Fachbereich 11 - Physik
Institut für Angewandte Physik
Nichtlineare Photonik (Prof. Dr. Cornelia Denz)

Hochkapazitive optische Datenspeicherung

Die Datenspeicherung ist eine der großen Herausforderungen des ständig expandierenden Multimediamarktes. Datenarchivierung in Bibliotheken, in der Medizin oder im Bereich der Kunst verlangen nach hochkapazitiven Speichern, die ganze Bildseiten auf einmal speichern können. Gleichzeitig explodiert der Speicherbedarf im digitalen Datenbereich. Videodatenbanken, Netzwerkdienste oder Satellitenkommunikation sind einige der Gebiete, in denen in Zukunft Terabytes von Daten gespeichert und in wenigen tausendstel Sekunden abrufbereit sein müssen. Compact Disks können die Datenflut derzeit gerade noch bewältigen - Standard-CD-ROM's können heute 650 Mbyte Daten speichern - den künftigen Bedarf an Speicherkapazitäten werden sie trotz neuer Entwicklungen wie der Digital Versatile Disk (DVD) jedoch bei weitem nicht abdecken können.

Volumenhologramme dagegen gelten durch ihre parallele Speicherung als die Datenspeicher der Zukunft. Je dicker das Material ist, desto exakter muss die Referenzwelle beim Auslesen mit derjenigen des Einschreibens übereinstimmen. Kleinste Änderungen im Beleuchtungswinkel, der Wellenlänge oder in der Phasenverteilung der Welle verhindern die Rekonstruktion. Diese als Bragg-Selektivität bekannte Bedingung stellt gerade das enorme Potential der Datenspeicherung dar: jede Änderung eines dieser drei Parameter, die die Eigenschaften des Volumenhologramms festlegen, ermöglicht das Einschreiben und Speichern eines neuen Bildes. Durch dieses Verfahren kann eine Vielzahl von Hologrammen an einem Ort überlagert werden, ohne sich gegenseitig zu stören. Die Vorteile dieser volumenholographischen Datenspeicher liegen auf der Hand: hohe Packungsdichten bei gleichzeitig extrem kurzen Zugriffszeiten. Ein 1 Kubikzentimeter großer Kristall kann daher theoretisch schon eine Speicherkapazität im Bereich von einem Terabyte bei Ausleseraten von Gigabyte pro Sekunde und Zugriffszeiten unter einer Millisekunde versprechen. Wegen ihrer relativ langsamen Schreibzeiten im Bereich von einigen hundert Millisekunden bis Sekunden pro Datenseite, den jedoch attraktiven, schnellen Zugriffszeiten und Datentransferraten, wird heute das Einsatzgebiet solcher Speicher insbesondere in hochkapazitiven Archivdatenbanken gesehen.

Eine der wichtigsten Aufgaben bei der Realisierung eines Speichersystems auf der Basis der Volumenholographie ist die der Adressierung der Datenseiten. Im Falle der von uns entwickelten Phasenkodierung wird die Referenzwelle lediglich in verschiedene Teilgebiete unterteilt, in denen die Welle jeweils im Vergleich zum Nachbargebiet etwas verzögert wird, so dass sich die Phasenlage der Wellen in den einzelnen Gebieten relativ zueinander ändert. So entsteht für jedes zu speichernde Bild ein charakteristisches Phasenmuster, das den gezielten und unabhängigen Zugriff auf verschiedene gespeicherte Datenseiten ermöglicht. Das Verfahren arbeitet dabei mit einer konstanten Wellenlänge und ohne Veränderung des Referenzwellenwinkels, so dass im System keine mechanisch bewegten und damit meist störanfälligen Teile benötigt werden. Darüber hinaus untersuchen wir verschiedene weitere Verfahren der Datenüberlagerung wie die Änderung eines von außen an das Material angelegten elektrischen Feldes.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft, VW-Stiftung

Beteiligte Wissenschaftler:

Dipl.-Phys. Gernot Berger, Prof. Dr. Cornelia Denz (Leiterin), Dr. Kai-Oliver Müller (TU Darmstadt), Dr. V. Petrov (TU Darmstadt) Dipl.-Phys. Franz Visinka (TU Darmstadt), Prof. Dr. T. Tschudi (TU Darmstadt)

Veröffentlichungen:

V.M. Petrov, C. Denz, A.V. Chamrey, M.P. Petrov, T. Tschudi: "Effect of a photovoltaic field on the Bragg condition in LiNbO3", OSA TOPS Vol. 62 (2001) 464 -469

C. Denz, K.-O. Müller, F. Visinka, G. Berger, T. Tschudi: Volume holographic memories promise Terabyte storage capacity, eingeladener Beitrag, Acta Grafica 5 / 2001

C. Denz: "Datenspeicher mit Potenzial", IX, Januar 2001, S. 101

V.M. Petrov, C. Denz, A.V. Chamray, M.P. Petrov, T. Tschudi: "The effect of a photovoltaic field on the Bragg condition for volume holograms in LiNbO3", Appl. Phys. B 72 (2001) 701 - 705

C. Denz, K.-O. Müller, F. Visinka, T. Tschudi: "A demonstrator platform for phase-coded multiplexing", Kapitel im Buch "Holographic Data Storage", Eds. H. Coufal, D. Psaltis, G. Sincerbox, Springer Series of Optical Sciences 76 (2000), p. 419

K.-O. Müller, G. Berger, C. Denz, T. Tschudi: "Volumenholographische Datenspeicherung mit Adressierung durch Phasenkodierung", Unimagazin Hannover, 3/4 (2000), S. 18

K.-O. Müller, C. Denz, F. Visinka, T. Tschudi: "Volume holographic storage using phase-coded multiplexing", "Shaping the Future", Tagungsband zur EXPO 2000

V.M. Petrov, C. Denz, A.V. Shamray, M.P.Petrov, T. Tschudi: "Electric field selectivity and multiplexing of volume holograms in LiNbO3", Appl. Phys. B. 71 (2000) 43

C. Denz: "Datenspeicher in Zuckerwürfelformat", Fachhefte Graph. Industrie 5 (2000) 9

C. Denz: "Speicher grenzenlos", PC Professionell Magazin, 4 /2000, S. 242

C. Denz, K.-O. Müller, F. Visinka, T. Tschudi: "Digital volume holographic data storage using phase-coded multiplexing", SPIE Proc. of the International Symposium on Optical Science, Engineering and Instrumentation 3802 (1999) 142

C. Denz: "Datenspeicher im Zuckerwürfelformat: Hologramme als Alternative zur konventionellen Datenspeicherung", eingeladener Beitrag, Expressis Verbis 4 (1999) 47

C. Denz: "Volumenhologramme - Datenspeicher der Zukunft", "Physikalische Blätter" 4 (1999), S. 55