27

Лекция 12 Локальная и распределенная запись информации Локальная (побитовая) запись

Одной из наиболее важных задач в системах записи и хранения информации является проблема увеличения плотности записи. Следует разделять два основных способа записи: локальную (или побитовую) запись и распределенную (голографическую) запись информации. В случае побитовой записи каждый элемент этой записи соответствует одному биту информации записанной в двоичном коде, то есть «0» или «1». Реализация такого типа записи в оптических системах подразумевает не только оптическую запись, но и оптическое считывание информации. В процессе оптического считывания информации, например, на вращающемся диске последовательность изменений интенсивности отраженного света преобразуется в двоичные данные, которые далее попадают в процессор цифровых данных для их обработки и получения исходных данных.

Рис.4.1. К расчету плотности записи на оптический диск

Пределы плотности записи на оптические диски связаны с дифракционными ограничениями, которые определяют минимальную площадь пятна S при записи/считывании (см. рис.4.1):

S(/NА)² (4.1)

где  - длина волны излучения

NА – числовая апертура (NA=nsin )

Соответственно, плотность записи будет обратно пропорциональна размеру пятна записи.

Таким образом, как видно из формулы (1), для увеличения плотности записи следует использовать излучение на возможно более коротких длинах волн и при максимальных числовых апертурах.

Первые устройства считывания оптических дисков использовали излучение лазерных диодов на длинах волн 830-780 нм. Уменьшение длины волны до 400 нм повышает плотность записи в четыре раза.

Увеличение скорости считывания может быть достигнуто не только путем уменьшения физического размера пятна записи, но и увеличением скорости вращения оптического диска. Однако при этом значительно возрастает вероятность ошибки чтения информации. Для обнаружения и коррекции ошибок чтения записанной информации используют специальные коды коррекции ошибок, для реализации которых приходится использовать довольно значительную часть (10-15%) поверхности диска.

§ Голографическая (распределенная) запись

При голографической записи происходит сложение взаимно-когерентных волн (опорной и объектных) в результате которого происходит преобразование фазовых соотношений в амплитудную структуру интерференционной картины. Регистрация этой интерференционной картины на оптическом диске и приводит к записи голограммы.

Рис.4.2. Пример схемы для голографической записи

Для считывания голограммы используют опорную волну, дифракция которой на интерференционной структуре голограммы приводит к появлению волны, в точности соответствующей объектной волне при записи. Детектирование и декодирование (в случае цифровой записи) этой волны позволяет извлечь записанную на голографическом диске информацию. В результате того, что на голограмме одновременно можно зарегистрировать значительное количество (N) бит информации при рассмотрении предельных значений плотности записи данных, необходимо учитывать «способность» голограммы восстанавливать различные «части» объекта, количество которых в нашем случае будет равно числу одновременно записываемых битов. Поэтому минимальный размер голограммы будет определяться исходя из минимально возможного интервала в пределах которого сохраняются свойства восстановленного изображения. В таком случае, размер голограммы для записи N бит информации должен составлять не менее:

D=(N/)^1/2 (4.2)

где  - угол схождения объектной волны при записи (см. рис.4.2)

Таким образом, при =1 стерадиан (около 60⁰), =0,633 мкм (He-Ne лазер) и N=100, минимальный размер голограммы составляет D=6,3 мкм, а на площади в 1 см² можно записать до 2,510⁸ бит информации, что сравнимо с побитовой оптической плотностью записи. Однако, в случае использования трехмерных сред для записи голограмм, плотность записи может значительно превышать это значение, поскольку на один и тот же участок диска записывают одновременно много голограмм, отличающихся либо длиной волны записи, либо направлением опорной волны. В настоящее время на полимерном материале толщиной 1 мм достигнута плотность записи до 10¹⁰ бит/см². Теоретический предел для объемной записи оценивается примерно в 1 Тбит/см² (10¹² бит/см²).

Одним из важнейших свойств голографической записи является то, что при записи большого числа объектных волн (каждая из которых в нашем случае представляет один бит информации) каждая из этих волн распределена по всей площади голограммы. Таким образом, повреждение или утрата части голограммы будет приводить лишь к уменьшению уровня сигнала при её считывании, не нарушая при этом целостности картины восстановленных объектных волн. По этой причине, распределенная (голографическая) запись является принципиально гораздо более устойчивой к появлению каких-либо ошибок или сбоев в канале считывания.

Кроме этого, следствием такого «параллелизма» записи является «параллелизм» считывания, поскольку каждая из голограмм одновременно воспроизводит все записанные в ней данные. Это позволяет существенно увеличить не только скорость записи, но и считывания информации с оптического голографического диска.

Поэтому голографические системы памяти могут быть легко интегрированы для взаимодействия с оптическими компьютерами, где реализуется принцип параллельности обработки информации. Параллельный доступ ко всей информации, хранящейся в голографическом запоминающем устройстве, делает возможным извлечение полезной информации за время одного периода обращения, то есть существенно уменьшается время считывания.