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  1. #1

    Memorie Olografiche e applicazioni olografiche

    Fonte: http://www.lithium.it/stampa_art.asp?code=43

    Parte N°1 : Introduzione

    Negli ultimi anni abbiamo assistito alla nascita dell' 'Era dell'Informazione'. Quantità enormi di dati vengono scambiate in tutto il mondo ogni secondo e tutto ciò sia grazie ai nuovi strumenti di comunicazione globali quali Internet, sia grazie alla sempre più ampia disponibilità di memorie di massa a buon mercato. Benchè le attuali esigenze vengano più che agevolmente soddisfatte dai prodotti in commercio, è necessaria una continua ricerca di nuove tecnologie per poter supportare la sempre più rapida crescita della domanda in questo settore.

    L' Optical Storage è stata una delle più interessanti conquiste della tecnologia degli ultimi 15 anni. Il Compact Disc (primi anni '80) per primo ha permesso la memorizzazione di una grande quantità di dati (700MB) su un supporto estremamente economico e relativamente affidabile compiendo un salto di qualità enorme rispetto ai vetusti Floppy Disk o ad altri sistemi di memorizzazione.

    Il recente avvento del DVD ('97) ha esteso questa tecnologia ottica raggiungendo la soglia della decina di Gbyte (15GB) memorizzabili su un singolo supporto permettendo l'archiviazione di quasi 8 ore di video in alta qualità. Senza dubbio queste memorie ottiche forniscono e forniranno ancora a lungo grandi capienze su supporti economici ed affidabili e sono più che sufficienti per le esigenze attuali ma che prospettive di sviluppo futuro ci sono nel settore delle memorie ottiche?

    La registrazione di informazioni su media magnetici ed ottici arriverà velocemente a scontrarsi con i limiti fisici dei supporti a causa di sensità superficiali sempre più alte ed è per questo che gli scienziati ritengono che per incrementare di molto le attuali capacità sarà necessario passare a tecnologie Olografiche di archivizione, capaci di memorizzare i dati su una superficie ma su un volume.

    Fu Pieter J. van Heerden di Polaroid a proporre per primo nel 1963 questo metodo per la memorizzazione di dati in forma tridimensionale su particolari materiali fotosensibili ma solo adesso se ne intravedono le enormi potenzialità. Lo storage Olocrafico promette di archiviare Terabyte di informazioni in spazi limitati, con tempi di accesso inferiori a 100 microsecondi e con elevatissimi data-rate, per questo società come Rockwell, IBM ed molti altri stanno studiando il modo di rendere economica ed affidabile questa tecnologia.

    Qualcuno potrebbe chiedere come mai in quasi 40 anni non si siano mai viste applicazioni di questa tecnologia. La risposta è che, come vedremo, la creazione di una memoria olografica richiede tecnologie che solo molto recentemente hanno raggiunto un livello di maturità sufficiente come ad esempio i display TFT e i sensori CCD.

    Ma partiamo dalla descrizione del fenomeno fisico che sta alla base dello Storage Olografico e che permette, o sarebbe meglio dire permetterà, di archiviare la bellezza di 1TeraByte (1000GB) per centimetro cubo...

    Parte N°2 : Principi fisici di funzionamento

    Nelle memorie Olografiche una intera pagina alla volta di informazioni digitali viene scritta su un materiale fotosensibile sottoforma di frange di interferenza ottica. Questo effetto si ottiene facendo intersecare due raggi laser coerenti in una certa zona del materiale. Il primo raggio (object beam) contiene le informazioni da memorizzare mentre il secondo (reference beam) serve per generare le frange di interferenza.

    Il risultato è la alterazione delle proprietà chimico-fisiche del materiale e conseguentemente delle sue proprietà ottiche. Una replica del pattern interferometrico rimane memorizzata nel materiale sotto forma di variazioni di assorbimento e indice di rifrazione ottica (vedi figura a lato).

    E' possibile archiviare più immagini olografiche sullo stesso mezzo in vari modi, il più promettente è quello di utilizzare differenti angoli di divergenza tra i due laser. Si è stimato in questo modo un limite fisico di circa 1TB di dati archiviati sotto forma di immagini olografiche in un materiale di 1 centimetro cubo.



    Quando una delle due sorgenti di luce viene re-inviata sul mezzo, il supporto olografico ricostruisce la sorgente mancante secondo varie interessanti combinazioni. (vedi figura a lato)

    In pratica illuminando il mezzo con la sorgente di riferimento otterremo in uscita (tramite rifrazione e scattering) una debole replica del segnale di scrittura (object beam) rilevabile tramite sensibili circuiti di rilevamento (caso a).



    Interessante anche il caso b della figura a lato che permette la creazione di memorie associative o il caso c che invece è estremamente utile (ne parleremo dopo) per risolvere alcuni problemi di imperfezione dei sistemi ottici usati per focalizzare i raggi laser.

    Cambiando l'angolo di incidenza del raggio di lettura è possibile leggere pagine diverse, per fare ciò è però necessaria una precisione elevatissima perchè anche un millesimo di grado di differenza potrebbe portare a leggere dati diversi da quelli cercati.


    Oltre ad una elevatissima capacità di archivizione, la memoria Olografica promette anche basse letenze di accesso ed elevati data rate. I tempi di accesso sono brevi perchè non ci sono attuatori meccanici da comandare e quindi l'inerzia di lettura è molto più bassa rispetto ad un comune lettore di CD/DVD o a un HD; la velocità di lettura è molto alta grazie al fatto di poter leggere pagine intere di dati in un solo ciclo di lettura si parla di qualche centinaia di MB/s.


    Parte N°3 : Prototipi vecchi e nuovi

    Il primo fu costruito negli anni '70 da Juan J. Amodei, William Phillips e David L. Staebler dei laboratori RCA. Riuscirono ad archiviare 500 ologrammi in un cristallo 'iron-doped lithium niobate'. Robert A. Bartolini sempre all' RCA memorizzò 550 ologrammi ad alta risoluzione in un materiale polimerico e Jean-Pierre Huignard di Thomson-CSF progettò una memoria olografica completa anche se a bassa capacità.

    Il probema principale era legato alle relativamente basse capacità ottenute ma soprattutto all'incalzare delle tecnologie dello Storage Magnetico tradizionale che mise in ombra i risultati ottenuti, così le tecnologie Olografiche sono cadute nell'oblio fino ai primi anni 90.

    Nel '91 una ricerca finanziata dal DARPA e dall'USAF riporta in auge i principi dell'olografia. Da allora la tecnologia in questo campo ha fatto passi da gigante. La tecnologia di base sembra ormai essersi stabilizzata mentre molta ricerca si sta ancora facendo sul versante dei materiali polimerici da utilizzare e nella messa a punto dei processi industriali e della miniaturizzazione dell'intera apparecchiatura.

    Vediamo qual'e' il principio di funzionamento dei prototipi più moderni:

    Un laser ad Argon (luce blu-verde) viene usato come sorgente di luce coerente, uno splitter divide il fascio in due percorsi per formare il Signal Beam e il Reference Beam, il Signal Beam passa attraverso un SLM (Spatial Light Modulator), in pratica un display TFT con pixel accesi o spenti che crea la maschera binaria da 'incidere' nel materiale. I due fasci vengono collimati sul materiale (Lithium-niobate Crystal o Foto-polimero) tramite lenti.



    Per la lettura è sufficiente inviare il fascio di riferimento angolato opportunamente e in uscita dal materiale prelevare la luce rifratta tramite un Detector (CCD sensibile).



    Lo schema illustrato può sembrare semplice ma deve essere implementato con elevata precisione ottica. Le lenti devono essere praticamente perfette altrimenti non si riesce a recuperare il segnale dal rumore. Un'altro problema è rappresentato dall'allineamento dei componenti e dalle imperfezioni del materiale. Per risolvere almeno parzialmente questi problemi viene usata la così detta configurazione 4-F visibile in figura:



    In questo schema la distanza tra le lenti e i sensori e tra le lenti e il materiale è pari alla distanza focale della lente (per cui l'estenzione del tutto è pari a 4-F), questo permette di incidere su materiale una sorta di trasformata di Fourier bidimensionale della bitmap prodotta dal' SLM. Questa proprietà risulta eccellente per ridurre l'effetto dell'offset di allineamento del materiale, per ridurre l'effetto delle aberrazioni ottiche e delle imperfezioni del materiale.

    Altre parti problematiche sono quelle relative alla collimazione dei fasci e quelle relative all'elaborazione dei segnali d'uscita dai quali vanno ricavati i bit inizialmente memorizzati.
    Per farsi un'idea della complessità di un prototipo reale date un'occhiata allo schema qui sotto e al corrispondente fisico:




    Parte N°4 : Conclusioni

    Che la tecnologia Olografica sia promettente non c'e' dubbio ma non sappiamo ancora quanto dovremo aspettare per vederla all'opera in applicazioni commerciali. All'IBM si ipotizza il 2004.

    Una ipotetica variante della tecnologia che si ritiene possa avere una più immediata implementazione è quella illustrata in figura e si riferisce ad una ricerca dei Bell Laboratories:



    Anche se lo schema è analogo ad un comune lettore ottico, questo sistema utilizza un polimero fotosensibile trasparente al posto del comune CD e permette la registrazione di una quantità di dati enorme sfruttando i principi delle memorie olografiche, riconoscerete infatti il laser all'Argon, lo splitter, SLM e il rilevatore, questo sistema rende meno critica la questione della focalizzazione e collimazione multiangolare dei fasci perchè ha a disposizione quantità di materiale maggiore ma perde il vantaggio dell' elevata velocità di accesso ridotta notevolmente dalla tipica struttura a disco rotante; particolare ininfluente se pensiamo alle enormi applicazioni nel campo dell'archiviazione che un disco ri-scrivibile da 1TeraByte potrebbe soddisfare.

    Lettura consigliata: http://www.research.ibm.com/journal/rd/443/ashley.html

    Fabio Sonnati


    Video:
    http://www.youtube.com/watch?v=oLygW...layer_embedded
    http://www.youtube.com/watch?v=-k5nt...layer_embedded
    http://www.youtube.com/watch?v=gsBi1...layer_embedded
    http://www.youtube.com/watch?v=_n83X...layer_embedded
    http://www.youtube.com/watch?v=49Acm...layer_embedded

    Dove comprare schermi olografici
    http://www.litscreen.it/
    http://www.evolutha.com/2008/schermi_olografici.html
    http://www.schermionline.it/index.php?cPath=84

  2. #2
    up!

    Prima o poi dobbiamo fare i conti con questa tecnologia

  3. #3
    Moderatore di CMS L'avatar di kalosjo
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