Физико-технические основы использования акустооптики в системах голографической памяти

2
Содержание
Введение.....................................................7
»
Глава 1. Физико-технические основы систем мультиплексных
объемных ГЗУ.................................................15
1.1. Оптический и голографический методы хранения информации......15
1.1.1. Место оптической памяти среди систем хранения информации...15
1.1.2. Дисковые побитовые запоминающие устройства.................16
1.1.3. Хранение информации в голографической форме................19
1.2. Свойства систем объемной голографической памяти с учетом
характеристик устройств ввода-вывода.........................28
1.2.1. Устройства ввода информации в системах голографической памяти.............................................................28
1.2.2. Устройства вывода и адресации данных в системах голографической памяти - акустооптические дефлекторы...............33
1.2.3. Возможности записи нескольких голограмм на одну и ту же поверхность двухмерной голографической регистрирующей среды..............................................................40
) 1.3. Мультиплексирование в объемных ГЗУ как метод повышения
информационной емкости.......................................43
1.3.1. Общие принципы мультиплексирования.........................43
1.3.2. Мультиплексирование голограмм по углу в объемных средах....51
1.3.3. Мультиплексирование голограмм по длине волны света........ 56
1.3.4. Другие виды мультиплексирования ;......................... 59
1.4. Архитектура систем объемной голографической памяти с различными
видами мультиплексирования и особенности применения акустооптических дефлекторов в таких системах................67
3
1.4.1. Принципы построения ГЗУ с мультиплексированием на объемных средах......................................................67
1.4.2. Особенности применения акустооптических устройств в голографии..................................................79
1.5. Перспективы развития системы голографической памяти.
Цели и задачи исследования..................................91
Глава 2. Информационные характеристики голографических систем памяти с мультиплексированием и их физические ограничения................................................101
2.1. Информационная емкость ГЗУ с постраничным хранением информации и факторы, ее ограничивающие....................101
2.1.1. Информационная емкость светоинформационной системы........101
2.1.1. Прохождение информации через ГЗУ с постраничным хранением данных.....................................................106
2.1.2. Сигнал и шум в первой группе звеньев ГЗУ - ПВМС - составителе страниц....................................................108
2.1.3. Сигнал и шум во второй группе звеньев ГЗУ - регистрирующей среде......................................................121
2.1.4. Сигнал и шум в третьей группе звеньев ГЗУ - фоточувствительной матрице....................................................127
2.2. Скорость выборки и информационное качество ГЗУ..............132
2.2.1. Связь информационной емкости узла хранения ГЗУ со скоростью выборки информации. Информационное качество ГЗУ............132
2.2.2. Время выборки информации в ГЗУ............................135
2.3. Основные информационные характеристики ГЗУ..................145
Выводы главы 2.............................................153
4
Глава 3. Особенности использования акустооптических устройств в системах объемной голографической памяти.....................155
3.1. Возможности акустооптики по обеспечению записи и адресации
пространственно разделенных и мультиплексных голограмм 155
3.1.1. Ограничения информационной емкости ГЗУ, обусловленные применением АОД..............................................155
3.1.2. Связь параметров АОУ с быстродействием объемных ГЗУ.........160
3.2. Роль акустооптических перестраиваемых фильтров в совершенствовании информационных характеристик объемных ГЗУ..........................................................164
3.2.1.Акустооптические перестраиваемые фильтры и их основные свойства.....................................................164
3.2.2.Информационные характеристики акустооптических
перестраиваемых фильтров.....................................168
3.2.3.Применение акустооптических перестраиваемых фильтров в устройствах объемной голографической памяти..................175
3.3. Оптимизация параметров АОД с точки зрения использования их в
ОГЗУ.........................................................177
3.3.1. Параметры, подлежащие оптимизации...........................177
3.3.2. Оптимизация дифракционной эффективности.....................178
3.3.3.Оптимизация разрешающей способности..........................181
3.3.4. Оптимизация скорости переключения АОД от одного состояния к другому......................................................184
3.4. Разработка устройств памяти с хранением информации в
голографической форме........................................186
3.4.1.Устройство записи голографической информации для памяти оптических вычислительных машин..............................186
3.4.2. Быстродействующее устройство записи для голографической памяти.......................................................191
5
3.4.3. Способ записи мультиплексированных голограмм и дисковый
накопитель информации.......................................196
3.5. Экспериментальное исследование параметров АОД, предназначенных для применения в ОГЗУ........................199
3.5.1. Исследуемые компоненты и задачи исследования...............199
3.5.2. Устройство для экспериментального исследования двухкоординатных АОД.........................................202
3.5.3. Результаты экспериментального исследования двухкоординатного АОД..........................................................206
3.5.4. Использование акустооптического цифроаналогового преобразования для формирования пучков света заданной интенсивности................................................211
3.6. К вопросу об оптимизации ввода в ГЗУ и вывода из него сигналов,
прошедших акустооптическую предобработку....................216
3.6.1. Виды акустооптической предобработки данных.................216
3.6.2. Предобработка управляющих сигналов со сложным спектром с помощью акустооптических анализаторов спектра и информационные возможности такой обработки...................218
3.7. Преимущества применения акустооптических устройств в системах
голографической памяти......................................226
Выводы главы 3..............................................247
Глава 4. Особенности использования фотополимеризующихся материалов в ГЗУ в качестве регистрирующих сред.........................249
4.1. Исследование экспозиционных характеристик спекл-голограмм предварительной засветкой регистрирующего слоя...............249
4.2. Экспериментальное исследование зависимости дифракционной эффективности и отношение сигнал/шум от глубины неоднородностей предварительной засветки.....................254
6
4.3. Технические преимущества ГЗУ с применением
фотополимеризующихся носителей..............................259
Выводы главы 4..............................................265
Заключение..................................................266
Литература..................................................274
Приложение..................................................292
*
»
*
Введение
К началу XXI века объем информации, с которым приходится работать специалистам в различных областях науки и техники, возрос настолько, что на первый план выступает проблема организации хранения сверхбольших объемов информации таким образом, чтобы необходимые данные можно было бы легко найти и быстро извлечь в удобной форме. Поэтому особенно сильное развитие в последние десятилетия минувшего века получили системы памяти, работающие на различных принципах.
Несмотря на то, что наибольших успехов удалось добиться, используя хранение данных на магнитных носителях, а также на оптических носителях с использованием побитового принципа записи и считывания, в последние годы на передний план выходят исследования и разработки, посвященные применению голографического принципа для записи, хранения и выборки информации. Хотя принципы голографической памяти были разработаны, уже 40 лет назад, недостаточное развитие элементной базы долгое время препятствовало широкому развитию этого вида памяти, и только в последние годы число исследований по этой проблеме стало расти в геометрической прогрессии. Поскольку оценки предельных возможностей систем голографической памяти показывают, что она, особенно в варианте объемной голографической памяти, может обеспечить наибольшую плотность хранения информации, то актуальность исследований в этой области становится очевидной.
Особенно актуальными являются исследования, связанные с оптимизацией параметров ключевых звеньев голографической памяти. К таким можно отнести, в числе прочих, адресующие устройства и регистрирующие среды. Поскольку наилучшие результаты адресации голограмм в устройствах памяти демонстрируют акустооптические
8
дефлекторы (АОД), то с точки зрения актуальности работы постановку задачи исследований особенностей применения акустооптики в голографической памяти можно признать правильной. Столь же актуальными являются и исследования применения перспективных материалов для объемных устройств памяти - фотополимерных материалов.
Цель диссертационной работы состояла в развитии системы голографической памяти с применением акустооптического дефлектора и объемных фотополимеризующихся носителей.
Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:
- провести анализ методов построения систем памяти и выбрать перспективный вариант;
- дать комплексную оценку прохождения сигнала и шума через систему голографической памяти с учетом особенностей применения акустооптических устройств и объемных носителей для регистрации голограмм;
- определить комплекс информационных параметров позволяющий характеризовать систему голографической памяти;
- провести анализ построения систем голографической памяти с применением акустооптического дефлектора и экспериментально исследовать акустооптические дефлекторы;
- исследовать возможности использования акустооптических перестраиваемых фильтров, акустооптического анализатора спектра и многоканальных акустических модуляторов в системах голографической памяти;
- провести теоретический анализ предварительной засветки фотополимеризующихся носителей для улучшения регистрирующих характеристик;
экспериментально исследовать возможности предварительной засветки
фотополимеризующихся носителей для улучшения регистрирующих
характеристик.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1. Разработана физическая модель системы голографической памяти позволяющая провести комплексную оценку процессов прохождения сигнала и шума через звенья системы голографической памяти.
2. Впервые найден комплекс информационных параметров: информационная емкость, информационная пропускная способность и информационное качество, позволяющие характеризовать систему голографической памяти.
3. Впервые разработаны и исследованы двухкоординатные акустооптические дефлекторы на базе двух последовательных ячеек Брэгга, предназначенные для использования в системах голографической памяти.
4. Впервые показана возможность применение акустооптических перестраиваемых фильтров, многоканальных акустооптических модуляторов и акустооптических анализаторов спектра с пространственным интегрированием в голографических системах памяти, позволяющие существенно улучшить информационные характеристики этих систем.
5. Разработана математическая модель предварительной засветки фотополимеризующихся носителей и получено выражение позволяющее определить энергию предварительной засветки.
6. Разработан способ предварительной засветки фотополимерной объемной регистрирующей среды опорным пучком, позволяющий существенно улучшить информационные характеристики голографической системы памяти.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Физическая модель системы голографической памяти позволяющая
2. провести комплексную оценку процессов прохождения сигнала и шума через звенья системы голографической памяти.
3. Комплекс информационных параметров: информационная емкость, информационная пропускная способность и информационное качество, позволяющие характеризовать систему голографической памяти.
4. Результаты экспериментальных исследований по применению акустооптических дефлекторов.
5. Возможность применение акустооптических перестраиваемых фильтров, многоканальных акустооптических модуляторов и акустооптических анализаторов спектра с пространственным интегрированием в голографических системах памяти.
6. Математическая модель предварительной засветки фотополимеризующихся носителей и полученное выражение позволяющее определить энергию предварительной засветки.
7. Метод предварительной засветки фотополимерной объемной регистрирующей среды опорным пучком для существенного улучшения дифракционной эффективности записанных голограмм и повышения отношения сигнал/шум восстановленных данных, что влечет за собой улучшение информационных характеристик голографической системы памяти.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Разработанная физическая модель системы голографической памяти позволяет провести комплексную оценку процессов прохождения сигнала и шума через звенья системы голографической памяти.
2. Комплекс информационных параметров: информационная емкость, информационная пропускная способность и информационное
качество, позволяют характеризовать систему голографической памяти, представляющую собой последовательность звеньев, каждому из которых соответствует определенный физический процесс; каждому звену может быть приписан входной и выходной уровень шума, а также фактор изменения отношения сигнал/шум от входа к выходу звена.
3. Разработанные двухкоординатные акустооптические дефлекторы на базе двух последовательных ячеек Брэгга позволяют существенно улучшить информационные характеристики системы голографической памяти.
4. Применение акустооптических перестраиваемых фильтров, многоканальных акустооптических модуляторов и акустооптических анализаторов спектра с пространственным интегрированием в голографических системах памяти, позволяют существенно улучшить информационные характеристики этих систем.
5. Разработанная математическая модель предварительной засветки фотополимеризующихся носителей и полученное выражение позволяют определить энергию предварительной засветки и улучшают информационные характеристики голографической системы памяти.
6. Разработанный способ предварительной засветки
фотополимеризующейся объемной регистрирующей среды опорным пучком, позволяет существенно улучшить информационные характеристики голографической системы памяти.
Личный вклад автора. Все основные научные результаты диссертационной работы получены автором лично.
В работах научным консультантам академику ПАН КР Жумалиеву К.М. и почетному академику НАН КР Гуревичу С.Б. принадлежит постановка задачи и обсуждение результатов.
12
Совместными с Алымкуловым С.А. и Сагымбаевым А.А. являются отдельные результаты, связанные с выполнением хоздоговорных НИР и работ по договорам о научно-техническом сотрудничестве со странами СНГ, где автор также являлся научным руководителем.
I В совместных работах автору принадлежат постановка задачи, ее
экспериментальное исследование и анализ полученных результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались в ходе следующих конференций:
1. Международный семинар «Голография и оптическая обработка информации», г. Бишкек, КР, 1997.
2. Международная научно-теоретическая конференция «Проблемы и
Ф перспективы интеграции образования» г. Бишкек, КР, 1998.
3. Международная конференция, посвященная 45-летию Кыргызского технического университета им. И. Раззакова г. Бишкек, КР, 1999.
4. SPIE Annual Meeting, Denver, USA, 1999.
5. International Conference on Optolectronics and Ну bride Optical/Digital Systems for Image Processing, Lviv, Ukraine, 1999.
6. International Conference “Advanced Optical Materials and Devices”, 2000, Vilnius, Lithuania, 2000.
7. Annual Meeting “Advances in Acousto-Optics”, Brugge, Belgium, 2000.
* 8. International Forum on Wave Electronics and Its Applications,
St.Petersburg, Russia, 2000.
9. SPIE Annual Meeting, San Diego, USA, 2000.
Ю.Международная конференция «Проблемы управления и информатики», г.Бишкек, КР, 2000.
11.Annual Meeting “Advances in Acousto-Optics”, Gdansk - Jurata, Poland, 2001.
I
12.Международная конференция «Телекоммуникационные и информационные технологии. Состояние и проблемы развития» г. Бишкек, KP, 2001.
13. Между народный семинар «Голография и оптическая обработка информации» г. Бишкек, KP, 2001.
14.International Time and Frequency Forum, St. Petersburg, Russia, 2002.
По теме диссертации опубликованы 3 монографии, 26 статей и один предварительный патент Кыргызской Республики.
Структура и объем работы. Основное содержание диссертационной работы изложено на 310 страницах машинописного текста, иллюстрированного 70 рисунками, содержит 1 таблицу. Диссертационная работа включает в себя введение, четыре главы, заключение, список использованной литературы и приложение. Список литературы содержит 205 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, представлены основные результаты, показана их новизна, научная и практическая ценность, кратко изложена структура диссертации и приведены основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена анализу систем памяти. На основе анализа определено место системы голографической памяти среди других вариантов реализации систем памяти. В конце главы дается постановка теоретических и экспериментальных исследований акустооптического дефлектора и задач по конструированию, реализации и исследованию системы голографической памяти с акустооптическим дефлектором, удовлетворяющих поставленным требованиям.
Во второй главе система голографической памяти рассматривается как светоинформационная система, которая описывается определенным комплексом информационных характеристик. Анализированы особенности протекания информационных процессов в таких сложных многозвенных и многоканальных системах, какой является система голографической памяти. Определены возможные потери информации, связанные с пространственными характеристиками акустооптических дефлекторов и геометрическими особенностями постраничной записи побитовой информации в объемных носителях системы голографической памяти.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований 2-хкоординатного акустооптического дефлектора. В рамках работы проводились экспериментальные исследования 2-координатных акустооптических дефлекторов (АОД), предназначенных для применения в устройствах голографической памяти.
В четвертой главе рассматривается процессы регистрации голограмм на фотополимеризующемся носителе. Исходя из проведенных экспериментальных работ сделан вывод, что увеличение дифракционной эффективности происходит за счет однородности распределения интенсивности предварительной засветки.
В заключении перечисляются главные результаты, полученные в диссертационной работе.
15
Глава 1. Физико-технические основы систем мультиплексных объемных ГЗУ
1.1. Оптический и голографический методы хранения информации
1.1.1. Место оптической памяти среди систем хранения информации
Информация представляет собой наиболее важный продукт труда человека, и, как следствие, наиболее ценный товар на мировом рынке. На ее передачу, обработку и хранение человечество тратит больше усилий, чем непосредственно на материальное производство. Однако, оценить • количество информации стало возможным сравнительно недавно, когда
К.Шеннон развил математическую теорию связи [1] и поставил информацию в соответствие с негэнтропией - величиной, противоположной энтропии. Важное следствие такого представления -необходимость расходования энергии (в общем случае) на хранение информации в системах памяти [2], как на поддержание уровня энтропии замкнутой системы на одном уровне.
Ценность информации определяет необходимость ее хранения. Развитие средств хранения информации до второй половины XX века сводилось к экстенсивному развитию архивов и библиотек, где она содержалась на бумажном носителе; меньшая часть информации к тому времени хранилась на картинах, фотографиях, киноленте, в звукозаписи и других средствах хранения. Коренным образом положение начало меняться с появлением ЭВМ и с развитием телевидения и видеозаписи. Возникла потребность в хранении больших массивов информации таким образом, чтобы при необходимости можно было бы осуществить быстрый доступ к любой ее единице. Для этого система памяти должна быть
I
организована таким образом, чтобы каждое данное имело бы свой адрес, по которому его можно было бы вызвать в нужный момент.
Среди систем памяти, интенсивно развивающихся в последние десятилетия, видное место начали занимать системы оптической памяти. Достоинства этих систем по сравнению с устройствами хранения информации на традиционных носителях (к которым уже причисляются и магнитные) связаны с перспективными возможностями их использования в оптических компьютерах, которые, хотя по уровню развития и отстают существенно от ЭВМ на базе электронных компонентов (прежде всего в силу огромного рывка в развитии электронной технологии), но, возможно, в будущем заменят эти ЭВМ, в особенности при решении ряда специализированных задач. Вместе с тем уже сейчас оптические носителе, главным образом с побитовой памятью, находят широкое применение в обычных серийных ЭВМ.
Построение систем оптической памяти может быть выполнено в соответствии с различными физическими и методологическими принципами, а также с использованием различной архитектуры. К главнейшим видам оптической памяти можно отнести собственно оптическую (побитовую), которая регистрирует непосредственно пространственные распределения интенсивности света, и голографическую память [3,4].
Рассмотрим более подробно наиболее характерные особенности этих видов памяти.
1.1.2. Дисковые побитовые запоминающие устройства
Дисковые оптические запоминающие устройства обычно выполняют функции внешней памяти ЭВМ. По принципам записи и считывания можно выделить 3 группы оптических запоминающих устройств [3]:
а) постоянные запоминающие устройства, в которых информация записана заранее;
б) устройства, в которых на носитель однократно можно записать информацию, а считывание осуществлять многократно;
в) устройства с реверсивным носителем, в которых как запись, так и считывание реализуется многократно.
Отметим, что во всех оптических системах памяти в качестве источника света используется лазер (в наиболее распространенных устройствах - полупроводниковый).
Наибольшее распространение получили запоминающие устройства первой группы. Всем известны компакт-диски, на которых осуществлена запись аудио- и видеопрограмм, программных продуктов, книг (главным образом, справочников, энциклопедий, словарей, журналов и атласов) и многого другого. Для считывания информации используются специальные дисководы. Такая система известна, как CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory). В связи с широким распространением персональных компьютеров с такими дисководами появились первые признаки, говорящие о том, что в дальнейшем подобные устройства могут заменить (или использоваться наравне) носители информации на бумажной основе. Их преимущество перед книгами связано не только с малым форматом и с высокой скоростью нахождения нужных данных, но и с тем, что в процессе чтения можно обращаться в Интернет за дополнительными сведениями.
Вторая группа оптических запоминающих устройств включает системы, созданные по технологии WORM (Write Once - Read Multiple, т.е., однократная запись - многократное считывание). Процедура записи в таком устройстве иллюстрируется рисунком 1 [3].
Рассматриваемое устройство имеет головку записи-чтения, включающую полупроводниковый лазер, работающий в импульсном
режиме в процессе записи информации на оптический диск. Лазерный луч проходит через коллимирующую линзу и поляризующий светоделитель, на выходе которого плоскополяризованный свет направляется в сторону, перпендикулярную плоскости поляризации.
Рис.1. Схема записи-считывания в устройстве оптической побитовой памяти по технологии WORM
Затем луч проходит через четвертьволновую пластину (не показана на рисунке), которая изменяет направление поляризации таким образом, что для луча, дважды прошедшего через эту пластину, оно оказывается перпендикулярным первоначальному. После этого луч фокусируется на тонкий записывающий слой толщиной до ЮОнм.
В процессе записи луч создает микроуглубления и другие нарушения поверхности слоя, несущие необходимую информацию, как правило, в цифровом виде. При считывании отраженный луч несет информацию об
особенностях поверхности слоя, которая воспринимается детекторами и поступает на дальнейшую обработку.
К третьей группе устройств могут быть отнесены устройства, в которых используются реверсивные носители информации. Как правило, технология оптической памяти в таких системах связана с эффектами поворота плоскости поляризации или фазы отраженного света в зависимости от интенсивности света, воздействующего на носитель.
Наиболее распространенными являются устройства, использующие магнитооптический эффект Керра, который состоит в повороте плоскости поляризации света под воздействием магнитного поля. Примером среды, в которой реализуется такой эффект, служит сплав тербий-железо-кобальт.
Дисковые оптические устройства хранения информации позволяют хранить информацию с большой плотностью как в цифровом, так и в аналоговом виде (до Ю10 бит). Вместе с тем потребность в современных системах памяти такова, что необходимо обеспечивать емкость как минимум на порядок большую, одновременно добиваясь более высокой, чем у дисковых оптических систем, скорости произвольного доступа к информации, а также меньшего времени передачи одного бита информации [4].
Такие задачи могут быть решены с применением голографических запоминающих устройств (ГЗУ).
1.1.3. Хранение информации в голографической форме
Информационные характеристики голографической записи позволяют предположить, что с ее помощью можно добиться более высоких информационных характеристик систем памяти. В принципе, побитовая оптическая запись позволяет получить ту же плотность информации, что и голографическая, даже иногда большую, поскольку
информационная избыточность голограмм заставляет записывать большее количество информации, чем это необходимо. Вместе с тем запись голограмм в трехмерных средах позволяет использовать также и третье измерение регистрирующей среды, что приводит к резкому увеличению объема информации, хранимого в регистрирующем материале заданной площади. Оценки показывают [5], что в системах объемной голографической памяти существует возможность хранения информации не менее 1012 бит со скоростью ее передачи 109бит/с, а также с возможностью осуществления произвольной выборки за время 100 и менее микросекунд.
Впервые метод записи голограмм в объемной среде был предложен Ю.Н.Денисюком [6,7]; этот метод предусматривал формирование голограмм при встречном распространении объектного и опорного пучка. Почти одновременно Ван Хирден [8] рассмотрел теорию и принципы построения трехмерного устройства памяти. Эта работа определила направление развития объемной голографической памяти на десятилетия вперед, поэтому рассмотрим ее подробнее.
В качестве примера объемной запоминающей среды Ван Хирден рассматривает щелочногалоидные кристаллы с центрами окрашивания, обесцвечивающимися под воздействием записывающего света. Предполагается, что в таком кристалле полное поглощение света для заданного цвета составляет 10%.
Предположим также, что обесцвечивание кристалла происходит неоднородно по его объему. Это может быть вызвано действием освещающего света который поглощается в кристалле, причем степень обесцвечивания пропорциональна интенсивности поглощаемого света. Предполагается также, что процесс обесцвечивания связан с освещением кристалла двумя лучами света, представленными векторами А0 и А1 (см. рис. 2). Здесь представлены два луча, которые впоследствии в голографии
стали рассматриваться как объектный и опорный. Они направлены по-разному, но имеют одну и ту же длину волны.
Если в дальнейшем обесцвеченный кристалл освещается только лучом А0, и дальнейшим обесцвечиванием при этом можно пренебречь, то из кристалла, как и в случае плоских голограмм, будет исходить сильная дифракционная плоская волна в начальном направлении А{. Это явление по существу представляет собой дифракцию Брэгга, так как при исходном обесцвечивании интерферирующие пучки А0 и А1 сформировали в кристалле объемную дифракционную решетку таким образом, что при вторичном освещении лучом А0 условие Брэгга выполняется автоматически.
Волна А] может быть плоской, как показано на рис.2, но может и нести информацию об объекте, заключающуюся в модуляции как амплитуды, так и фазы этой волны. Автор работы [8] рассматривает конфигурацию, в которой информация от объекта модулирует эту волну таким же образом, как и черно-белый транспарант, установленный перед кристаллом.
Рис.2. Формирование интерференционной картины, обесцвечивающей кристалл, с помощью двух световых волн А0 и А,.
Окрашенный кристалл
интерферен-
ционная
хартина
22
Рис.З. Регистрация изображения, помещенного в плоскость Оу в кристалле путем обесцвечивания.
Схема формирования записанного изображения в кристалле в виде интерференционной картины (голограммы в трехмерной среде) показана на рис. 3. Черно-белый транспарант, содержащий информацию о регистрируемом объекте, освещается параллельным пучком света с комплексной амплитудой А0. Информация, содержащаяся в транспаранте, может рассматриваться как набор элементарных дифракционных решеток, на которых исходный свет дифрагирует. При этом большая часть света остается в нулевом дифракционном порядке, т.е., волна А0 проходит через транспарант без изменений (не считая ослабления, которое принимается незначительным).
Вместе с тем возникают также волны А1, А2,... Ап, которые являются результатом дифракции на соответствующих элементарных дифракционных решетках. Вся совокупность волн, проходя через кристалл, обесцвечивает его интерференционными полосами, образованными прошедшей волной А0 с каждой из дифрагированных волн (в силу малости амплитуды дифрагированных волн мы пренебрегаем полосами, образованными их взаимным наложением).
Объект
кристалл
Фокальная игсдратение плоскость
I
Если обесцвеченный кристалл осветить лучом А0, то в кристалле вновь возникнут все волны Аь А2,... А„, которые были созданы благодаря дифракции на исходном транспаранте.
Рассмотренная процедура представляет собой запись и восстановление голограмм в объеме кристалла. При этом, по мнению автора [8], тот факт, что в объемной среде происходит запоминание 2-мерных изображений, свидетельствует о неполном использовании возможности хранения информации в среде. В общем случае это может оказаться и не так, поскольку объем информации в 2-мерном изображении может оказаться таким большим, что для его запоминания потребуется полная информационная емкость среды, но в этом случае запись не будет осуществляться таким прямым способом, как показано на рис. 3.
Как правило же, в кристалле существует возможность записать большое количество голограмм, если вводить исходные изображения в виде световых потоков с различными длинами волн либо в различных направлениях. При этом имеется в виду направление волны А0, т.е., с точки зрения традиционного голографического процесса, направление распространения опорного пучка.
Рассмотрим интерференционную картину, возникающую в результате взаимодействия волн Ао и Ар Интенсивность света может быть описана выражением
/ = 6(АоА1 +А0А1), (1-1)
где знак * соответствует комплексно-сопряженным величинам, а Ъ -постоянная величина.
Эта картина может быть представлена в пространстве моментов (см. рис. 4) в виде вектора (£Д,р) = (к\ - к0, 1\ - /о, т\ - т0). Здесь к\, 1\, тх определяются из выражения для комплексной амплитуды световой волны
А| = Люехр[і(кїх + І у +тр + со»г)]-
(1-2)
Если сложить этот вектор с вектором (ко, /о, '«о), описывающим направление луча А0, то можно получить вектор (к\9 /ь т\) дифрагированной волны А\. В то же время, если осветить кристалл, содержащий обесцвеченные области, лучом света с вектором (ко\ /о\ ^0’), имеющим то же направление, что и волна А0, но другую частоту, то дифрагированная волна не возникает, поскольку для света с другой частотой не соблюдается условие Брэгга.
Следствием этого факта является то, что в одном и том же объеме кристалла возможно записывать и хранить одновременно много интерференционных картин, не опасаясь перекрестных искажений. Ограничением по количеству записываемых картин является размер динамического диапазона среды записи.
Интерференционные картины также могут быть зарегистрированы в одном и том же объеме подобной структуры в случае, когда запись осуществляется пучками света, имеющими одинаковую частоту, но разные направления. В этой ситуации также волной Ао’ невозможно восстановить изображение, записанное волной А0, так как несовпадение направлений также приводит и к невыполнению условия Брэгга.
Ограничение по количеству регистрируемых интерференционных картин здесь также связано с динамическим диапазоном среды записи, но для этого варианта существует также и дополнительное ограничение, связанное с расхождением пучка света.
25
Рис. 4. Векторы освещающих волн света различных частот и направлений
В работе [8] также проведен предварительный анализ информационной емкости запоминающего устройства на изложенном принципе. Расчет информационной емкости включает в себя определение числа независимых информационных каналов, которые в случае рассматриваемой структуры могут быть определены следующим образом. Волна, движущаяся в направлении (к\91\, т\)9 через отверстие размером а х
л
а см , создает дифракционную картину с телесным углом, примерно
л л ^
равным X 1а . Таким образом, примерно а /X разных направлений могут быть различены, если не вдаваться в особенности критерия различения.
Аналогично можно определить число независимых длин волн, которые могут быть зафиксированы в кристалле, причем оно зависит от толщины кристалла с1. Исходя из того, что разрешающую способность дифракционной решетки по длине волны принято определять величиной сИХо (Хо - средняя длина волны), можно считать, что общее число независимых запоминающих элементов среды в рассматриваемом случае равно п = а2с!А 03.
I
26
Информационную емкость устройства автор работы [8] определяет как произведение числа независимых запоминающих элементов на двоичный логарифм отношения сигнал/шум.
► J=nй\o&m, (1-3)
где величины 5 и N - значения сигнала и шума, соответственно. Это определение сформулировано по аналогии с определением количества информации по Шеннону [1]. Из выражения (1-3) следует, что единица информации считается переданной, если отношение сигнал/шум равно единице. Это, вообще говоря, неточно, и для более корректной оценки ф количества переданной информации необходимо вводить понятие
вероятности различения (неразличения) единицы информации, что будет сделано ниже.
Тем не менее, оценка информационной емкости устройства осуществлена исходя из описанных выше предположений, причем за основной источник шума в рассматриваемой структуре принято случайное распределение центров окрашивания в кристалле. Считая, что флуктуации числа центров окрашивания в элементарном объеме распределены по нормальному закону, автор [8] осуществил количественную оценку * информационной емкости. Она для кристалла размером 1x1x1 см3 с
плотностью центров окрашивания 1015 на кубический сантиметр для длины волны 1 мкм оказалась приближенно равной 1013 бит.
Очевидно, эта оценка не вполне адекватно отражает объем информации, который может содержаться в этой структуре. Причины этого следующие:
1. Размер элементарного объема зависит от его расположения по толщине кристалла. Начиная с некоторой величины дальнейшее
»
увеличение толщины не приводит к росту информационной емкости.
2. Рассматриваемая оценка игнорирует другие источники шума, которые могут оказаться весьма существенными.
3. Отношение сигнал/шум, равное единице, может оказаться недостаточным для надежного различения записанной информации.
Таким образом, требуется развить специальный метод определения информационной емкости устройств записи информации в объемных структурах, основанный на вероятностном подходе к распознаванию единицы информации.
Развивая предложенный метод, автор работы [8] рассмотрел возможность использования трехмерного накопителя информации в качестве ассоциативного запоминающего устройства. Ассоциативная память [4] может быть охарактеризована специфическим способом выборки информации, в котором не участвует сигнал адреса. При ассоциативном способе организации памяти доступ к данным осуществляется с помощью одновременного обращения ко всему массиву с запросом на соответствие какому-либо признаку. В результате такого одного обращения, из массива извлекается информация, удовлетворяющая этому признаку [9]. Принципы ассоциативной памяти и основные типы ее реализации в голографическом исполнении будут рассмотрены ниже.
Завершая анализ работы [8], отметим, что ее автор оценил объем информации, который можно записать голографически в объемной среде (для частного случая регистрации информации с использованием явления обесцвечивания). При этом, однако, не указывается, каким образом осуществляется ввод и вывод информации в систему записи и выборки. Можно предположить, что устройства ввода-вывода создадут
28
дополнительные ограничения, накладываемые на количество информации, обрабатываемое системой.
1.2. Свойства систем объемной голографической памяти с учетом
* характеристик устройств ввода-вывода
1.2.1. Устройства ввода информации в системах голографической памяти
Для того, чтобы реализовать хранение и выборку информации в системе голографической памяти, необходимо, чтобы ГЗУ было оснащено
щ устройствами ввода и вывода информации. Данные для хранения могут
вводиться в систему как в световом, так и в несветовом виде. Общим элементом для различных ГЗУ, обеспечивающим ввод информации в устройство, является, как правило, пространственно-временной модулятор света (ПВМС) с оптической, электронной или иной адресацией [4]. ПВМС обеспечивает геометрическое выстраивание одновременно записываемых данных таким образом, чтобы их было бы удобно записывать в виде соответствующих субголограмм в каждой конкретной конфигурации ГЗУ. Кроме того, информация, вводимая в ГЗУ с помощью ПВМС, может
* оперативно стираться в пределах самого модулятора и сменяться новым набором данных. Это выгодно отличает ПВМС от таких стандартных средств ввода данных как транспаранты, которые требуют механической замены для ввода нового набора данных.
Развитие ПВМС насчитывает уже около 30 лет, и за это время разработано огромное количество их типов [10-12]. Можно назвать несколько десятков физических принципов, на которых основана работа ПВМС. Общим для всех этих принципов является то, что свет,
* проходящий через тот или иной ПВМС, претерпевает модуляцию по