось с принятия в 1982 г. международного стандарта на аудио-
компакт-диск — CD (Сompact Disc), где запись/воспроизведение
данных проводится с помощью сфокусированного лазерного пуч-
ка на диске диаметром 120 мм. Оптический диск представляет со-
бой плоский металлизированный диск с цифровой информацией,
закодированной в виде ряда информационно-несущих углублений
(pits — питов), расположенных вдоль дорожек по спирали, рас-
пространяющейся от центра к периферии [2]. Отражающие
информационные питы соответствующей глубины предназначены
для создания модуляции интенсивности отраженного лазерного
излучения.
В дальнейшем технология CD была распространена также для
записи, хранения и воспроизведения видеоинформации, а также
для хранения software, например, для персональных компьютеров.
Информационный носитель CD-ROM (только для чтения)
устроен так, что пользователь не может записывать на нем свою ин-
формацию. Она записывается и тиражируется только производите-
лем оптических дисков и не может быть стерта для повторной запи-
си [2—4]. На дисках CD-ROM стало возможным размещать 650 МБ,
а затем и 1 ГБ двоичных данных. В лазерных накопителях использо-
вались полупроводниковые лазеры с длиной волны 0,78 мкм, число-
вая апертура выходного фокусирующего микрообъектива составляла
0,45, расстояние между дорожками — 1,6 мкм, а минимальный раз-
мер информационного «следа» при записи — 0,83 мкм.
Кроме оптических дисков типа CD-ROM были разработаны
оптические диски памяти типа CD-WORM (write-once, read many)
с возможностью однократной записи и многократного считыва-
ния, а также перезаписываемые оптические диски типа CD-RW
(ReWritable).
В информационных носителях типа CD-WORM в качестве
фоточувствительной среды обычно используются материалы, со-
держащие в своем составе органические вещества из класса циа-
ниновых или фталоцианиновых красителей, изменяющих свои по-
глощательные свойства при записи информации [5].
В основе работы переписываемой оптической памяти типа
CD-RW лежит обратимый магнитооптический эффект [6], осно-
ванный на эффекте локального лазерного разогрева и переориен-
тации магнитных доменов при наличии внешнего магнитного поля [1], или фазовый переход «аморфная — поликристалличе-
ская» структуры в халькогенидных полимерных средах [7—9].
В 1997 г. был реализован один из вариантов оптической дис-
ковой памяти типа DVD (аббревиатура Digital Versatile Disc —
«цифровой универсальный диск», а для видео — Digital Video
Disc — «цифровой видеодиск»). В этом случае использовались
полупроводниковые лазеры с длиной волны 0,65 мкм, числовая
апертура выходного фокусирующего микрообъектива составляла
0,6, расстояние между дорожками — 0,74 мкм, а минимальный
размер информационного «следа» при записи — 0,4 мкм, что
представлено на рис. 1.1.
Таким образом, можно констатировать следующую классифи-
кацию:
— CD/DVD-ROM — информация хранится в отражающих питах и
считывается при сканировании поверхности диска сфокусиро-
ванным лазерным лучом; их достоинством является легкость
массового тиражирования с помощью мастер-диска;
— CD/DVD-WORM — отражательные питы формируются путем
термического нагрева слоя сфокусированным лазерным лучом;
плотность записи обычно ниже, чем у ROM-дисков, а для ее
повышения используются красные или голубые лазеры;
— магнитооптические RW-диски — информационный пит форми-
руется при одновременном воздействии сфокусированного ла-
зерного луча и внешнего магнитного поля, причем в областях
слоя, температура которых превышает температуру Кюри, ло-
кальная ориентация магнитных доменов определяется ориента-
цией внешнего магнитного поля; это проявляется в небольших
(порядка долей градуса) изменениях вектора поляризации счи-
тывающего излучения в соответствии с магнитооптическим эф-
фектом Фарадея [6].
В дисках типа CD-RW вследствие малой величины изменения
поляризационных характеристик считывающего пучка эффектив-
ность использования интенсивности этого излучения при счит-
ывании не превышает долей процента. Вместе с тем, используя
ультракороткие записывающие импульсы и учитывая гауссово
пространственное распределение интенсивности в них, с помо-
щью этого метода можно получать информационные питы разме-
ром порядка 200—300 нм [10].
К сожалению, как CD-, DVD-, так и магнитная память хранит
информацию на поверхности регистрирующей среды, что ограничи-
вает ее предельную информационную емкость в пределах до 1 ГБ.
В настоящее время основные усилия разработчиков средств
оптической памяти направлены на:
— увеличение плотности и объема записываемой (хранимой) ин-
формации;
— повышение скорости ее записи (для записываемых и/или пере-
записываемых носителей) и считывания;
— повышение длительности хранения (временной устойчивости)
записанной информации.
Стабильность эксплуатационных свойств носителей в процессе
длительного хранения в основном зависит только от конструкции
и компонентного состава отдельных их элементов.
Первые две задачи до настоящего времени решались тремя
основными способами. Прежде всего путем уменьшения геомет-
рических размеров элементарного носителя информации (пита) и
расстояний между соседними дорожками (треками) на информа-
ционно-несущем слое. Это возможно как с уменьшением длины
волны источников излучения, используемых для записи и считы-
вания информации, так и (или) с увеличением числовой апертуры
NA оптической системы (как это сделано в стандартах DVD,
Blu-Ray и т.д.).
Это было сделано в оптических дисках типа Blu-Ray (BD-дис-
ки). Минимальная длина метки записи в BD-дисках уменьшена до
0,16 мкм. Это позволило увеличить плотность записи более чем в
4 раза, доведя емкость однослойного диска до 25 Гб. Однако увели-
чение числовой апертуры, уменьшение толщины защитного слоя до
0,1 мм не позволяет использовать головки DVD, а оснащение при-
водов второй головкой и дорогим синим лазером приводит к увели-
чению стоимости записывающей оптической головки.
Как видно из табл. 1.1 и рис. 1.1—1.2, все эти стандарты объе-
диняет только единство геометрического размера самих дисков
(120 мм), используемые лазеры и микрообъективы различны. Вме-
сте с тем хорошо известно, что в соответствии с критерием Рэлея
минимально допустимый размер Dmin сфокусированного пятна
ограничивается дифракционным пределом, определяемым соотно-
шением между длиной волны записывающего (считывающего)
оптического излучения и числовой апертурой NA используемой
оптической системы:
Dmin = 0,81 л /NA. (1)
Следовательно, площадь сфокусированного светового пятна
может быть пропорциональна ( /NA)2. Таким образом, при тради-
ционных оптических устройствах записи (считывания) информа-
ции для повышения информационной плотности и, соответствен-
но, емкости оптических дисков стандартных размеров (диаметром
120 мм) необходимо уменьшать длину волны считывающего излу-
чения и/или повышать величину числовой апертуры, как это сде-
лано в BD-дисках (рис. 1.2).
Однако использование высокоапертурных объективов повы-
шает аберрационные искажения (пропорционально /(NA)4), сни-
жает надежность работы записывающей (считывающей) аппарату-
ры и в разы увеличивает их стоимость.
Для устранения отрицательного влияния этих искажений в си-
стемах однослойной оптической памяти с однолинзовыми объективами вводятся специальные статические или динамические (на-
пример, на основе жидкокристаллических пространственных
модуляторов) корректоры.
Таким образом, поскольку вышеописанные типы оптических
дисков регистрируют информацию на поверхности, предельная
плотность записываемой информации ограничивается физиче-
ским дифракционным пределом и составляет приблизительно
1 Гб/см2. В настоящее время наибольшее распространение полу-
чили BD-диски для видеосистем.
1.2. Многослойные оптические
дисковые системы памяти типа 3D
с фокусировкой лазерного
излучения и побитовой записью
в каждом отдельном слое
Другим путем повышения информационной емкости оптических
носителей побитовой записи и считывания информации является
использование многослойных регистрирующих структур. Слои
разделены воздушными промежутками и совмещаются путем
склеивания. В этих системах запись и cчитывание информации
осуществляется путем перефокусировки лазерного пучка на внут-
ренние информационные слои, при этом ближний к пучку слой
является полупрозразным [12—13]. Разработаны следующие типы
многослойных дисков.
1) Многослойные DVD"диски
Имеются следующие варианты изготовления многослойных
DVD-дисков:
1) односторонние однослойные с емкостью 4,7 ГБ;
2) односторонние двухслойные с емкостью 9,4 ГБ;
3) двухсторонние однослойные с емкостью 9,4 ГБ;
4) двухсторонние двухслойные с емкостью 17 ГБ.
Как видим, в традиционных (отражательных) системах, напри-
мер ROM-типа, число таких информационно-несущих слоев
очень ограничено. Это связано с тем, что интенсивность оптиче-
ского пучка, считывающего некоторый i-й информационный слой, уменьшается вследствие частичного поглощения и отра-
жения в слоях, находящихся между этим слоем и источником счи-
тывающего излучения. Кроме того, имеющиеся локальные из-
менения показателя преломления в области расположения
информационных пит и вне ее искажают волновой фронт коге-
рентного лазерного считывающего излучения за счет случайных
дифракционных и светорассеивающих эффектов. Это сказывается
на точности его фокусировки в плоскости считываемого слоя. По
этой причине современные традиционные носители информации
имеют, как правило, не более четырех информационно-несущих
слоев (по два на каждой из сторон).
При использовании алгоритма компрессии/декомпрессии дан-
ных MPEG-4 (Moving Picture Experts Group) на двухслойном одно-
стороннем диске может быть записан более чем 4-часовой видео-
фильм самого высокого качества — 60 кадров/с, разрешение
720 х 480 пикселей.
2) Многослойные флуоресцентные FMD-диски (рис. 1.3)
Более всего идее практической реализации формирования и
использования многослойных носителей информации отвеча-
ют так называемые флуоресцентные (люминесцентные) диски
(FMD — Fluorescent Multilayer Disk), в которых для записи и счи-
тывания информации также используются традиционные лазер-
ные источники излучения или лазерные диоды.
Детектирующие элементы в устройстве считывания регистри-
руют интенсивность некогерентного вторичного (флуоресцентно-
го) излучения, возбуждаемого считывающим лазером в области
расположения информационно-несущих пит. Вследствие некоге-
рентного характера вторичного излучения значительно снижается
влияние искажающих вышеописанных факторов при его распро-
странении в такой многослойной регистрирующей среде. По рас-
четам C3D Inc., общее число информационных слоев в ней теоре-
тически может достигать 100 и более [1, 14—16]. Однако с учетом
значительного усложнения конструкции записывающего (считы-
вающего) устройства с ростом числа слоев реальное их число в на-
стоящее время не превышает 10.
В общем случае флуоресцентный многослойный носитель ин-
формации может быть реализован как оптический диск, карта или
лента. Структура такого диска информации ROM-типа описана в
[17]. Информация в каждом из таких слоев формируется, напри-
мер, как последовательность флуоресцирующих и нефлуоресциру-
ющих микрообластей (ячеек). Флуоресцирующие ячейки (питы)
толщиной от 0,3 до 0,8 мкм выполнены в виде полимерной матри-
цы с изотропно растворенными в нем органическими молекула-
ми люминофора. Информационные слои (как представлено на
рис. 1.3) разделены между собой прозрачными на длинах волн
считывающего (лазерного) и считываемого (некогерентного, лю-
минесцентного) излучений слоями толщиной от 10 до 100 мкм.
Когда флуоресцирующая ячейка (информационный пит), нахо-
дящаяся в некотором i-м информационном слое, освещается сфо-
кусированным считывающим излучением, молекулы люминофора
генерируют флуоресцентное излучение, являющееся оптическим
сигналом, считываемым детектирующим устройством. Детектирую-
щее устройство, в свою очередь, содержит дополнительные элемен-
ты, препятствующие попаданию на фотоприемник паразитного
флуоресцентного излучения от других (несчитываемых) информа-
ционных слоев. Например, таким элементом может быть конфо-
кальная точечная диафрагма (a confocal pinhole), расположенная
перед фотоприемником и пространственно блокирующая флуорес-
центные сигналы от других слоев, находящихся вне фокуса.
При этом для достижения высокой скорости считывания ин-
формации необходима максимально возможная мощность инфор-
мационно-несущего флуоресцентного сигнала. Однако, хотя раз-
рабатываемые в настоящее время многослойные флуоресцентные
носители ROM-типа позволяют существенно повысить информа-
ционную емкость оптической памяти, они имеют ряд существен-
ных недостатков.
Прежде всего это связано с низким коэффициентом полезно-
го использования интенсивности считывающего излучения.
В традиционных оптических дисках пространственная геометрия
отраженного от диска считываемого излучения практически тож-
дественна пространственной геометрии падающего на диск счи-
тывающего излучения. Во флуоресцентных дисках геометриче-
ская характеристика считываемого (флуоресцентного) излучения
отлична от таковой характеристики сфокусированного считываю-
щего (возбуждающего) излучения. Возбуждаемое (флуоресцент-
ное) излучение распространяется практически изотропно во всех
направлениях от возбужденного пита (ячейки). Следовательно,
собираемое объективом флуоресцентное излучение составляет
только небольшую часть всего флуоресцентного излучения. Бо-
лее того, даже интегральная интенсивность флуоресцентного сиг-
нала, как правило, существенно ниже интенсивности возбуждаю-
щего (считывающего) излучения. Это связано с тем, что кванто-
вый выход люминесценции молекул люминофора, как правило,
значительно ниже единицы, поскольку часть этого излучения те-
ряется в результате безызлучательного переноса энергии возбуж-
дающих квантов света. В случае изотропного пространственного
распределения флуоресцирующих молекул в полимерной матри-
це информационного пита при считывании информации погло-
щать (и, следовательно, переизлучать) будут молекулы, преиму-
щественно ориентированные параллельно вектору поляризации
считывающего излучения, т.е. приблизительно третья часть от
всего количества флуоресцентных молекул в пите. Таким обра-
зом, интенсивность считываемого флуоресцентного излуче-
ния будет приблизительно в три раза меньше максимально воз-
можной.
Указанные недостатки приводят к значительному ослаблению
интенсивности принимаемого информационно-несущего флуорес-
центного сигнала, величина которого становится соизмеримой с величиной «фонового» шумового сигнала от посторонних свето-
вых засветок и с величиной дробового шума приемного устройст-
ва, т.е. к снижению отношения сигнал/шум при считывании.
3) Многослойные VMD-диски (рис. 1.4)
К многослойным технологиям следует отнести также
VMD-диск (Versatile Multilayer Disk — универсальный многослой-
ный диск), впервые представленный на выставке CEBIT-2005, па-
раметры которого показаны на рис. 1.4.
Структура VMD полностью идентична структуре двухслойного
DVD (совпадает даже шаг дорожек и размер меток записи), только
за счет варьирования коэффициента отражения и пропускания слоев количество слоев больше (например, продемонстрировано
на выставке восемь). Это дает возможность выпускать их на том
же оборудовании и при этом записывать на один диск информа-
цию объемом до 100 Гб. Модернизация DVD-привода (добавление
системы перефокусировки на более глубокие слои) позволяет их
использовать в качестве VMD-привода.
В многослойных флуоресцентных носителях информации
WORM-типа оптическое кодирование может осуществляться пу-
тем изменения локальной (попитовой) концентрации люминофо-
ра, или интенсивности, или энергии записывающего излучения,
обеспечивающего возможность декодирования интенсивности
флуоресцентных сигналов на стадии считывания.
Как отмечается исследователями, наиболее перспективным
методом обеспечения оптического кодирования является поляри-
зационное кодирование и декодирование информации с использо-
ванием так называемых фотоанизотропных материалов [18, 19].