Holografischer Speicher

Holografischer Speicher ist eine Technik, mit der Informationen in einer sehr hohen Dichte innerhalb von Kristallen oder Foto-Polymeren gespeichert werden können.

Technik

Da heutige Speichertechniken, wie z. B. die DVD, das obere Limit der Datendichte aufgrund der durch Diffraktion gesetzten physikalischen Grenzen des Schreiblasers erreicht haben, hat ein holografischer Speicher das Potenzial, die nächste Generation von Speichermedium zu werden (siehe auch Holographic Versatile Disc). Der Vorteil dieses Datenspeichers ist, dass das komplette Volumen des Aufzeichnungsmaterials genutzt werden kann, und nicht nur die Oberfläche. Dieser Aspekt erlaubt, dass Phänomene wie Bragg-Volumen-Adressierung ausgenutzt werden können, wodurch sehr viel mehr Informationen in demselben Volumen an Speichermedium untergebracht werden können. Dafür muss jedes Hologramm gegen seine Nachbarn Bragg-verstimmt werden. Dies kann durch mehrere Methoden erreicht werden, z. B. durch Rotation des Speichermediums unter Berücksichtigung des Aufnahmemediums und der Referenzstrahlung oder durch Änderung der Wellenlänge oder Phase des Aufnahmelaserstrahls für jedes Hologramm.

Wie auch bei anderen Datenträgern werden holografische Speicher in einmal beschreibbare Speicher (das Speichermedium wird irreversibel verändert) und in wieder beschreibbare Speicher (Änderung ist reversibel) unterteilt. Wiederbeschreibbare holografische Speicher können durch den photorefraktiven Effekt in Kristallen erreicht werden:

• Beidseitig kohärentes Licht von zwei Lichtquellen erzeugt ein Interferenzmuster im Medium. Die beiden Lichtquellen werden dabei als Referenzstrahl und Signalstrahl bezeichnet.
• An Orten, bei denen überlagerte Wellen zu einer Verstärkung der Amplitude führen, spricht man von konstruktiver Interferenz und das Licht erscheint heller. Dadurch ist genug Energie vorhanden, um Elektronen aus dem Valenzband über die Bandlücke ins Leitungsband zu befördern. Die somit entstandenen „Löcher“ kann man quasi als positive Ladung betrachten. Für eine Nutzung als holografischer Speicher müssen diese sogenannten Defektelektronen örtlich fest sein.
• Elektronen im Leitungsband können sich frei innerhalb des Mediums bewegen. Ihre Bewegung wird dabei durch zwei gegensätzliche Effekte beeinflusst: Die Coulomb-Kraft und die Diffusion. Nach Charles Augustin de Coulombs Gesetz streben die Elektronen nach einem Ladungsausgleich und werden daher möglichst nahe bei einem der Elektronenlöcher bleiben oder diese besetzen. Dem entgegen wirkt der Drang zur homogenen Verteilung der Elektronen. Je nachdem wie stark dabei das Coulombsche Gesetz wirkt bzw. wie groß der räumliche Konzentrationsunterschied ist, verweilen die Elektronen oder wandern zu Orten geringerer Elektronenkonzentration.
• Direkt ab dem Aufstieg ins Leitungsband besteht die Möglichkeit, dass das Elektron wieder ein Defektelektron besetzt. Je höher die Rate hierfür ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit eines diffusen Ladungsausgleichs. Dies ist ein entscheidendes Kriterium zur Haltbarkeitsbestimmung holografischer Speicher.
• Nachdem einige Elektronen zu den Orten geringerer Konzentration gewandert sind und die dortigen Elektronenlöcher besetzt haben, besteht ein elektrisches Feld zwischen den hinzugewanderten Elektronen und den Defektelektronen an Orten höherer Konzentration. Dieses elektrische Feld wirkt sich aufgrund des Kerr-Effekts auf den Brechungsindex des Mediums aus und ändert diesen.

Wenn Information aus einem Hologramm abgerufen oder gelesen werden soll, ist nur der Referenzstrahl notwendig. Der Strahl wird mit den gleichen Eigenschaften wie beim Beschreiben ins Medium geschickt. Durch die eingangs erwähnten veränderten optischen Eigenschaften des Mediums weicht der Brechungsindex lokal von dem zu erwartenden Wert ab und zwei Strahlen verlassen das Medium, einer auf dem zu erwartenden Weg und ein anderer auf einer abweichenden Route. Ein optischer Sensor fängt diesen Strahl ein und ermittelt seine Eigenschaften. Diese bieten Aufschluss über den ursprünglichen, beim Beschreiben verwendeten Signalstrahl und dessen Informationen.

Hologramme können theoretisch ein Bit in einem Würfel mit der Kantenlänge der Wellenlänge des Lichts, das zum Schreiben benutzt wurde, speichern. Das Licht z. B. eines Helium-Neon-Lasers ist rot (genaue Wellenlänge: 632,8 nm). Wenn man nun Licht von dieser Wellenlänge benutzt, würde ein Quadratzoll von perfektem holografischem Speicher 1,61×10⁹ Bits, was ungefähr 201,4 Megabyte entspricht (2,5×10⁸ Bit pro cm²), speichern können. Ein Kubikzoll von solchem Speicher hätte eine Speicherkapazität von 8,1 Terabyte (493 GB pro cm³). Aber die Speicherdichte ist in der Praxis um Größenordnungen niedriger, da noch Bits für Fehlerkorrektur benötigt werden, und die Mangelhaftigkeit des optischen Systems ausgeglichen werden muss.

Andererseits bietet die Holographie die Möglichkeit, in ein gegebenes Speichervolumen mehrere Hologramme unter verschiedenen Bestrahlungsbedingungen einzuschreiben und weitgehend störungsfrei zu überlagern. Diese Technik wird „holographisches Multiplexen“ genannt. Dazu kann beispielsweise Licht verschiedener Wellenlänge genutzt werden (Wellenlängenmultiplexen), die Interferenzmuster mit Lichtstrahlen in unterschiedlichen Winkeln erzeugt werden (Winkelmultiplexen), oder das Speichermedium um eine Symmetrieachse gedreht werden (Rotationsmultiplexen). Es können auch mehrere Multiplex-Techniken kombiniert werden. Der mögliche Multiplexgrad ist abhängig von der gewählten Technik und dem verwendeten Speichermaterial. So kann das im vorigen Abschnitt beschriebene Speicherlimit vervielfacht werden, so dass holographische Speicher bei entsprechendem Aufwand tatsächlich sehr hohe Speicherdichten erreichen können.^[1][2]

Geschichte

Im Frühjahr 1999 wurde veröffentlicht, dass die Heidelberger Forschungseinrichtung European Media Laboratory und der Hamburger Tesa-Hersteller Beiersdorf AG einen Kooperationsvertrag über die Weiterentwicklung einer sogenannten „T-ROM“ (auch Tesa-ROM genannt) abgeschlossen haben.^[3][4]

Im Frühjahr 2009 wurde berichtet, dass der Forschungszweig des amerikanischen Mischkonzern General Electric einen holografischen Speicher mit einer Kapazität von bis zu 500 Gigabyte entwickelt hat.^[5]

Siehe auch

• Holografie
• Laser
• InPhase Technologies

Literatur

• Nanocomputers and Swarm Intelligence by Jean-Baptiste waldner, ISTE-Wiley, ISBN 978-1-84704-002-2, 2008
• A. M. Glass (Vorwort), M. J. Cardillo (Vorwort), Hans J. Coufal (Herausgeber), Demetri Psaltis (Herausgeber), Glenn T. Sincerbox (Herausgeber): Holographic Data Storage. ISBN 3-540-66691-5

Weblinks

• Versuche an der Universität Münster
• Grundlagenartikel holografische Speicher

Einzelnachweise

1. ↑ Holographische Datenspeicher. Abgerufen am 18. Dezember 2022. 
2. ↑ Holografischer Speicher (Holografisches Storage). Abgerufen am 18. Dezember 2022. 
3. ↑ "Tesa-ROM" wird kommerziell entwickelt – Artikel bei heise online, vom 27. April 1999
4. ↑ Die Tesa-ROM auf der CeBIT – Artikel bei der Universität Mannheim, vom 12. März 1999
5. ↑ Holografischer Speicher mit 500 GByte Kapazität – Artikel bei heise online, vom 28. April 2009