ホログラフィックデータストレージ

ホログラフィック データ ストレージは、大容量データストレージの分野で有望な技術です。磁気および光学データ ストレージ デバイスは、個々のビットを記録媒体の表面に個別の磁気または光学的変化として保存することに依存していますが、ホログラフィック データ ストレージは、媒体の体積全体にわたって情報を記録し、異なる角度の光を使用して同じ領域に複数の画像を記録できます。

さらに、磁気および光学データストレージは情報をビット単位で線形に記録しますが、ホログラフィックストレージは数百万ビットを並行して記録および読み取ることができるため、従来の光学ストレージよりも高いデータ転送速度を実現します。^[1]

ホログラフィック データ ストレージには、厚い感光性光学材料内の光干渉パターンを使用して情報が格納されます。単一のレーザービームからの光は、暗いピクセルと明るいピクセルの 2 つ以上の個別の光パターンに分割されます。参照ビームの角度、波長、またはメディアの位置を調整することで、多数のホログラム (理論上は数千) を単一のボリュームに保存できます。

保存されたデータは、ホログラムの作成に使用されたのと同じ参照ビームの再生を通じて読み取られます。参照ビームの光は感光性材料に焦点を合わせ、適切な干渉パターンを照らし、干渉パターンで光が回折し、パターンを検出器に投影します。検出器は、一度に100万ビットを超えるデータを並列に読み取ることができるため、データ転送速度が速くなります。ホログラフィックドライブ上のファイルには、0.2秒未満でアクセスできます。^[2]

ホログラフィック データ ストレージは、企業に情報を保存およびアーカイブする方法を提供します。一度書き込み、何度も読み取り ( WORM ) するデータ ストレージ アプローチは、コンテンツのセキュリティを確保し、情報が上書きまたは変更されるのを防ぎます。メーカー^{[誰が? ]は、このテクノロジにより、現在の}データ ストレージオプション^{[疑わしい–議論する]}をはるかに超えて、50 年以上にわたって劣化することなくコンテンツを安全に保存できると考えています。この主張に対する反論は、データ リーダー テクノロジの進化が、過去数十年間で 10 年ごとに変化しているというものです。この傾向が続くと、1 つの形式で 50～100 年間データを保存できるということは無関係になります。なぜなら、わずか 10 年後にデータを新しい形式に移行することになるからです。ただし、主張されているストレージの寿命は、過去に、ストレージ メディアの短期的な信頼性の重要な指標であることが証明されています。CDなどの現在の光学フォーマットは、（評判の良いメディアメーカーが使用されている場合）当初の長寿命の主張にほぼ応えており、それらが置き換えたフロッピーディスクやDATメディアよりも信頼性の高い短期データキャリアであることが証明されています。^[2]

感度とは、単位露光量あたりに生じる屈折率 変調の程度を指します。回折効率は、屈折率変調の二乗と有効厚さの 積に比例します。

ダイナミックレンジによって、単一のボリューム データに 多重化できるホログラムの数が決まります。

空間光変調器(SLM)は、オブジェクト ビーム上に保存するデータを刻印するために使用されるピクセル化された入力デバイス (液晶パネル) です。

他のメディアと同様に、ホログラフィック メディアは、ライト ワンス (ストレージ メディアが不可逆的な変更を受ける) と書き換え可能なメディア (変更が可逆的) に分けられます。書き換え可能なホログラフィック ストレージは、結晶の光屈折効果によって実現できます。

• 2 つの光源からの相互にコヒーレントな光は、媒体に干渉パターンを作成します。これらの 2 つの光源は、参照ビームと信号ビームと呼ばれます。
• 建設的干渉がある場合、光は明るくなり、電子は物質の価電子帯から伝導帯に移動できます(光が電子にエネルギーギャップを飛び越えるエネルギーを与えるため)。電子が残す正電荷の空孔は正孔と呼ばれ、書き換え可能なホログラフィック物質では動かないはずです。破壊的干渉がある場合、光は少なくなり、移動される電子も少なくなります。
• 伝導帯の電子は物質内を自由に移動できます。電子の移動方法は、2 つの反対の力によって決まります。1 つ目の力は、電子と、電子が放出された正孔の間に働くクーロン力です。この力は、電子をその場に留まらせたり、元の場所に戻したりします。2 つ目の力は、電子密度が低い領域に移動させる擬似拡散力です。クーロン力がそれほど強くない場合、電子は暗い領域に移動します。
• 昇格直後から、特定の電子が正孔と再結合して価電子帯に戻る可能性があります。再結合の速度が速いほど、暗い領域に移動する可能性のある電子の数が少なくなります。この速度はホログラムの強度に影響します。
• 一部の電子が暗い部分に移動し、そこにある正孔と再結合すると、暗い部分に移動した電子と明るい部分の正孔との間に永久的な空間電荷場が生じ、電気光学効果により屈折率が変化します。

ホログラムから情報を取得または読み出す場合、参照ビームのみが必要です。ビームは、ホログラムが書き込まれたときとまったく同じ方法で材料に送られます。書き込み中に材料に生じたインデックスの変化の結果、ビームは 2 つの部分に分割されます。これらの部分の 1 つは、情報が保存されている信号ビームを再現します。CCD カメラのようなものを使用して、この情報をより使いやすい形式に変換できます。

ホログラムは、理論的には、書き込み時の光の波長と同じ大きさの立方ブロックごとに1ビットを保存できます。たとえば、ヘリウムネオン レーザーからの光は赤色で、波長は 632.8 nmです。この波長の光を使用すると、完璧なホログラフィック ストレージは 1 立方ミリメートルあたり 500 メガバイトを保存できます。レーザー スペクトルの極端な端では、157 nmのフッ素エキシマ レーザーは1 立方ミリメートルあたり 30 ギガバイトを保存できます。実際には、データ密度は少なくとも次の 4 つの理由により、はるかに低くなります。

• エラー訂正を追加する必要性
• 光学システムの不完全性や限界を補う必要性
• 経済的利益（高密度化には、達成するのに不釣り合いに高いコストがかかる可能性がある）
• 設計技術の限界 - 磁気ハードドライブが現在直面している問題であり、磁気ドメインの構成により、技術の理論上の限界を完全に活用したディスクの製造が妨げられています。

これらの制限にもかかわらず、全光信号処理技術を使用することでストレージ容量を最適化することは可能です。^[3]

一度に1ビットずつデータを記録し読み取る現在のストレージ技術とは異なり、ホログラフィックメモリは1回の光のフラッシュでデータを並行して書き込み、読み取ります。^[4]

2 色ホログラフィック記録の場合、参照ビームと信号ビームは特定の波長(緑、赤、または IR) に固定され、増感/ゲーティングビームは別のより短い波長 (青または UV) です。増感/ゲーティング ビームは、記録プロセスの前と最中に材料を増感するために使用されます。情報は参照ビームと信号ビームを介して結晶に記録されます。記録プロセス中は、回折ビームの強度を測定するために結晶に断続的に照射されます。読み取りは、参照ビームのみの照射によって行われます。したがって、読み取り中に、より長い波長の読み取りビームは、深いトラップ中心からの再結合電子を励起することができません。これは、それらを消去するためにより短い波長の増感光が必要になるためです。

通常、2 色ホログラフィック記録には、遷移金属と希土類元素に属し、特定の波長に敏感なトラップ中心を促進するために 2 つの異なるドーパントが必要です。2 つのドーパントを使用することで、ニオブ酸リチウム結晶にさらに多くのトラップ中心が作成されます。つまり、浅いトラップと深いトラップが作成されます。現在のコンセプトは、増感光を使用して、価電子帯から遠い深いトラップから伝導帯に電子を励起し、次に伝導帯に近い浅いトラップで再結合することです。次に、参照ビームと信号ビームを使用して、浅いトラップから深いトラップに電子を励起します。したがって、情報は深いトラップに保存されます。長波長ビームでは電子を深いトラップから励起することができないため、読み取りは参照ビームで行われます。

二重ドープのニオブ酸リチウム ( LiNbO ₃ ) 結晶の場合、望ましい性能を得るための最適な酸化/還元状態が存在します。この最適状態は、浅いトラップと深いトラップのドーピング レベル、および結晶サンプルのアニール条件によって異なります。この最適状態は、通常、深いトラップの 95～98% が満たされたときに発生します。強く酸化されたサンプルでは、​​ホログラムは簡単に記録できず、回折効率は非常に低くなります。これは、浅いトラップが完全に空であり、深いトラップにも電子がほとんど存在しないためです。一方、高度に還元されたサンプルでは、​​深いトラップは完全に満たされ、浅いトラップも部分的に満たされます。これにより、浅いトラップに電子が存在するため、非常に優れた感度 (高速記録) と高い回折効率が得られます。ただし、読み出し中は、すべての深いトラップがすぐに満たされ、結果として得られるホログラムは浅いトラップに残り、それ以上の読み出しによって完全に消去されます。したがって、広範囲にわたる読み出しの後は回折効率がゼロに低下し、保存されたホログラムを固定できなくなります。

InPhase は、Gerard A. Alphonseによるフォトリフラクティブ メディアのホログラフィーとホログラフィック データ ストレージに関する先駆的な研究を基に開発され、ラスベガスで開催された 2005 年全米放送事業者協会 (NAB) コンベンションの Maxell Corporation of America ブースで、プロトタイプの商用ストレージ デバイスの公開デモンストレーションを実施しました。

2002年時点で、ホログラフィックメモリの開発に携わっている主な3社は、米国のInPhase社とポラロイドのスピンオフ企業Aprilis社、そして日本のOptware社でした。 ^[5] ホログラフィックメモリは1960年代から議論されてきましたが、^[6]少なくとも2001年以降は近い将来の商用化が期待されてきましたが、^[7]批評家がホログラフィックメモリが実現可能な市場を見つけられると納得するまでには至っていません。^[8] 2002年時点で計画されていたホログラフィック製品は、ハードドライブと真っ向から競合することを目指したものではなく、アクセス速度などの長所に基づいてニッチな市場を見つけることを目指していました。^[5]

インフェーズ・テクノロジーズは、2006年と2007年に何度か発表とその後の延期を経て、まもなく主力製品を発表すると発表した。インフェーズは2010年2月に倒産し、コロラド州により滞納税のため資産を差し押さえられた。同社は1億ドルを投じたと伝えられているが、リード投資家はそれ以上の資金を調達できなかった。^{[9] [10]}インフェーズの資産とノウハウはアップルに買収され、同社はそれを拡張現実に利用する計画があると考えられている。^[11]

CES 2006では、実用的なホログラフィック ドライブがテストされ、 Blu-rayの 100 GBに対して 300 GB のメモリを保存しました。ホログラム ディスクは、Blu-ray の後のストレージ デバイスになると発表されました。

2009年4月、GEグローバルリサーチは、ブルーレイディスクプレーヤーと同様の読み取りメカニズムを利用するディスクを可能にする独自のホログラフィックストレージ材料を実証しました。^[12]

任天堂は2008年にInPhase社とホログラフィックストレージに関する共同研究契約を締結した。^[13]

特許では、任天堂も共同出願人として言及されている。「…本特許は、特許が行われた日以前に有効であった35 USC 103 (c)(3) に定義される共同研究契約に基づいて、任天堂株式会社およびインフェーズテクノロジーズ社またはその代理人によって共同研究契約の範囲内で行われた活動の結果として行われたことをここに開示する。」^[14]

スターウォーズでは、ジェダイはホロクロンやホログラフィッククリスタルを使って自分たちの歴史に関するデータを保存しています。

『2010年宇宙の旅』では、「時系列での消去は効かない」ため、HALのホログラフィックメモリを消去するためにサナダムシを使用する必要があった。

『ロボットとフランク』では、ロボットは半分消去できるホログラフィック メモリを持っていますが、解像度は半分になります。

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• GE Global Research は、古いストレージメディアで動作するテラバイトディスクとプレーヤーを開発しています。2012 年 1 月 31 日にWayback Machineにアーカイブされました。