Magyar Tudomány, 2005/12 1521. o.

Szemtől szemben a lézerekkel

Lőrincz Emőke

PhD, egyetemi docens - lorincz @ eik.bme.hu

Koppa Pál

PhD, egyetemi adjunktus - koppa @ eik.bme.hu

Erdei Gábor

PhD, egyetemi tanársegéd - erdei @ eik.bme.hu

Ujhelyi Ferenc

tudományos segédmunkatárs - ujhelyi @ eik.bme.hu

Richter Péter

a műszaki tudomány doktora, egyetemi tanár - richter @ eik.bme.hu

BME Atomfizika Tanszék

Holografikus memóriakártya


Nemzetközi és hazai előzmények

Már a 60-as évek végén és a 70-es évek elején számos laboratóriumban foglalkoztak a holografikus adattárolással. A nagy kapacitású optikai tárolók mégis a digitális területen jelentek meg, túlszárnyalva akkor a beépített mágneses tárolók kapacitását. 1982-ben a Sony és a Philips bejelentette az audió CD-ket, majd rövidesen megjelentek a CD-ROM-ok, a digitális számítógépes adatok rögzítésére alkalmas CD-k is. Adatsűrűségük 0,6 bit/µm2 780 nm-es lézerdióda alkalmazásával. A digitális adattárolók új generációja, a 650 nm-es félvezető lézerrel működő DVD esetén már 4,7 bit/µm2 az adatsűrűség. 2002. februárban 8 neves céget tömörítő konzorcium (Hitachi, Philips, Samsung, Sony stb.) megállapodott a legújabb, 405 nm-es lézerre alapozott DVD szabványában, ennek adatsűrűsége és kapacitása hatszorosa a jelenleginek, és célul tűzték ki az 50 GB diszkkapacitás elérését 2004-re. A tárolási sűrűség, ill. a diszk kapacitásának növelése a hullámhossz csökkentésével, ill. a fókuszáló objektív numerikus apertúrájának növelésével érhető el, de minden határon túl tovább nem növelhe-tő. Az 50 GB a CD típusú digitális tárolókapacitásának felső határa. A kapacitáson túl még az adatátvitel sebessége is fontos paraméter, a cél a 20 MB/s sebesség elérése.

A DVD-fejlesztés várható csúcskapacitását meghaladó és nagyobb átviteli sebességgel működő cserélhető memóriaként alkalmazható lemez megvalósításához más technológiára van szükség. Jelenleg versenyben vannak például: a magnetooptikai (MO) technológia; a közel-téri, speciális optikai megoldást alkalmazó technika, melynek megvalósításához nagy numerikus apertúrájú (NA>1) fókuszáló objektív szükséges, ami kérdésessé teszi a kivehetőség megvalósíthatóságát; a többrétegű fluoreszcens kiolvasást alkalmazó technológia (a szakirodalomban C3D néven ismert) és a holografikus adattárolók (Haw, 2003).

A felületi adatsűrűség növelésére a harmadik dimenzió kihasználásával, a tároló anyag vastagságának növelésével és az azonos térfogatba különbözőképpen beírt és kiolvasott információ, vagyis a multiplexelés alkalmazásával van lehetőség. A holografikus adattárolók esetén >100 bit/µm2 adatsűrűséget és 1 Gbit/s adatforgalmat demonstráltak már, de a holografikus tárolók kereskedelmi termékként még nem jelentek meg a piacon. Kutatásuk új lendületet vett az utóbbi években. Elsősorban az alkalmas lézerek (frekvenciakétszerezett szilárdtestlézerek és diódalézerek), térbeli fénymodulátorok (folyadékkristályos vagy Si alapú mikrotükör) és nagysebességű mátrixdetektorok megjelenésével kapcsolatos az új lendület. Fő probléma még az alkalmas tároló anyag. A követelmény hatalmas az anyaggal szemben: kiváló optikai minőség, megfelelő érzékenység, nagy dinamika, nagy felbontás, könnyű és olcsó gyárthatóság, fizikai és kémiai stabilitás szükséges. A hírekben gyakran olvashatunk a holografikus rendszerek fejlesztésén dolgozó cégek (például: Optware,1 InPhase2) legújabb eredményeiről, de hiába keressük a holografikus lemezt és lejátszót a boltban, mivel termék még nincs forgalomban a piacon.

Hordozható holografikus adattároló

A BME Atomfizika Tanszéken az adattárolók kutatás-fejlesztése a 80-as évek végén kezdődött CD és MO fej optikai elemei, finommechanikája, MO lemez tárolóréteg területeken, majd 1995-ben a svéd Optilink cég kezdeményezésére lapszervezésű digitális optikai tároló modelljét készítettük el. 2001-ben elkészült egy hordozható holografikus memóriaberendezés (Anscombe, 2001), együttműködve az Optilink Magyarország Rt.-vel és a dániai Risö Kutatóintézettel.3 Az adathordozó egy, a rendszerből kivehető és visszatehető bankkártya méretű műanyag kártyába épített "optikai chip" 1 cm2-es felülete. A tárolóréteg pedig 1-2 µm vastagságú azobenzén poliészter.

Mivel az anyagban a beíró nyalábok hatására helyi anizotrópia jön létre, az adattárolásra polarizációs holográfiát használunk. A polarizációs rögzítés elvét mutatja az 1. ábra. Ellentétben a hagyományos holográfiával, a tárolóanyagra érkező tárgy és referencianyaláboknak ellentétes cirkuláris polarizációjuk van, az eredő, síkban változó irányú lineáris térerősség hatására alakul ki a lokális anizotrópia. Ezen mint rácson diffraktálódik kiolvasáskor a cirkuláris referencianyaláb akár közel 100 %-os hatásfokkal. Ez az anizotrópia egyetlen cirkulárisan polarizált nyalábbal "törölhető" is, azaz a síkbeli rendezettség megszüntethető. Nagy adatsűrűséget úgy lehet elérni, hogy az adatmátrix Fourier-hologramját rögzítjük. A megvalósított rendszerben 532 nm-es frekvenciakétszerezett Nd:YAG lézert, egytengelyű referencia- és tárgynyalábokat, a Fourier-térben 0,69 numerikus apertúrájú objektívet és olcsó csavart nematikus térbeli fénymodulátort használunk a beírásra, és a transzmissziós hologram reflektált rekonstruált képét olvassuk ki CCD-detektorral. Kiolvasáskor rövid ideig kis teljesítményű referencianyalábbal világítjuk meg a hologramot. Újraíráshoz az előzőleg beírt hologramot nagy teljesítményű referencianyalábbal törölni kell. Így egy újraírható optikai tárolót készíthetünk. A megvalósított elrendezés szabadalmaztatott optikai megoldásokat tartalmaz (Szarvas et al., 2000). Az általunk demonstrált 2,77 bit/µm2 adatsűrűség a vékony anyagban, multiplexelés nélkül elérhető eddigi legnagyobb adatsűrűség (Lőrincz et al., 2003). Az író/olvasó egység vázlatos felépítését mutatja a 2. ábra

A párhuzamos elrendezésű tárgy- és referencianyaláb lehetőséget biztosít a beíró hullámhossztól eltérő hullámhosszú referencianyalábbal való kiolvasásra is. Ennek előnye, hogy a tárolóanyag érzékenységi tartományán kívül eső (például piros) hullámhosszt választva a beírt információ törlése nélkül lehet kiolvasni, és a csak olvasó berendezés lényegesen egyszerűbb és olcsóbb az író/olvasónál (például olcsó, kis koherenciahosszú lézerdióda is alkalmazható). A hullámhosszváltáshoz a kiolvasó Fourier-objektívet megfelelően korrigálni kell.

Két hordozható író/olvasó készülék és egy piros lézerdiódával működő csak olvasó készülék is készült. Demonstráltuk, hogy az egyik író/olvasó készülékkel megírt kártyát a másik író/olvasó, illetve a csak olvasó készülékkel is ki lehet olvasni. A 3. ábrán bemutatunk két rekonstruált hologramot: a 3.a ábrán az író/olvasóval és a 3.b ábrán pedig ugyanazt a hologramot a csak olvasó készülékkel olvastuk ki.

Alkalmazás: biztonsági kártya

A holografikus adattárolás már önmagában biztonságosabb, mint a bitenkénti tárolás, mivel az adatok hagyományos optikai eszközökkel (mikroszkóp, szkenner, CCD kamera) nem olvashatók ki. A polarizációs holográfia alkalmazása pedig tovább növeli a kiolvasóval szembeni követelményeket. A biztonság tovább növelhető, mivel a holografikus adattárolásnál lehetőség van az információt például fázismodulált referencianyalábbal rögzíteni. A referencianyaláb modulációja mint kód segítségével az illetéktelen kiolvasás lehetetlenné válik, ugyanis kiolvasni csak a megfelelő fázismodulált referenciával lehet (4. ábra, Ujvári et al., 2004).

A technológia megvalósíthatóságának bizonyítására az egyik meglévő író/olvasó berendezést átalakítottuk. A referenciaágba változtatható fáziskódot építettünk. Az eredmények igazolták az elméleti elvárásokat.

Jelenleg a technológia hasznosításán dolgozunk. Ma már a svéd Optilink helyébe a Bayer Innovation GmbH lépett. Az ismert német cég új leányvállalata célul tűzte ki a holografikus biztonsági technológia piacra vitelét és ezzel egyidejűleg a Bayer által kifejlesztett fénnyel címezhető polimer (photoaddressable polymer - PAP) anyag alkalmazását a biztonságikártya-piacon.

A kereskedelmi hasznosításon kívül a holografikus adattárolók kutatása új tudományos eredmények megszületését is lehetővé tette. A csoport eredményességét a kutatásba bevont hallgatók, diplomázók és doktoranduszok hozzájárulása is nagymértékben emelte. Eddig négy PhD-fokozat született, és újabb három van előkészületben.


Kulcsszavak: fáziskódolás, holografikus adattárolás, polarizációs holográfia


1 http://www.optware.co.jp/english/top.htm

2 http://www.inphase-technologies.com/

3 http://www.risoe.dk/ofd/people/psra.htm


IRODALOM

Anscombe, N. (2001). Opto&Laser Europe. January-February, 26-28.

Haw, M. (2003): Nature. 422, 556-558.

Lőrincz E. - Szarvas G. - Koppa P. - Ujhelyi F. - Erdei G. - Sütő A. - Várhegyi P. - Sajti Sz. - Kerekes Á. - Ujvári T. - Ramanujam, P. S. (2003): In: Grote J. G. - Kaino T. (eds.): Proc. SPIE 4991 Organic Photonic Materials and Devices VI., 34-44.

Szarvas G. - Lőrincz E. - Richter P. - Koppa P. - Erdei G. - Fodor J. - Kalló P. - Sütő A. - Domján L. - Ujhelyi F. (2000): Method and Apparatus for the Holographic Recording and Readout of Data. EP 1492095

Ujvári T. - Koppa P. - Lovász M. - Várhegyi P. - Sajti Sz. - Lőrincz L. - Richter P. (2004): Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. 6, 401-411.



1. ábra * A polarizációs holográfia elve



2. ábra * Holografikus író/olvasó felépítésének vázlata



3. ábra * Holografikus író/olvasóval írt hologram kiolvasása író/olvasóval (a), csak olvasóval (b)



4. ábra * Fáziskódolt titkosítás elve


<-- Vissza a 2005/12 szám tartalomjegyzékére
<-- Vissza a Magyar Tudomány honlapra
[Információk] [Tartalom] [Akaprint Kft.]