Holographischer Speicher

Holographischer Speicher
Das Speichermedium der Zukunft mit enormen Kapazitäten
Da heutige Speichertechniken, wie z. B. die DVD, das obere Limit der Datendichte aufgrund der durch Diffraktion gesetzten
physikalischen Grenzen des Schreiblasers erreicht haben, hat ein holografischer Speicher das Potenzial, die nächste
Generation von Speichermedium zu werden (siehe auch Holographic Versatile Disc). Der Vorteil dieses Datenspeichers ist,
dass das komplette Volumen des Aufzeichnungsmaterials genutzt werden kann, und nicht nur die Oberfläche. Dieser Aspekt
erlaubt, dass Phänomene wie Bragg Volumen-Adressierung ausgenützt werden können, wodurch sehr viel mehr Informationen
in demselben Volumen an Speichermedium untergebracht werden kann. Dafür muss jedes Hologramm gegen seine Nachbarn
Bragg-verstimmt werden. Dies kann durch mehrere Methoden erreicht werden, z. B. durch Rotation des Speichermediums unter
Berücksichtigung des Aufnahmemediums und der Referenzstrahlung oder durch Änderung der Wellenlänge oder Phase des
Aufnahmelaserstrahls für jedes Hologramm.
Wie auch bei anderen Datenträgern sind holografische Speicher einmal in beschreibbare Speicher (das Speichermedium wird
irreversibel verändert) und in wiederbeschreibbare Speicher (Änderung ist reversibel) unterteilt. Wiederbeschreibbare
holografische Speicher können durch den photorefraktiven Effekt in Kristallen erreicht werden:
Beidseitig kohärentes Licht von zwei Lichtquellen erzeugt ein Interferenzmuster im Medium. Die beiden Lichtquellen werden
dabei als Referenzstrahl und Signalstrahl bezeichnet.
An Orten, bei denen überlagerte Wellen zu einer Verstärkung der Amplitude führen, spricht man von konstruktiver Interferenz
und das Licht erscheint heller. Dadurch ist genug Energie vorhanden um Elektronen aus dem Valenzband über die Bandlücke
ins Leitungsband zu befördern. Die somit entstandenen „Löcher“ kann man quasi als positive Ladung betrachten. Für eine
Nutzung als holografischer Speicher müssen diese sogenannten Defektelektronen örtlich fest sein.
Elektronen im Leitungsband können sich frei innerhalb des Mediums bewegen. Ihre Bewegung wird dabei durch zwei
gegensätzliche Effekte beeinflusst: Die Coulomb-Kraft und die Diffusion. Nach Charles Augustin de Coulombs Gesetz streben
die Elektronen nach einem Ladungsausgleich und werden daher möglichst nahe bei einem der Elektronenlöcher bleiben oder
diese besetzen. Dem entgegen wirkt der Drang zur homogenen Verteilung der Elektronen. Je nachdem wie stark dabei das
Coulombsche Gesetz wirkt bzw. wie groß der räumliche Konzentrationsunterschied ist, verweilen die Elektronen oder wandern
zu Orten geringerer Elektronenkonzentration.
Direkt ab dem Aufstieg ins Leitungsband besteht die Möglichkeit, dass das Elektron wieder ein Defektelektron besetzt. Je höher
die Rate hierfür ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit eines diffusen Ladungsausgleichs. Dies ist ein entscheidendes
Kriterium zur Haltbarkeitsbestimmung holografischer Speicher.
Nachdem einige Elektronen zu den Orten geringerer Konzentration gewandert sind und die dortigen Elektronenlöcher besetzt
haben, besteht ein elektrisches Feld zwischen den hinzugewanderten Elektronen und den Defektelektronen an Orten höherer
Konzentration. Dieses elektrische Feld wirkt sich aufgrund des Kerr-Effekts auf die Brechzahl des Mediums aus und ändert
diese.
Wenn Information aus einem Hologramm abgerufen oder gelesen werden soll, ist nur der Referenzstrahl notwendig. Der Strahl
wird mit den gleichen Eigenschaften wie beim Beschreiben ins Medium geschickt. Durch die eingangs erwähnten veränderten
optischen Eigenschaften des Mediums weicht die Brechzahl lokal von dem zu erwartenden Wert ab und zwei Strahlen
verlassen das Medium, einer auf dem zu erwartenden Weg und ein anderer auf einer abweichenden Route. Ein optischer
Sensor fängt diesen Strahl ein und ermittelt seine Eigenschaften. Diese bieten Aufschluss über den ursprünglichen beim
Beschreiben verwendeten Signalstrahl und dessen Informationen.
Hologramme können theoretisch ein Bit in einem Würfel mit der Kantenlänge der Wellenlänge des Lichts, das zum Schreiben
benutzt wurde, speichern. Das Licht z. B. eines Helium-Neon-Lasers ist rot (genaue Wellenlänge: 632,8 nm). Wenn man nun
Licht von dieser Wellenlänge benutzt, würde ein Quadratzoll von perfektem holografischen Speicher 1,61×1013 Bits, was
ungefähr 2.014 Terabyte entspricht (2,5×1012 Bit pro cm²), speichern können. Ein Kubikzoll von solchem Speicher hätte eine
Speicherkapazität von 8.083.729.105 Terabyte (493.299.416 TB pro cm³). Aber die Speicherdichte ist in der Praxis um
Größenordnungen niedriger, da noch Bits für Fehlerkorrektur benötigt werden, und die Mangelhaftigkeit des optischen Systems
ausgeglichen werden muss.