3D光学データストレージ

3D光データストレージは、情報を3次元解像度で記録または読み取ることができる光データストレージの形式です（ CDなどで提供される2次元解像度とは対照的です）。^{[1] [2]}

この革新技術により、 DVDサイズのディスク (120 mm)にペタバイトレベルの大容量ストレージを提供できる可能性があります。データの記録と読み取りは、メディア内でレーザーを集中させることによって行われます。ただし、データ構造の体積特性のため、レーザー光は読み取りまたは記録が必要なポイントに到達する前に他のデータ ポイントを通過する必要があります。したがって、これらの他のデータ ポイントが目的のポイントのアドレス指定に干渉しないようにするには、 何らかの非線形性が必要です。 

3D 光学データ ストレージに基づく商用製品は まだ大量市場には登場していませんが、いくつかの企業^{[どの企業]}がこの技術を積極的に開発しており、この技術が「間もなく」利用可能になると主張しています。

CDやDVDなどの現在の光データ記憶媒体は、ディスクの内面に一連の反射マークとしてデータを保存します。記憶容量を増やすために、ディスクに 2 つ以上のデータ層を保持することも可能ですが、アドレス指定レーザーはアドレス指定層への往復の途中で通過するすべての層と相互作用するため、その数は厳しく制限されます。これらの相互作用によりノイズが発生し、この技術では約 10層に制限されます。3D光データ記憶方法では、特定のアドレス指定されたボクセル(体積ピクセル)のみがアドレス指定光と実質的に相互作用するアドレス指定方法を使用することで、この問題を回避します。これには必然的に、非線形データの読み取りおよび書き込み方法、特に非線形光学が関係します。  

3D 光データ ストレージは、ホログラフィック データ ストレージと関連しており、競合しています。従来のホログラフィック ストレージの例は 3 次元に対応していないため、厳密には「3D」ではありませんが、最近ではマイクロホログラムを使用することで 3D ホログラフィック ストレージが実現されています。レイヤー選択多層技術 (多層ディスクに、たとえば電気的に個別にアクティブ化できるレイヤーがある) も密接に関連しています。

一例として、プロトタイプの 3D 光データ ストレージ システムでは、透明な DVD によく似たディスクが使用されることがあります。ディスクには多くの情報層が含まれており、各層はメディア内の異なる深さにあり、それぞれが DVD のようならせん状のトラックで構成されています。ディスクに情報を記録するために、特定の情報層に対応するメディア内の特定の深さにレーザーの焦点が当てられます。レーザーをオンにすると、メディアで光化学変化が起こります。ディスクが回転し、読み取り/書き込みヘッドが半径に沿って移動すると、DVD-R に書き込まれるのと同じように層が書き込まれます。次に、焦点の深さを変更して、まったく異なる別の情報層を書き込むことができます。層間の距離は 5 ～ 100マイクロメートルで、1 つのディスクに 100 を超える層の情報を保存できます。

この例では、データを読み戻すために同様の手順が使用されますが、今回はメディアに光化学変化を引き起こす代わりに、レーザーが蛍光を引き起こします。これは、たとえば、より低いレーザー出力または異なるレーザー波長を使用することによって実現されます。蛍光の強度または波長は、その時点でメディアに書き込まれているかどうかによって異なるため、放出された光を測定することによってデータが読み取られます。

個々の発色団分子または光活性色中心のサイズは、レーザー焦点のサイズ（回折限界によって決まる）よりもはるかに小さい。したがって、光は一度に多数の分子（場合によっては 10 ⁹個）に照射されるため、媒体は発色団の位置によって構造化されたマトリックスではなく、均質な塊として機能します。

この分野の起源は、1950年代にイェフダ・ハーシュバーグがフォトクロミック スピロピランを開発し、データストレージへの使用を提案したときに遡ります。^[3] 1970年代には、ヴァレリー・バラチェフスキーがこのフォトクロミズムが2光子励起によって生成できることを実証し^[4]、1980年代末にはピーター・M・レンツェピスがこれが3次元データストレージにつながることを示しました。^[5]データの読み取りと記録に関するさまざまな物理現象が調査され、媒体用の多数の化学システムが開発および評価され、データの読み取りと記録に必要な光学システムに関連する問題を解決するための広範な作業が行われてきました。現在、いくつかのグループがさまざまな開発レベルと商業化への関心を持ってソリューションに取り組んでいます。

3D 光ストレージ メディアにデータを記録するには、励起時にメディアに変化が起きる必要があります。この変化は一般に何らかの光化学反応ですが、他の可能性もあります。研究されている化学反応には、光異性化、光分解と光退色、重合開始などがあります。最も研究されているのは、アゾベンゼン、スピロピラン、スチルベン、フルギド、ジアリールエテンなどのフォトクロミック化合物です。光化学変化が可逆的であれば、少なくとも原理的には、書き換え可能なデータ ストレージを実現できます。また、データが「オン」と「オフ」の信号ではなく「グレースケール」で書き込まれるマルチレベル記録も技術的に可能です。

非線形光学現象は数多くありますが、多光子吸収だけが、分子種を電子的に励起し化学反応を引き起こすのに必要な大きなエネルギーを媒体に注入することができます。2光子吸収はこれまでで最も強い多光子吸収ですが、それでも非常に弱い現象であり、媒体の感度が低くなります。そのため、2光子吸収断面積の高いクロモフォアを提供することに多くの研究が行われてきました。^[6]

2 光子吸収による書き込みは、書き込みレーザーを光化学書き込みプロセスが必要なポイントに焦点を合わせることで実現できます。書き込みレーザーの波長は、媒体によって線形に吸収されないように選択され、そのため焦点以外では媒体と相互作用しません。焦点では、2 光子吸収が顕著になります。これは、レーザーフルエンスの 2 乗に依存する非線形プロセスであるためです。

2 光子吸収による書き込みは、2 つのレーザーを同時に動作させることによっても実現できます。この方法は通常、一度に情報を並行して書き込むために使用されます。1 つのレーザーがメディアを通過し、線または平面を定義します。次に、2 番目のレーザーを、書き込みが必要な線または平面上のポイントに向けます。これらのポイントでのレーザーの同時動作により、2 光子吸収が励起され、書き込みの光化学反応が起こります。

メディア感度を向上させるもう 1 つの方法は、共鳴2 光子吸収 (「1+1」または「連続」2 光子吸収とも呼ばれる) を使用することです。非共鳴 2 光子吸収 (一般的に使用される) は弱い吸収です。励起が起こるためには、2 つの励起光子がほぼ同時にクロモフォアに到達する必要があります。これは、クロモフォアが 1 つの光子とだけ相互作用できないためです。ただし、クロモフォアが 1 つの光子の (弱い) 吸収に対応するエネルギー レベルを持っている場合は、これを踏み石として使用して、光子の到着時間に自由度を持たせ、感度を大幅に高めることができます。ただし、この方法では、非共鳴 2 光子吸収と比較して非線形性が失われます (各 2 光子吸収ステップは基本的に線形であるため)。そのため、システムの 3D 解像度が損なわれるリスクがあります。

マイクロホログラフィーでは、集束した光線を使用して、通常は共線光線によって光屈折材料にサブミクロンサイズのホログラムを記録します。書き込みプロセスでは、他の種類のホログラフィックデータストレージで使用されるものと同じ種類の媒体が使用され、2光子プロセスを使用してホログラムが形成される場合があります。

データは、商業データ配信用のほとんどの光ディスク形式と同様に、メディアの製造時に作成されることもあります。この場合、ユーザーはディスクに書き込むことができません。これはROM形式です。データは非線形光学方式で書き込まれることもありますが、この場合は非常に高出力のレーザーの使用が許容されるため、メディアの感度はそれほど問題になりません。

3D 構造に成形または印刷されたデータを含むディスクの製造も実証されています。たとえば、3D でデータを含むディスクは、1 つの情報層が成形または印刷された多数の薄いディスクを挟み込むことによって構築できます。作成された ROM ディスクは、3D 読み取り方法を使用して読み取ることができます。

3 次元でデータを書き込むための他の手法も検討されています。

持続的スペクトルホールバーニング (PSHB) により、スペクトル多重化が可能になり、データ密度が向上します。ただし、PSHB メディアでは現在、データ損失を回避するために極低温を維持する必要があります。

高強度レーザー照射によって媒体内に微細な気泡が導入される空隙形成。^[7]

クロモフォアポーリングは、レーザー誘起によるメディア構造内のクロモフォアの再配向によって読み取り可能な変化が生じる現象である。^[8]

3D 光メモリからのデータの読み取りは、さまざまな方法で行われてきました。3D 解像度を得るために光と物質の相互作用の非線形性を利用する方法もあれば、メディアの線形応答を空間的にフィルタリングする方法を使用する方法もあります。読み取り方法には次のものがあります。

2 光子吸収（吸収または蛍光のいずれかの結果）。この方法は本質的に2 光子顕微鏡法です。

共焦点検出による蛍光の線形励起。この方法は本質的には共焦点レーザー走査顕微鏡です。2 光子吸収よりもはるかに低いレーザー出力で励起できますが、アドレス指定光がアドレス指定されているデータ ポイントに加えて他の多くのデータ ポイントと相互作用するため、潜在的な問題があります。

2 つのデータ状態間の屈折率の小さな差を測定します。この方法では通常、位相差顕微鏡または共焦点反射顕微鏡を使用します。光の吸収は必要ないため、読み取り中にデータが損傷するリスクはありませんが、ディスク内で必要な屈折率の不一致により、集束スポットの品質を損なうランダムな波面エラーが蓄積されるため、メディアが到達できる厚さ (つまり、データ層の数) が制限される場合があります。

第二高調波発生は、分極ポリマーマトリックスに書き込まれたデータを読み取る方法として実証されている。^[9]

光干渉断層撮影法も並列読み取り法として実証されている。^[10]

3D 光ストレージ メディアのアクティブ部分は、通常、光化学的に活性な種がドープまたはグラフトされた有機ポリマーです。あるいは、結晶性 材料やゾルゲル材料も使用されています。

3D 光学データ ストレージ用のメディアには、ディスク、カード、クリスタルなど、いくつかのフォーム ファクターが提案されています。

ディスク メディアは CD/DVD から進化したもので、一般的な回転ディスク方式で読み取りと書き込みを実行できます。

クレジットカードフォーム ファクタ メディアは、携帯性と利便性の観点からは魅力的ですが、ディスクよりも容量が低くなります。

何人かのSF作家は、膨大な量の情報を保存する小さな固体を提案しており、少なくとも原理的には、これは5D光学データストレージで実現できる可能性がある。

最も単純な製造方法であるディスクを一体 成形する方法は、一部のシステムでは可能です。より複雑なメディア製造方法は、メディアを層ごとに構築することです。これは、製造中にデータを物理的に作成する場合に必要です。ただし、層ごとに構築するということは、多くの層を挟み込むことを意味するわけではありません。別の方法としては、ロール状の粘着テープに似た形でメディアを作成することです。^[11]

3D 光学データ ストレージ メディアの読み取りと書き込み用に設計されたドライブは、特にメディアのフォーム ファクタとデータ構造が CD または DVD に類似している場合、CD/DVD ドライブと多くの共通点を持つ可能性があります。ただし、このようなドライブを設計する際には、考慮しなければならない顕著な違いがいくつかあります。

特に 2 光子吸収を利用する場合、高出力レーザーが必要になることがありますが、これはかさばり、冷却が難しく、安全性の問題を引き起こす可能性があります。既存の光学ドライブは、 780 nm、658 nm、または 405 nm で動作する連続波 ダイオード レーザーを使用しています。3D 光学ストレージ ドライブには、ソリッド ステート レーザーまたはパルス レーザーが必要な場合があり、いくつかの例では、532 nm (緑) など、これらの技術で簡単に利用できる波長を使用しています。これらの大型レーザーは、光学ドライブの読み取り/書き込みヘッドに統合するのが難しい場合があります。

システムは媒体のさまざまな深さに対応する必要があり、深さによって波面に生じる球面収差が異なるため、これらの違いを動的に考慮する方法が必要です。光路に入れ替える光学素子、可動素子、適応光学、浸漬レンズなど、考えられる方法は多数あります。

3D 光データ ストレージ システムの多くの例では、複数の波長 (色) の光が使用されます (例: 読み取りレーザー、書き込みレーザー、信号。書き込みのためだけに 2 つのレーザーが必要になる場合もあります)。したがって、光学システムは、高いレーザー出力と可変の球面収差に対処するだけでなく、必要に応じてこれらの異なる色の光を組み合わせたり分離したりする必要があります。

DVD ドライブでは、ディスクから生成される信号はアドレス指定レーザー ビームの反射であるため、非常に強力です。ただし、3D 光ストレージの場合、信号はアドレス指定される小さなボリューム内で生成される必要があるため、レーザー光よりもはるかに弱くなります。さらに、蛍光はアドレス指定ポイントから全方向に放射されるため、信号を最大化するには特殊な集光光学系を使用する必要があります。

Z 軸に沿って識別されると、DVD のようなデータの個々の層に、DVD と同様の方法でアクセスして追跡できます。並列またはページベースのアドレス指定を使用する可能性も実証されています。これにより、データ転送速度が大幅に向上しますが、空間光変調器、信号イメージング、より強力なレーザー、およびより複雑なデータ処理などの追加の複雑さが必要になります。

3D 光学データ ストレージは非常に魅力的であるにもかかわらず、商用製品の開発には長い時間がかかっています。これは、この分野における資金援助が限られていることと、次のような技術的な問題が原因です。

破壊的な読み取り。データの読み取りと書き込みはレーザー ビームで実行されるため、読み取りプロセスで少量の書き込みが発生する可能性があります。この場合、データの繰り返し読み取りによって、最終的にデータが消去される可能性があります (一部の DVD で使用されている相変化材料でも、この現象が発生します)。この問題は、各プロセス (読み取りと書き込み) に異なる吸収帯を使用する、エネルギーの吸収を伴わない読み取り方法を使用するなど、さまざまなアプローチで対処されてきました。

熱力学的安定性。起こっていないように見える多くの化学反応は、実際には非常にゆっくりと起こります。さらに、起こったように見える多くの反応は、ゆっくりと元に戻る可能性があります。ほとんどの 3D メディアは化学反応に基づいているため、書き込まれていないポイントがゆっくりと書き込まれるか、書き込まれたポイントがゆっくりと書き込まれていない状態に戻るリスクがあります。この問題はスピロピランの場合に特に深刻ですが、3D メモリ用のより安定したクロモフォアを見つけるために広範な研究が行われました。

メディア感度。2光子吸収は弱い現象であるため、通常、これを生成するには高出力レーザーが必要です。研究者は通常、励起を実現するためにTi-サファイア レーザーまたはNd:YAG レーザーを使用しますが、これらの機器は消費者向け製品での使用には適していません。

3D 光学データ ストレージの開発の多くは大学で行われています。貴重な情報を提供してくれたグループは次のとおりです。

• Peter T. Rentzepis はこの分野の創始者であり、最近、破壊的な読み出しを必要としない材料を開発しました。
• ワット・W・ウェッブはベル研究所で二光子顕微鏡を共同開発し、光屈折媒体への3D記録を実証した。
• 入江正弘は、ジアリールエテン系のフォトクロミック材料を開発した。^[12]
• 河田義正、河田聡、ゾウヘイル・セカットは、特に分極反転ポリマーシステムを含むいくつかの光学データ操作システムを開発し、研究してきました。^[13]
• ケビン・C・ベルフィールドは、分子間の共鳴エネルギー移動を利用した3D光データストレージ用の光化学システムを開発しており、また、高2光子断面積材料も開発している。^[14]
• セス・マーダーは、高二光子断面積クロモフォアの分子設計に対する論理的アプローチを開発する初期の研究の多くを担当しました。
• トム・ミルスターは3D光学データストレージの理論に多大な貢献をしてきました。^[15]
• ロバート・マクラウドは、3D 光学データ保存におけるマイクロホログラムの使用を調査しました。
• ミン・グは共焦点読み出しとその強化法を研究した。^{[16] [17]}

学術研究に加えて、3D 光データ ストレージを商業化するためにいくつかの企業が設立され、いくつかの大企業もこの技術に興味を示しています。ただし、ハード ドライブ、フラッシュ ストレージ、ホログラフィック ストレージなど他の分野との競争がある中で、この技術が市場で成功するかどうかはまだ明らかではありません。

• Call/Recallは、ピーター・レンツェピスの研究を基に1987年に設立されました。2光子記録（6.5ps、7nJ、532nmのパルスで25Mbit/s）、1光子読み出し（635nm）、高NA（1.0）液浸レンズを使用して、  1.2mm厚のディスクに200層で1TBを保存しました。 ^[18]彼らは、新しい材料と高出力パルス青色レーザーダイオードを開発することで、1年以内に容量を5TB以上に、データレートを最大250Mbit/sに向上させることを目指しています。
• メンパイルはテラディスクという名の商用システムを開発している。2007年3月、同社は0.6mm厚のディスクに100層の情報を記録・再生し、クロストークが低く、感度が高く、熱力学的に安定していることを実証した。^[19]同社は2010年に赤色レーザー0.6～1.0TBの消費者向け製品を発売する予定で、5TBの青色レーザー製品へのロードマップも持っている。^[20]
• コンステレーション3Dは1990年代末に、層ごとに製造されるROMディスクである蛍光多層ディスクを開発しました。同社は2002年に倒産しましたが、その知的財産( IP )はD-Data Inc. ^[21]に買収され、同社はそれをデジタル多層ディスク(DMD)として導入しようとしています。
• Storex Technologies は、蛍光感光ガラスとガラスセラミック材料をベースにした 3D メディアを開発するために設立されました。この技術は、同社の創設者兼 CEO でもあるルーマニアの科学者Eugen Pavelの特許から派生したものです。ODS2010 カンファレンスでは、ペタバイト光ディスクの 2 つの非蛍光方式による読み取りに関する結果が発表されました。
• ランダウアー社は、サファイア単結晶基板における共鳴二光子吸収に基づくメディアを開発している。2007年5月、同社は各マークに2nJのレーザーエネルギー（405nm）を使用して20層のデータを記録することを明らかにした。読み取り速度は蛍光寿命のため10Mbit/sに制限されている。^[22]
• Colossal Storage は、遠紫外線レーザーを使用した光子誘起電界ポーリングに基づく 3D ホログラフィック光ストレージ技術を開発し、現在のデータ容量と転送速度を大幅に向上させることを目指していますが、これまでのところ、実験研究や実現可能性調査は発表されていません。
• マイクロホロスはベルリン大学でスザンナ・オルリック教授の指導の下運営されており、4.5マイクロメートル間隔で最大75層のマイクロホログラフィックデータの記録を実現しており、1層あたり10GBのデータ密度を示唆している。^{[23] [24]}
• 3DCDテクノロジー社は、ダニエル・デイとミン・グが特定した材料に基づいた3D光ストレージ技術を開発するために設立された大学のスピンオフ企業です。^[25]
• 富士、リコー、松下などの大手テクノロジー企業数社は、3D光データストレージなどの用途に向けた2光子応答性材料の特許を申請しているが、完全なデータストレージソリューションを開発しているという兆候は示していない。

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