10.1.3. Компоненты оптической памяти

10.1.3.1. Источник света

В голографической системе памяти для обеспечения интенсивного коллимированного когерентного света требуется лазер. Он должен быть импульсным (возможно, с синхронизацией мод) или управляться внешним затвором с частотой порядка импульсов в секунду, причем каждый импульс используется с целью записи или считывания. Кроме того, в зависимости от среды для записи голограммы и от того, какие применяются процессы записи и считывания, лазер должен обеспечивать среднюю оптическую мощность в одномодовом режиме около Большинство материалов для записи голограмм и фотодетекторов наиболее чувствительны в сине-зеленой области спектра. Поэтому в качестве источника света предпочтительно использовать аргоновый лазер, поскольку он дает интенсивные синюю и зеленую линии излучения. Он также удовлетворяет необходимым требованиям к стабильности частоты и амплитуды, длине когерентности и надежности. Недостатками аргонового газового лазера являются его высокая стоимость (около долл.) и низкий преобразования электрической мощности в оптическую (порядка Из твердотельных лазеров для систем голографической памяти наиболее приемлемым является -лазер с удвоением частоты В импульсном режиме работы такой лазер может обеспечить очень высокую пиковую мощность

Относительно короткие длины волн желательны также и потому, что плотность хранения информации пропорциональна или (см. п. 10.1.4.1). Однако в фиолетовом и ультрафиолетовом диапазонах возникает фоновый шум, ухудшающий восстановленные изображения; это связано с неизбежным хаотическим (рэлеевским) рассеянием, интенсивность которого пропорциональна

Более подробная информация о лазерах дается в § 8.1 и 8.2, а о материалах для голографии — в § 8.3.

10.1.3.2. Дефлекторы пучков света

В системе оптической памяти для точного направления лазерных пучков при записи, считывании и стирании применяют целый набор дефлекторов, которые должны быстро и безошибочно управлять положением светового пучка.

Как показано в табл 1, существуют три основных типа дефлекторов: механические, акустооптические и электрооптические. В табл. 1 приведены примеры каждого типа.

Таблица 1 (см. скан) Типы дефлекторов светового пучка

Количественными характеристиками дефлектора являются разрешение и время случайной выборки. Разрешение можно определить как максимальный угол отклонения, деленный на угол дифракционного уширения пучка. Это отношение дает полное число разрешимых угловых положений, или полное число разрешимых точек Роль величины мы обсудим в п. 10.1.4.4.

Автором статьи [42] выполнена большая работа с целью сравнения свойств различных дефлекторов светового пучка. Для каждого из трех типов дефлекторов существует обусловленная конструкцией связь между числом разрешимых точек и временем произвольной выборки. Время произвольной выборки та — это время, необходимое для отклонения лазерного пучка в новое угловое положение. Механические дефлекторы имеют время произвольной выборки

где резонансная частота механической системы. Практически та механических дефлекторов редко бывает меньше Таким образом, механические дефлекторы являются недостаточно быстродействующими, чтобы их можно было применять в системе голографической памяти с быстрой выборкой (когда требуется время выборки около

В акустооптическом дефлекторе с помощью пьезоэлектрического преобразователя в акустооптический материал вводится

акустическая волна. Эта бегущая волна создает решетку с различными значениями показателя преломления, на которой дифрагирует лазерный пучок. Изменение несущей акустической частоты соответствует изменению длины волны звука и, следовательно, периода решетки. Это приводит к изменению угла дифракции светового пучка, и, таким образом, прибор действует как дефлектор пучка с переменным углом. Время случайной выборки определяется главным образом временем прохождения звуковой волны через сечение лазерного пучка. Таким образом, в случае акустооптического дефлектора

здесь ширина апертуры, скорость звука в акустооптической среде. Для воды Следовательно, дефлектор на воде с -миллиметровой апертурой имеет

Чтобы увеличить дифракционную эффективность и уменьшить присущую пучку расходимость, ячейки акустооптических дефлекторов часто удлиняют в направлении распространения акустической волны. При этом лазерный пучок фокусируется, образуя эллиптическое пятно, большая ось которого параллельна направлению удлинения ячейки. Такая фокусировка осуществляется цилиндрическими линзами (рис. 8). Плоскость, содержащая дифрагированный и недифрагированный лазерные пучки, параллельна как линии фокусировки, так и оптической оси системы линз.

Рис. 8. Оптическая схема типичной акустооптической отклоняющей системы в плоскости

Поэтому ячейку акустооптического дефлектора, отклоняющего пучок вдоль координаты помещают на горизонтальной линии фокусировки, а ячейку дефлектора, отклоняющего пучок вдоль оси у — на вертикальной. Таким образом, если предположить, что эллиптическое лазерное пятно заполняет всю удлиненную акустооптическую ячейку, то ширина апертуры этой ячейки будет связана с длиной большой оси пятна. Увеличение ширины апертуры влечет за собой увеличение числа разрешимых точек (см. п. 10.1.4.4) и дифракционной эффективности, но при этом уменьшает скорость произвольной выборки.

Движение акустической решетки приводит к доплеровскому сдвигу частоты дифрагированного оптического пучка. Поэтому акустооптические дефлекторы следует использовать до светоделителя, расщепляющего пучок на опорный и объектный. При этом необходимо, чтобы оба пучка имели одинаковую длину волны и давали стабильные интерференционные полосы. Наличие доплеровского сдвига частоты хотя бы у одного из пучков (объектного или опорного) приводит к ухудшению интерференционной картины в точках пересечения этих пучков.

Существует два типа электрооптических дефлекторов: аналоговые и цифровые. В аналоговом дефлекторе к электрооптической призме прикладывается электрическое поле, вызывающее изменение показателя преломления, что влечет за собой изменение угла прохождения лазерного пучка через призму; таким образом, данное устройство представляет собой угловой дефлектор пучка света. Однако практически электрооптические коэффициенты известных материалов слишком малы, чтобы давать большие углы отклонения при приемлемых значениях электрического поля. Поэтому с целью увеличения угла отклонения, а следовательно, и числа разрешимых точек применяют последовательные каскады призм.

В цифровом электрооптическом дефлекторе используется электрооптический модулятор света и двулучепреломляющая призма (например, кальцитовая). Электрооптический ротатор (модулятор) служит для вращения плоскости поляризации. При изменении напряжения на модуляторе на полуволновое плоскость поляризации линейно-поляризованного выходного пучка поворачивается на 90°. После прохождения через двулучепреломляющую призму пучок в зависимости от положения плоскости поляризации отклоняется в одном из двух направлений. (В двулучепреломляющем материале два возможных линейно-поляризованных пучка света испытывают два различных показателя преломления.) Каскадное соединение цифровых дефлекторов позволяет отклонить пучок в угловых направлений. Например, -каскадный электрооптический дефлектор, состоящий из 10 каскадов отклонения по х и 10 каскадов отклонения по у, создает двумерную матрицу разрешимых точек [26]. Время случайной выборки в этом устройстве составляет В случае электрооптического дефлектора время случайной выборки та дается выражением

где С — емкость дефлектора, максимальное напряжение, а полезная электрическая мощность, потребляемая от источника. Существенным препятствием для применения этих систем являются потери света при его прохождении через множество поверхностей, а также высокая стоимость таких дефлекторов.

10.1.3.3. Составитель страниц

Ввод информации в оптическую голографическую память осуществляется составителем страниц, или составителем блока данных, который преобразует цифровые электрические сигналы непосредственно в двумерную оптическую матрицу двоичных знаков. В двулучевой голографической схеме составитель страниц помещается на пути объектного пучка. При восстановлении информации голограмма будет давать изображение в плоскости матрицы фотодетекторов, которая будет копировать образуемую составителем страниц матрицу, состоящую из единиц и нулей (светлые и темные точки).

Составитель страниц должен иметь следующие характеристики:

1. Высокая скорость кадров. Должна быть предусмотрена возможность быстрой смены страницы данных. Желательно, чтобы время смены находилось в микросекундном диапазоне.

2. Высокое разрешение. Размер каждой двоичной ячейки должен быть столь малым, чтобы в небольшой области размещалось очень большое их число. Удовлетворительным считается размер

3. Большая апертура. Общая площадь составителя страниц, пересекаемая лазерным пучком, должна быть достаточно большой, чтобы уместить желаемое число бит на страницу. Широкое распространение получили битовые матрицы размером от до элементов.

4. Высокий контраст. Достижение высокого контраста ослабляет последующие требования к материалам для записи голограмм и матрице фотодетекторов. Желательно иметь контраст и больше; такой контраст достигался в ряде устройств типа составителя страниц.

5. Стабильность. Характеристики материалов, используемые в составителе страниц, не должны ухудшаться при экспонировании высокоинтенсивным светом (объектным пучком).

6. Однородность. Неоднородности материала в составителе блока данных не должны вызывать в системе памяти ошибок при считывании.

7. Адресация полной страницы. Необходимо, чтобы в составителе страниц все двоичные ячейки могли бы одновременно и независимо находиться в состоянии либо нуль, либо единица.

Существует множество различных физических явлений, лежащих в основе действия составителей страниц. Некоторые из них приведены в табл. 2. Очевидно, что в составителях страниц в принципе можно использовать различные физические явления и самые разнообразные материалы. Весьма полезными представляются жидкокристаллические составители блока данных. Фирма разработала жидкокристаллический составитель страниц на 1024 бит [23]. Главной проблемой для жидкокристаллических составителей страниц является относительно низкая скорость кадров (порядка

(см. скан)

100 мс). Многообещающими выглядят также составители блока данных на основе цирконата-титаната свинца-лантана Для таких составителей страниц, имеющих достаточно высокую скорость кадров, характерны четыре основных режима работы: режим смещения деформации, режим рассеяния, режим краевого эффекта и дифференциальный фазовый режим [7]. Этот последний режим работы исключает вредное влияние неоднородностей фона в но требует двойной экспозиции голограммы через информационную маску. В табл. 2 приведены также еще три возможных принципа работы составителей блоков данных, в которых используются соответственно матрица тонких деформируемых мембранных зеркал [5], термоиндуцированный сдвиг края полосы оптического поглощения в и акустооптический эффект.

10.1.3.4. Среда для загшси голограмм

Среды для записи (регистрации) голограмм детально рассмотрены в § 8.3. Однако, поскольку материал для записи имеет решающее значение для голографической памяти, мы здесь еще раз рассмотрим его характеристики, необходимые для конкретных применений.

К параметрам материалов для записи голограмм предъявляется ряд требований, играющих важную роль для обеспечения той высокой емкости системы хранения, которая ожидается в случае оптической памяти. Эти требования следующие:

1. Высокая чувствительность. Желательно, чтобы при записи голограммы страницы данных использовалась лишь небольшая удельная оптическая энергия. Практически плотность энергии не должна превышать

2. Высокая дифракционная эффективность. Дифракционная эффективность характеризуется долей считывающего света (опорного пучка), которая дифрагирует в пучок восстановленного изображения. Для того чтобы на практике можно было записать множество голограмм в одном месте, необходимо иметь высокую дифракционную эффективность записи отдельных голограмм.

3. Возможность стирания и перезаписи. Система памяти с быстрым циклом считывание — запись — стирание должна быть способна непрерывно менять данные, содержащиеся в памяти, без какого-либо ухудшения характеристик материала.

4. Большое время хранения информации Данные, содержащиеся в памяти, должны сохраняться в течение длительного времени до их смены. В идеальном случае хранение должно быть постоянным.

5. Неразрушаемость хранимой информации. Данные должны сохраняться в памяти в отсутствие питания в системе.

6. Неразрушающее считывание. Материал для записи должен быть таким, чтобы он допускал по существу неограниченное число

операций считывания без ухудшения или изменения хранимой информации.

7. Трехмерное хранение. Чтобы добиться очень высокой емкости хранения, необходимо хранить информацию в толстых (объемных) голограммах. При этом, чтобы одновременно удовлетворить требованию высокой дифракционной эффективности, необходимо применять толстые фазовые (непоглощающие) голограммы.

8. Высокое разрешение. Очевидно, что материал для записи голограмм должен быть в состоянии записывать очень малые (размером порядка длины волны) изменения интерференционной картины, образующейся при пересечении объектного и опорного пучков.

10.1.3.5. Матрица фотодетекторов

Матрица фотодетекторов необходима для преобразования восстановленной с голограммы информации в электрический сигнал. Эта фоточувствительная матрица считывания должна включать в себя один чувствительный фотодиод или фототранзистор и один или два переключающих (адресующих) прибора на каждый бит информации восстановленной страницы (см., например, [4]). Каждый чувствительный элемент матрицы должен играть роль порогового детектора, указывающего на наличие или отсутствие света (двоичные 1 или 0). Одна и та же матрица фото детекторов должна считывать все записанные голограммы.

В идеальном случае фотодетекторы должны обладать высокой обнаружительной способностью, чтобы отличать от 1 в присутствии шумов. В п. 10.1.4.3 обсуждается вопрос о необходимой обнаружительной способности для получения заданного отношения сигнал/шум.

Второе основное требование к матрице фотодетекторов заключается в том, чтобы такую бездефектную матрицу можно было реализовать конструктивно при существующем уровне технологии. Современная полупроводниковая технология предоставляет нам такие возможности. В фирме «Bell Laboratories» разработана передающая трубка с матрицей, которая состоит из 525 000 отдельных дискретных кремниевых фотодиодов, укрепленных на одной пластине. Фирма разработала матрицу, состоящую из 51 200 кремниевых фототраизисторов 125], используя метод многослойных соединений, в результате чего любой бит может быть считан примерно за микросекунду.

Третье полезное свойство матрицы фото детекторов — это способность запоминать входную световую энергию. Поскольку считываемая страница обычно содержит слова или блоки слов, то полезно было бы иметь кратковременное хранение восстановленной битовой картины.

Наконец, четвертым требованием является то, чтобы матрица фотодетекторов в комбинации с электронным устройством обеспечивала полную произвольную выборку всех слов или блоков слов внутри восстановленной страницы.

10.1.3.6. Прочие оптические элементы

Помимо лазера, дефлекторов пучка, составителя страниц, среды для записи голограмм и матрицы фотодетекторов, для соединения главных элементов схемы необходимо множество других оптических элементов и электронных устройств. Некоторые из необходимых оптических элементов показаны на рис. 4—7. Как правило, приходится использовать большое число линз. Одни из них формируют пучок, другие осуществляют преобразование Фурье. При этом линзы должны быть высококачественными, чтобы не вносить больших искажений в волновой фронт. Если применяются акусто-оптические дефлекторы, то приходится использовать также цилиндрические линзы, причем их светосила должна быть больше, чем у сферических линз (см. рис. 8). Кроме простого светоделителя, расположенного под углом Брюстера, как показано на рис. 4—7, применяются светоделители, чувствительные к поляризации света.

Рис. 9. Оптическое устройство для переключения между двухлучевой схемой записи и однолучевой схемой считывания, основанное на повороте плоскости поляризации пучка.

Для переключения между однолучевой схемой считывания и двухлучевой схемой записи можно использовать простой пластинчатый светоделитель совместно с поляризатором (рис. 9). Матрицу линз можно изготовить из отдельных короткофокусных стеклянных линз в виде монолитной матрицы спрессованных пластмассовых линз, или в виде матрицы оптических волокон с различными показателями преломления [36], либо в виде матрицы голографических

оптических элементов. Например, в работе [19] в голографической памяти использовалась матрица линз, представляющая собой матрицу из голографических бинарных фазовых зонных пластинок.

Применение тех или иных электронных устройств в значительной степени зависит от того, какими были выбраны главные элементы схемы. Например, если используются акустооптические дефлекторы, то для управления ими необходимы высокочастотные генераторы с линейно регулируемым напряжением. При использовании электрооптических дефлекторов возникает необходимость в программно-управляемом высоковольтном источнике питания.