Das Prinzip der Holographie ist seit Jahrzehnten bekannt, und seit langer Zeit schon wird im Bereich der holographischen Speicher geforscht. Inzwischen gibt es sogar vereinzelte Anwendungen für Speicherzwecke, etwa analoge Hologramme, die als Identifikationsmerkmale auf Geldscheinen, Kreditkarten oder Produktverpackungen dienen. Die Umsetzung in Produkte für den Speicher-Massenmarkt ist allerdings bislang nicht gelungen.
Nachdem sich der Entwicklungsfortschritt bei Festplatten in jüngster Zeit etwas verlangsamt hat, wird nun wieder intensiver nach Alternativen für die Zukunft gesucht. Holographische Speicher sind prinzipiell in der Lage, das ganze Volumen des Speicherkörpers dreidimensional zu nutzen. Die so zu erzielenden hohen Speicherdichten werden spätestens mit Einführung von HDTV (High-Definition TV) gebraucht. HDTV-Bilder oder -Filme benötigen etwa die zehnfache Speichergröße im Vergleich zu herkömmlichen Speichermedien.
Heute bezeichnet man auch flächige, aufeinander geschichtete Speichertechniken - meist in Kombination mit einem Blaulicht-Laser - als holographische Speicher. Speichertechniken, die auf Blaulicht-Laser basieren, bieten höhere Kapazitäten als die bisherige Technik und lösen zumindest mittelfristig die für die Zukunft absehbaren Kapazitätsprobleme.
Blaulicht-Laser
Die Verwendung von Blaulicht-Laser bei DVDs erlaubt auf Grund der kürzeren Wellenlängen das Schreiben sehr viel kleinerer Pits und damit eine deutliche Erhöhung der Datendichte. Der Blaulicht-Laser arbeitet dabei mit einer Wellenlänge von 405 nm, bei herkömmlicher Technik mit rotem Licht sind es 635 bis 650 nm. Den Vorteil der höheren Auflösung durch das kurzwelligere Licht kann man auch für die holographische Speicherung nutzen.
Blaues Laserlicht ist jedoch schwierig zu erzeugen. Die dafür verwendeten Laser-Materialien sind nicht besonders temperatur- und alterungsstabil. Die Forschung in diesem Bereich hält noch an. So hat die Universität Bremen in diesem Jahr zusätzliche 2,9 Millionen Euro zur weiteren Erforschung dieser Technik erhalten. Bremen war in Europa die erste und weltweit die dritte Universität, die eine blau emittierende Galliumnitrid-Laserdiode (GaN) herstellen konnte.
Die japanische Firma Nichia hat lange Zeit Pionierarbeit bei der Erforschung von Blaulicht-Laser geleistet und sammelte zahlreiche Patente an. Das wiederum führte zu vielerlei Patentstreitigkeiten zwischen Firmen und Konsortien, die alle Blaulicht-Laser-Produkte auf den Markt bringen wollen. Nach sechsjährigem Patentstreit gab es eine Einigung zwischen Nichia und Toyoda (beide aus Japan).
Blaue Variationen
Im Bereich Blaulicht-DVDs wird es wie bisher unterschiedliche Formate und die entsprechenden Kämpfe um die Marktherrschaft geben. Plasmon will mit Blaulicht etwa 30 GByte bei etwa 8 MByte/s Transferrate mit der Ultra-Density-Optical-Technik (UDO) auf eine Scheibe in DVD-Größe speichern. Weitere Generationen dieser Technik sollen dann Kapazitäten von 60 und 120 GByte erlauben.
Plasmon entwickelt Medien und Laufwerke im eigenen Unternehmen und hat für die Entwicklung 25 Millionen US-Dollar eingeplant. HP und Sony haben zeitweise an UDO mitgearbeitet. Das DVD-Forum konnte aber bisher kein einheitliches DVD-Format mit Blaulicht-Technik durchsetzen.
Sony arbeitet mit Firmen wie Hitachi, Philips und vielen anderen an der Blue-ray-Disc-Technik (BD) mit etwa 27 GByte Datenspeicher-Kapazität. BD-Medien sind nicht kompatibel zu bisherigen DVD-Medien. Die Basislizenz für BD soll es für 20.000 US-Dollar geben. Die Lizenz für den Inhaltsschutz beträgt 120.000 US-Dollar im Jahr und 10 Cent pro Laufwerk. Die Medienhersteller sollen 8000 US-Dollar im Jahr und 2 Cent pro Scheibe für den Inhaltsschutz bezahlen.
Sony hat im April 2003 die Markteinführung eines DVD-Laufwerks auf Basis von Blaulicht-Laser mit passendem Medium bei einer Speicherkapazität von 23,3 GByte und 9 MByte/s Transferrate bekannt gegeben. Das Laufwerk soll zirka 3000 US-Dollar kosten, das Speichermedium rund 45 US-Dollar.
Toshiba und NEC propagieren ebenfalls ein neues DVD-Format mit einer Kapazität von 15 bis 20 GByte auf Basis von Blaulicht-Laser-Technologie im so genannten Advanced-Optical-Disc-Format (AOD) Sanyo hat einen Vorschlag für Blaulicht-Laser-DVDs mit etwa 25 bis 30 GByte Speicherkapazität eingebracht.
Hitachi und Maxell nutzen eine andere Möglichkeit, um mehr Daten auf DVDs zu speichern. Eine Scheibe mit bis zu 200 Lagen soll in der Lage sein, ingesamt 1 TByte an Daten zu speichern. Die einzelnen Schichten sind transparent. Die jeweils aktive Schicht verfärbt sich blau, sobald eine Spannung anliegt. Die wiederbeschreibbaren Medien und die entsprechenden Laufwerke sollen etwa im Jahr 2007 auf den Markt kommen.
Geschichte holographischer Speichertechnik
Seit etwa 40 Jahren wird an holographischen Techniken geforscht, insbesondere bei IBM in San Jose, USA (Almaden-Forschungszentrum). In den neunziger Jahren spendierte die amerikanische Regierung Forschungsgelder in Millionenhöhe über DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). Diese Behörde hat auch den Vorläufer von Ethernet entwickelt.
Vor drei Jahren prophezeite die Zeitschrift "Scientific American" den holographischen Speichersystemen eine große Zukunft. Jetzt gibt es erste Anzeichen für den Einsatz von holographischen Speichern. Ein Massenmarkt ist aber vorerst nicht in Sicht.
Besonders aktiv sind die beiden amerikanischen Firmen Aprilis (Ausgründung von Polaroid) und InPhase (gegründet von Lucent und unterstützt von Imation). Die Speichermedien dieser beiden Hersteller werden derzeit von allen großen Speicherfirmen weltweit getestet.
Holographische Speichertechnik
Ein Hologramm wird durch die Interferenz (Überlagerung) von zwei Lichtstrahlen erzeugt. Meist werden beide Strahlen durch optische Teilung aus einer gemeinsamen Laserquelle erzeugt. Ein Lichtstrahl, der Objektstrahl, enthält das darauf modulierte Abbild (Bitmuster, Seite), der andere, der Referenzstrahl, besteht aus kohärentem Licht.
Die Modulation des Objektstrahls mit dem Bild oder Bitmuster geschieht in einem räumlichen Lichtmodulator (SLM = Spatial Light Modulator). Dies ist meist eine Flüssigkristall-Anordnung, ähnlich einem TFT-Bildschirm. Inzwischen kommen auch die aus Projektoren bekannten Mikrospiegel-Chips zum Einsatz.
Das entstehende dreidimensionale Interferenzmuster wird auf einem lichtempfindlichen Medium gespeichert. Dabei verändert es einen der drei Faktoren optische Durchlässigkeit, refraktiver Index oder Materialdicke. Meist nutzt man zur Speicherung einen kristallinen Körper oder einen Polymerfilm.
Das Auslesen des Abbildes erfolgt mit einem dem Referenzstrahl identischen, kohärenten Lichtstrahl. Dadurch entsteht das ursprüngliche Abbild wieder. Dessen Auswertung übernimmt in der Praxis ein CCD-Chip als Detektor-Matrix.
Bei der holographischen Speicherung sind störende Interferenzen ein großes Problem, das auch bei astronomischen Teleskopen im Weltall auftritt. Die zur Abhilfe entwickelten Fehlerkorrektur-Verfahren funktionieren fast unverändert auch bei der holographischen Speicherung.
Variationen der Holographie
Alle Vorgänge sind bei der holographischen Speicherung umkehrbar: Trifft der Referenzstrahl zum Auslesen der Daten auf das Hologramm, dann entsteht das Abbild. Bei Bestrahlung des Hologramms durch das modulierte Bild ist das Ergebnis der Referenzstrahl.
Bei Beleuchtung des Abbildes von der Rückseite mit dem Referenzstrahl entsteht das ursprüngliche Bild vor dem Lichtmodulator (Rückwärtsprojektion). Für die holographische Abbildung sind sehr teure, hoch präzise optische Linsen und Systeme erforderlich. Daher nutzt man zum Lesen die Rückwärtsprojektion und verwendet die Optik sowohl zum Lesen als auch zum Schreiben.
Das Hologramm der zu speichernden Information lässt sich über Spiegel mit veränderlichem Winkel, unterschiedlicher Wellenlänge oder mit unterschiedlichen Phasenlagen erzeugen. Dabei werden zahlreiche Datensätze gleichzeitig im kompletten Medium ablegen.
Der Effekt des Speicherns mehrerer Bilder ineinander lässt sich beispielsweise beim Betrachten der Hologramme von Kreditkarten erkennen. Bei Betrachtung unter verschiedenen Blickwinkel kann man unterschiedliche Bilder ausmachen. Bisher ist es gelungen, bis zu 10.000 Seiten (Bilder) in einem ein Zentimeter starken Material abzulegen.
Holographische Medien
Nach heutigem Stand der Technik könnten holographische Speicherscheiben in der Größe von CDs oder DVDs bei 20 MByte/s Transferrate etwa 200 GByte speichern. Im Gegensatz zu Band und Platte wird nicht ein serieller Bitstrom, sondern ein ganzer Datensatz (Seite) gleichzeitig geschrieben oder gelesen. Die Seitengröße beträgt derzeit bei quadratisch flächiger Anordnung etwa 1 MBit. Auf diese Weise wird jeweils 1 MBit in einem Schritt geschrieben oder gelesen. Damit werden die für die großen Speichermengen benötigten hohen Datentransferraten erreicht.
Das wesentliche Hindernis für die Einführung holographischer Speicher ist die Bereitstellung eines passenden Speichermediums. Viel versprechend ist ein Medium aus Glas mit winzigen Löchern, die mit Acryl gefüllt sind. Glas ist sehr volumenstabil. Die meistens verwendeten Polymermaterialien schrumpfen dagegen bei der Bearbeitung und verfälschen das Hologramm. Das acrylgefüllte Glas schrumpft weniger als ein Prozent und ist damit deutlich stabiler als Polymer. Zudem erlaubt Glas eine dickere Speicherschicht als Polymer, wodurch automatisch ein größeres Speichervolumen zur Verfügung steht.
Das am häufigsten genutzte photorefraktive Material war bisher mit Eisen dotiertes Lithium-Niobat (LiNb03). Dieses Material ist jedoch teuer und empfindlich, die Daten werden beim mehrfachen Lesen zerstört, und es besitzt nur einen kleinen Dynamik-Bereich. Mit zweifarbigem Laserlicht und stöchiometrischem sowie verschieden dotiertem Lithium-Niobat (SLN) versucht man zu erreichen, dass die Daten beim Auslesen nicht gelöscht werden. Mit der einen Lichtfarbe wird das Material aktiviert und mit der anderen Farbe wird geschrieben sowie später gelesen.
Einmal beschreibbare Photopolymere verändern den Brechungsindex durch eine nicht umkehrbare Polymersation. Dabei werden die Zusammensetzung und die optischen Eigenschaften des Materials dauerhaft verändert. Diese holographischen Medien sollten die Daten für etwa 50 Jahre halten.
Anwendungen
Bei der digitalen holographischen Speicherung wird seitenweise je ein Datenblock gespeichert. Jede Seite kann man sich als eine quadratische Scheibe vorstellen, in die das Bitmuster (Loch/Nichtloch) eingebrannt wurde. Mit jeder Winkelstellung des Referenzstrahls entsteht virtuell eine weitere Lochscheibe, je nach Winkel des Referenzstrahls davor oder dahinter. Jede virtuelle Scheibe wird mit einem kohärenten Referenzstrahl unter dem dazugehörigen Winkel ausgelesen. Das entspricht aus logischer Sicht dem Lesen und Schreiben mit herkömmlichen Medien.
Wird beim Lesen ein Suchmuster vorgeschaltet, dann kann direkt, ohne spätere Vergleichsoperation, nach Inhalt (assoziativ) ausgelesen werden. Der gesuchte Inhalt ergibt dann Korrelationsspitzen (intensiveres Licht) beim Lesen. Dies erlaubt beispielsweise Inhaltssuchen in Datenbanken besonders schnell und einfach.
Bisher sind holographische Datenmedien in der Regel nur einmal beschreibbar. Sie finden also zunächst ähnliche Einsatzgebiete wie CD- oder DVD-ROMs. Wegen der hohen Speichermengen lassen sich beispielsweise HDTV-Filme in voller Länge auf holographischen Medien ablegen.
Besonders vorteilhaft ist der Parallelbetrieb. Für höhere Datenraten muss keine Scheibe schneller gedreht werden. Die Kapazität ist nicht davon abhängig, dass immer kleinere Speicherpunkte erzeugt werden müssen.
Ed Grochowski und Hans Coufal am Almaden-Forschungszentrum von IBM erwarten erste holographische Speicherprodukte mit folgenden Eigenschaften:
Produktart | Kapazität | Zugriffszeit | Anwendung |
|---|---|---|---|
| |||
Holo-DRAM | 25 GByte | 10 µs | nichtflüchtiger Cache |
Holo-Platte | 1 TByte | 10 ms | hohe Zuverlässigkeit |
Holo-DVD | 1 TByte | 10 ms | niedrige Kosten |
Holo-Speicherarchiv | 1 PByte | 10 s | hohe Volumendichte |
Produkte und Projekte
In Sachen holographische Speichertechniken existierten zahlreiche Projekte. Nicht alle Firmen oder Startups, die an entsprechenden Lösungen arbeiteten, haben jedoch überlebt. Andere wiederum erfreuen sich weiterer kräftiger Investitionsschübe: So erhielt Aprilis von einem einzigen Investor in zwei Finanzierungsrunden insgesamt 17 Millionen US-Dollar. InPhase hat kürzlich einen Entwicklungsauftrag in Höhe von 600.000 US-Dollar von der National Technology Alliance des amerikanischen Verteidigungsministeriums bekommen. Davor sind schon etwa 8,3 Millionen US-Dollar an Investmentgeldern in das Unternehmen investiert worden. Optware in Japan wird von einer Investmentgruppe (darunter Intel) mit 4,9 Millionen US-Dollar unterstützt.
Aprilis
Der einmal beschreibbare holographische Datenträger von Aprilis aus Maynard, USA, verwendet ein zwischen zwei Glasplatten eingefügtes Speichermedium. Die Scheibe (HMD120) mit 120 mm Durchmesser nimmt etwa 200 GByte Daten auf. Eine ebenfalls entwickelte, quadratische Speicherkarte (HMC050) hat eine Kantenlänge von 50 mm. Beide Medien sind mit einer Dicke von 200 oder 300 µm verfügbar. Die Gesamtdicke mit Substrat ist 0,6 mm, 1,2 mm oder 1,55 mm. Als Datenrate wird mehr als 100 MByte/s angegeben.
Die Besonderheit ist das geometrisch extrem stabile CROP-Medium (Cationic Ring Opening Polymerization). Schreibempfindlichkeit und der refraktive Index sind sehr hoch bei sehr niedriger Lichtstreuung. Nach dem Schreiben ist das Material nicht mehr licht- oder sauerstoffempfindlich.
Aprilis hat im Jahr 2002 von Manhattan Scientifics 21 Patente über holographische Techniken aufgekauft. Mehr als 15 Firmen, darunter Sony und Samsung, haben holographische Karten und Scheiben von Aprilis zur Evaluierung angeschafft.
IBM/InPhase
Bei IBM kümmert man sich seit über 30 Jahren mehr oder weniger intensiv um die Erforschung holographischer Speicher. Dabei untersucht IBM alle denkbaren Materialien, die als holographisches Medium in Frage kommen würden. Bisher ist es in den Labors gelungen, Speicherdichten von 400 Bit/µm² zu erzeugen. Zum Vergleich: Die Speicherdichte bei CD-ROMs beträgt 0,7 Bit/µm² und 4,5 Bit/µm² bei DVDs. Das Problem des zerstörerischen Auslesens möchte man bei IBM durch unterschiedliche Wellenlängen des Laserlichts beim Schreiben und Lesen umgehen.
InPhase
Das Speichermedium Tapestry von InPhase ist ein Photopolymer mit besonders guten Holographie-Eigenschaften. Es besteht aus zwei unabhängig voneinander polymerisierbaren chemischen Komponenten. Eine Scheibe in CD-Größe mit 100 GByte Speicherkapazität und 20 MByte/s Transferrate wurde im April 2003 öffentlich vorgestellt. Bis zum Beschreiben muss sich das Medium in einer lichtdichten Kassette befinden. Entsprechende kommerzielle Produkte sollen noch im Jahr 2003 verfügbar sein.
Darüber hinaus berichtet InPhase von Tests mit bis zu 1000-mal wiederbeschreibbaren Medien. Das Unternehmen macht jedoch keine Angaben zu dem entsprechenden Material. Bisher lässt sich beispielsweise Azobenzene-Material ungefähr 60- bis 80-mal wiederbeschreiben. Von den Bell Labs hat InPhase 42 Patente mit Bezug auf holographische Speicher übernommen. Etwa 40 weitere Patente befinden sich in der Anmeldung, einige sind bereits erteilt.
Optilink
Nach eigenen Angaben hat Optilink aus Schweden weltweit als erstes Unternehmen ein tragbares Test- und Evaluierungsgerät für holographische Speicher als Peripheriegerät zu einem PC vorgestellt. Der holographische Speicher hat die Form einer Kreditkarte. Optilink nutzt die polarisierte Fourier-Holographie mit einem 2 µm dicken Flüssigkristall-Polyester als Speichermedium für eine Kapazität von 1 GByte.
Der Laser arbeitet mit einer Wellenlänge von 532 nm und mit Laserimpulsen im Picosekunden-Bereich. Die Modulation erfolgt mit einem Flüssigkristall-SLM. Der Datenstrahl wird fouriertransformiert, bevor er mit dem rechtwinklig auftreffenden Referenzstrahl das Interferenzmuster bildet.
Optilink bevorzugt Polymermaterial, vornehmlich Peptide und Flüssigkristall-Polyester (Azobenzene). Peptide sind Polymere, die unter Lichteinfluss Verbindungen mit unterschiedlichen Chromophoren eingehen. Peptide haben viele gute optische Eigenschaften und sie sind besonders temperaturstabil sowie umweltfreundlich und preiswert herzustellen.
Für das Schreiben ist bei Optilink linear polarisiertes Licht zuständig, das Löschen übernimmt zirkular polarisiertes Licht. Das Lesen und Schreiben kann mit einem Licht identischer Wellenlänge erfolgen, da die Beleuchtungsenergie für die Umorientierung des Materials unterschiedliche Intensität erfordert.
Die holographischen Verfahren erforscht Optilink in Kooperation mit dem Riso National Laboratory in Dänemark und mit der Universität für Technologie und Wirtschaft in Budapest.
Optostor/Optware
Die deutsche Firma Optostor aus Ratingen setzte zusammen mit dem Institut für Kristallografie der Universität Köln auf Lithiumkristall als Speichermedium. Bisher existieren solche Kristalle in der Größe von 50 x 50 x 3 mm. Lithium-Kristalle sind chemisch und mechanisch robust. Das verwendete Lithium-Niobat muss nach dem Beschreiben im Kristall fixiert werden. Ein Teil der etwa 20 angemeldeten Patente beschreibt das bisher nicht veröffentlichte Verfahren.
Optostor glaubt, dass die Daten bis zu 500 Jahre halten. Das Unternehmen wurde nicht so alt. Im Dezember 2002 hat Optostor Insolvenz angemeldet. Es fehlten die in den USA und Japan eher verfügbaren Millionen für die Entwicklung zum verkaufsfähigen Produkt. Die Forschungsergebnisse von Optostor werden wohl in anderen Firmen weiterentwickelt.
Optware
Das japanische Unternehmen Optware kooperiert mit den Universitäten Stanford und MIT in den USA. Investitionsgelder kommen ebenfalls aus den USA. Ziel ist es, einen Datenspeicher mit 1 TByte Kapazität und einer Datentransferrate von 1 GByte/s zu entwickeln. Darüber hinaus produziert Optware den so genannten Holographic Media Analyzer (S-VRD), ein Gerät, das die Analyse holographischer Medien erlaubt.
Ausblick
Holographische Speicherung ist rein theoretisch eine einfache Technik, die seit vielen Jahren bekannt ist. Ihre Umsetzung in praxistaugliche, preiswerte Produkte bleibt aber extrem schwierig. Das Speichermedium erweist sich als besondere Herausforderung an die Entwickler und Produzenten von holographischen Speichern.
Es muss vor dem Schreiben (Belichten) wie ein fotografischer Film lichtdicht verpackt bleiben. Bei einem wiederbeschreibbaren Medium ist vor dem erneuten Beschreiben diese Lichtempfindlichkeit wieder herzustellen. Die Daten lassen sich in holographische Medien nicht einpressen, wie bei CDs oder DVDs. Das erschwert die Vervielfältigung von Software, Filmen oder Musik für die Massenproduktion.
Mit holographischem Material beschichtete DVDs sollten etwa 1 TByte an Daten speichern können. Mit kommerziellen Produkten wird in drei bis fünf Jahren gerechnet. Nichtholographische Speicher, wie zum Beispiel 30-GByte-DVDs mit Blaulicht-Technik, stehen dagegen kurz vor der Markteinführung.
Nach Meinung der Hersteller und Experten ersetzen holographische Speicher die herkömmlichen Speicher (Band, Platte, DVD, MO) in Zukunft nicht. Lediglich in Nischenanwendungen werden holographische Lösungen diese etablierten Techniken wohl etwas verdrängen. (mje)