Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik E2 ......Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Digitalisierung Time-Domain Holographic Digital Memory Xiao A. Shen et al (1997)

21.11.12 | Fachbereich Physik | Institut für Angewandte Physik (Optik) | Balázs Sándor | 1

Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik


E2 : Klassische, optische Speicherung großer

Datenmengen in dotierten Festkörpern



Warum optische Speicherung?

● Festplatte (2.5'' bzw. 70mm):→ Kapazität: ~1Tb→ Datentransfer: ~1GBit/s

● Optische Speicherung (zur Zeit)→ Kapazität: 0,6GBit/cm³→ Datentransfer: 0,3GBit/s

● Individuelle Rekord-nahe Werte→ 1Tb/cm³ bzw. 10 GBit/s

● Wie erreicht man das?→ SHB und TDH!!

● DDR3 SDRAM→ Kapazität: ~8Gb→ Datentransfer. ~6 GBit/s

Bild: http://commons.wikimedia.org



Historischer Kontext der holographischen Speicherung

● 1948: erste Publikation über Holographie (in Nature) von Gábor Dénes (Quecksilber-Dampflampe)

● 1960: Erfindung des Lasers→ Kohärente Lichtquelle

● 1963: Holographische Datenspeicherung (van Heerden)

● 1973: Multiplexing


Gábor Dénes

Immer noch nicht kommerziell erhältlich!



Kommerzieller Prototyp

● 2009: GE stellt Holographic Versatile Disc (HVD)vor

● Soll 500GB speichern können,Potential für 1TB

● DVD: ~5GBBlu-ray: ~25GB

● Auch andere Firmen forschen an ähnlichen Medien(Sony, Nintendo)

http://www.gereports.com/ge-unveils-holographic-disc-breakthrough/



Interaktion von Quantensystemen mit Licht● Verschiedene Medien möglich (Dotierte Festkörper, Kristalle,

Moleküle, Gase,...)

● Homogen: Betrachte 1 Molekül in transparentem Medium

● Zero-Phonon Line (ZPL):→ Quantenmechanische Absorption

● „Hohe“ Temperatur:→ Interaktion mit Kristall durch Phononen→ Verbreiterung des Absorptionsspektrums

http://www.physics.montana.edu/faculty/rebane/Research/Tutorials/Hole_burning/HoleBurning_00.htm



Inhomogene Spektrallinienverbreiterung

● Mehrere nicht-identische Moleküle→ inhomogenes Band von ZPL




Spectral Hole Burning (SHB)

● Zwei unterschiedliche Grundzustände

● Absorptionsspektrum unterschiedlich

● Ziel: Populationsmigration→ Veränderung des

Absorptionsverhaltens!

|1>

|2>

|3>Nettotransfer


(EM)



Absorbtionsspektrumveränderung durch SHB

● Durch SBH behandelte Bandbreite (Kanal) absorbiert weniger→ Datenspeicherung!




Sekundäre Effekte des SBH

● Spektrales Loch→ Spektrales Antiloch

● Identische Energiedifferenzenwerden ebenfalls angeregt

● Keine strengen Auswahlregeln→ Vielzahl möglicher Übergänge

Dissertation Jens Klein (2007)

|2>|1>

|3>

|4>|5>

LochAntiloch

Pumpen



Materialbeispiel: Pr:YSO

● Allgemein: Seltenerde-dotiertes Ytrium (z.B. Nd:YAG)● Praseodym-Ionen dotierte Ytrium-ortho-Silikat-Kristalle

(Pr3+:Y2SiO

5, kurz Pr:YSO)

● Pumpen führt zu: 1 Spektrales Loch, 6 Seitenlöcher, 42 Antilöcher

Dissertation Jens Klein (2007)



Holographie: Einführung

1 Punkt im Raum; zeitlich konstant



Holographie: Verdeutlichung

http://www.tweak3d.net/articles/howholo/02_large.jpg



Bei der Laserholographie zu Beachten:

● Referenz- und Objektstrahl müssen Kohärent sein!● Sowohl zeitliche als auch räumliche Kohärenz erforderlich● Stabilität und gute Handhabbarkeit des Lasers (präzise Pulse,

Frequenzwechsel) wird vorausgesetzt


Obwohl seit 1960 kontinuierlich weiterentwickelt,bleibt der Laser eines der limitierenden Objekteder optischen Speicherung!



Aufbau

Laser

Glasplatte

Spiegel

Spiegel

Film

Linse

Linse

Objektwelle

Referenzwelle

Gestreute Objektwelle



Aufbau

Referenzwelle



Winkelmultiplexing

Laser

Glasplatte

Spiegel

Spiegel

Film

Linse

Linse

Objektwelle

Referenzwelle



Winkelmultiplexing

● Verschiedene Objekte können auch als ein großes Objekt betrachtet werden

● Unter verschiedenen Winkeln können verschiedene Objekte eingespeichert bzw. abgerufen werden

● Die Einspeicherung muss nicht simultan erfolgen● Auslesung erfolgt gleichzeitig, jedoch unter verschiedenen Winkeln● Achtung: Bei zu dichter Anordnung überlappen sich die Signale und

es kommt zur Datenkorruption!



Frequenzmultiplexing

● Durch SHB Frequenzkontinuum ansprechbar→ mehrere Kanäle

● Speicherung zeitlicher Abfolge→ variable Wiedergabe-

geschwindigkeit● Sehr schnelle Speicherung

möglich, da Aufnahme-geschwindigkeit nur durch Kanalwechselzeit begrenzt→ theoretisch beliebig klein




Experimentelle Verwirklichung

Frequenzmultiplexing, 5min nach Speicherung

Time-domain holographic image storageX. A. Shen, E. Chiang,* and R. Kachru (1994)



Experimentelle Verwirklichung

(a) Nach 14 Abrufen bzw. (b) 2h nach Aufnahme

(1MHz Kanäle, jeweils 4MHz auseinander)




Time Domain Holography (TDH)

● Vorgang nicht mehr stationär→ Pulse

● Der Referenzpuls ist nach Durchlaufen des Mediums „eingespeichert“

● Zeitliche Folge von Objektpulsen ebenfalls→ müssen nicht gleichzeitig

mit dem Referenzpuls eintreffen


Die durch einen erneuten Referenzpuls bedingte Wiedergabe der Bildpulse erfolgt im selben zeitlichen Abstand wie bei der Aufnahme




Time-Domain Holographic Digital MemoryXiao A. Shen et al (1997)




Kristall

Population

Referenzpuls

Objektpuls






TDH: Alternative Sichtweise

● Laserpuls durch Fouriertransformation darstellbar als „Summe“ stationärer Wellenfunktionen

● Betrachte zeitlichen Verlauf als Überlagerung verschiedener stationärer Fälle, welche in verschiedenen Frequenzkanälen gespeichert werden

● Analogie zu Winkelmultiplexing: Frequenz Winkel ⇔



Digitalisierung


● Abspeicherung von Pixelraster (2D)

● Schreiben mit einem Spacial Light Modulator (SLM), z.B. LCD

● Lesen mit Charge-Coupled Device (CCD)

● Frequenz zwischen30Hz und 3kHz

Die Komponenten SLM und CCD limitieren die Datenrate!



Fehlerbehandlung (Poissonverteilung)

● Aufnahme muss interpretiert werden

● Threshold (Schwelle) nicht Eindeutig

● Poissonverteilung erweist sich als nützlich für Nachbearbeitung




Digitalisiertes Bild

Original und Rekonstruktion (TDH) (356kb)




Analoge Bildverarbeitung

● Speicherung der Fourier-transformierten● → Analoge Bildverarbeitung beim Abruf direkt möglich

→ ungefähre Fourier-transformierte: größerer/kleinererAbbildungsbereich (Ausgleich lokaler Unreinheiten)

→ Ausnutzung spezieller Bildeigenschaften (z.B. Gitter)


AOM: Acousto-Optic Modulator(zur Erzeugung von Pulsen)

BE: Beam expander



Suche bei Winkelmultiplex-Daten

● Vertausche die Rolle von Objekt- und Referenzstrahl● Ein neuer Objektstrahl reproduziert die Referenzstrahlen,

deren Intensität proportional zur Korrelation zwischen demmomentanen Objektstrahl und dem aufgenommenen ist

●Springer Handbook of Lasers and Optics



Ein „typisches Medium“

● Betrachte Eu3+:Y2SiO

5 7mm x 1mm x 1mm

● Bilder mit 3360 Bit (60 x 56)● Spektrale Breite ~4GHz, ~500kHz Kanäle mit ~800kHz Abständen

→ 100 Kanäle→ 336kBit

● ~50 MBit/cm³ (unter Hinzunahme von speziellen Eigenschaften (weitere Inhomogene Spektren) prinzipiell 600 MBit/cm³ möglich

Meine Höchsten Gefundenen Werte:10 GBit/s (Stanford)1,5 TBit/cm² (IBM Almaden Research Center)

CD: DVD BD (Blu-ray)1,5 MBit/s 11 MBit/s 36MBit/s2,4 Gbit/cm² 17,8GBit/s 94,8 GBit/s



Zusammenfassung

● ZPL (Zero Phonon Line): Homogene diskrete Absorption● Inhomogene Verbreiterung durch lokale Unterschiede

→ kontinuierliches Band● SBH (Spectral Hole Burning): „Freipumpen“ eines Frequenzkanals

→ Spektrales Loch (Antiloch)● Holographie

→ Referenz- und Objektstrahl→ Kohärenz bzw. Laserstabilität erforderlich

● Datenmultiplexing→ Winkel → Frequenzkanal → Zeit → Raum (Digital)(nicht Unabhängig voneinander!)

● Hohe Dateitransferrate und Datendichte● Momentane Hauptprobleme: Temperatur, Stabilität



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!



Bibliographie

● http://www.tweak3d.net/articles/howholo/02_large.jpg● http://www.fou.uib.no/fd/1996/h/404001/kap04.htm● http://www.gereports.com/ge-unveils-holographic-disc-breakthrough/● Springer Handbook of Lasers and Optics● Time-domain holographic image storage X. A. Shen, E. Chiang,* and

R. Kachru (1994)● Time-Domain Holographic Digital Memory, Xiao A. Shen et al (1997)

http://www.tweak3d.net/articles/howholo/02_large.jpg

http://www.fou.uib.no/fd/1996/h/404001/kap04.htm

http://www.gereports.com/ge-unveils-holographic-disc-breakthrough/

Documents

Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik E2 ......Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Digitalisierung Time-Domain Holographic Digital Memory Xiao A. Shen et al (1997)