Лазерные системы записи и считывания информации на принципах голографии

Где слабые места рассмотренной выше системы? Это прежде всего обычная и, по-видимому, не очень высокая надежность. Действительно, каждый элемент, содержащий информацию, имеет небольшую площадь (порядка нескольких квадратных микрон), причем увеличение плотности записи, к чему всегда будут стремиться, связано с уменьшением этой площади, а значит в какой-то степей с уменьшением надежности хранения записанной информации. Для современных вычислительных машин проблема надежности элемента памяти приобретает все большее значение и думать о ней приходится все больше и больше.

Второе, что следует отметить, это отсутствие многоканальности. Правда, ее в принципе можно ввести, разделив луч лазера на ряд каналов, в каждом из которых будет свой модулятор и своя оптика. Но тогда вся система, по-видимому, значительно усложнится из-за наличия фокусирующей оптики.

Вопрос многоканальной обработки информации также очень важен, так как он позволяет в какой-то мере решить задачу существенного увеличения быстродействия вычислительных машин, то есть задачу, при решении которой прямыми методами конструкторы наталкиваются на все большие и большие трудности.

Вот почему нам кажется, что новые возможности, которые открывают для вычислительной техники принципы голографии, могут представить большой интерес. В описываемых ниже системах решение проблем надежности и многоканальности заложено в самих принципах построения систем записи и считывания. Действительно, в случае использования голографии повышение плотности не связано с уменьшением площади, занимаемой каждым элементом памяти. Кроме того, поскольку каждый участок голограммы содержит информацию с всем объекте, при голографическом методе записи осуществляется своеобразное резервирование элементов; избыточность, возникающая при неполном использовании емкости голограммы, может быть использована для замены любых вышедших из строя ее элементов. Такая замена не требует никаких переключений и происходит автоматически, что особенно важно в практических приложениях.

Большим достоинством голографического метода записи является также многоканальность и возможность параллельного осмотра всех ячеек памяти с целью поиска части информации. Следует отметить, что этот метод позволяет реализовать плотность записи информации порядки 10⁷-10⁸ двоичных единиц информации на 1 см² носителя и более высокие плотности при использовании объемных светочувствительных сред.

Рассмотрим, каким образом можно создать запоминающее устройство на принципах голографии. Такое устройство мы будем в дальнейшем ради краткости называть ЗУГ.

В современных вычислительных машинах применяется адресная система памяти, то есть все запоминающее устройство (ЗУ) разделено на ячейки, каждая из которых имеет свой номер. При записи выдается номер ячейки и информация, (которая должна быть в нее записана (обычно это многозарядное двоичное число). При считывании информации по заданному адресу из ЗУ должна быть выдана комбинация сигналов, представляющая собой число, записанное по этому адресу. Для ориентации укажем, что число адресов оперативной памяти существующих универсальных вычислительных машин составляет несколько тысяч, а число разрядов двоичных чисел, хранящихся в ячейках памяти, - несколько десятков.

Принцип создания ЗУГ с большим объемом записываемой информации основан на возможности записи большого числа голограмм на одну и ту же поверхность (или в один и тот же объем) фотоматериала. Для того чтобы изображения, записываемые в виде голограмм, не накладывались друг на друга, необходимо при записи каждого из них менять каким-либо образом форму опорной волны. Наиболее простой способ - это изменение угла падения опорной волны на светочувствительный слой. Схема записи информации таким способом показана на рис. 22. Луч лазера делится на два: опорный и сигнальный. Опорный луч, прежде чем попасть на голограмму, проходит через отклоняющую систему, которая устанавливает направление опорного луча в соответствии с введенным в нее адресом. Каждому адресу ЗУГ соответствует свое направление опорного луча. Сигнальный луч в свою очередь, делится на N каналов в соответствии с числом разрядов записываемых чисел. В каждом из этих каналов имеется модулятор М работающий в режиме выключателя. При наличии управляющего напряжения он пропускает луч лазера, а при отсутствии напряжения он будет непрозрачным.

Рис. 22

При записи информации в отклоняющую систему вводится код адреса записываемого числа, в результате чего устанавливается направление опорного луча. Одновременно на сигнальный вход подается код записываемого числа, причем каждый разряд этого числа подводится к своему модулятору. На выходе модуляторов возникают комбинации n лучей, которые вместе с опорным лучом записываются в виде голограммы (при создании постоянного ЗУГ на адресный вход подаются поочередно все адреса, а на сигнальный - соответствующие числа).

Для считывания информации, записанной на голограмме, используется схема, приведенная на рис. 23. Отклоняющая система выполняет те же функции, что и в схеме на рис. 22. В соответствии с заданным адресом она меняет угол падения считывающего луча на голограмму. Взаимное расположение голограммы и отклоняющей системы при записи и считывании одинаково. Поэтому при включении опорного луча, соответствующего заданному адресу голограмма формирует изображение виде системы ярких точек, количество и взаимное расположение которых определяется комбинацией включенных модуляторов при записи. Это изображение проецируется на систему фотоприемников Ф, сигналы на выходе которых дают код числа, хранящегося в данной ячейке памяти. Фотоприемники могут представлять собой матрицу, например, из фотодиодов, число которых должно быть равно числу разрядов ЗУГ, то есть числу каналов сигнального луча при записи.

Рис. 23

Особенностью рассмотренной схемы является возможность проведения операций с многоразрядными числами. Использование большого числа разрядов (порядка тысяч), по-видимому, не (встретит здесь трудностей принципиального характера.

В качестве отклоняющей системы для управления направлением оперного луча наиболее пригодны дискретные системы управления лазерным излучением, основанные на использовании электрооптических кристаллов. Схема электрического управления такой дискретно отклоняющей системой хорошо согласуется с принципом кодирования адресов в современной вычислительной машине.

Следует отметить, что устройства записи и считывания могут быть объединены. При этом, естественно, в процессе считывания на числовой вход не подается никаких сигналов.

Рассмотренные схемы допускают построение как постоянных, так и оперативных ЗУГ. Их различие связано лишь с фотоматериалами, которые должны быть различными для этих случаев. При создании таких ЗУГ встретится много довольно сложных проблем главным образом технического характера. Одной из таких проблем является выборочное стирание информации в какой-либо ячейке без разрушения информации записанной в других ячейках. Возможным вариантам подобной операции является перезапись всей информации в другое ЗУГ. В процессе такой, сравнительно простой, перезаписи используются одновременно все положения опорного луча, кроме тех, в которых необходимо произвести стирание, а числовой (сигнальный) канал при перезаписи не используется.

Помимо описанного принципа построения ЗУГ, в котором каждому адресу соответствует свое направление прихода опорного луча, возможно создание других схем, в которых разделение адресов производится по другим принципам. По-видимому, можно (ввести различие опорных лучей по частоте и в некоторой степени по поляризации. Мы рассмотрим еще одну, менее очевидную, возможность разделения опорных лучей но форме волнового фронта.

Известно, что для неискаженного восстановления изображения с голограммы считывающий луч должен иметь такую же форму волнового фронта, как и опорный луч при записи. Поэтому любое изменение формы волнового фронта опорного луча может быть использовано для разделения адресов ЗУГ. Одна из возможных схем, основанная на таком принципе, может быть построена таким образом, чтобы канал формирования опорного луча был аналогичен каналу формирования сигнальных лучей. В этом случае опорный луч будет представлять собой комбинацию из нескольких лучей, падающих на голограмму под разными углами. Каждому адресу соответствует определенная комбинация включенных и выключенных модуляторов в канале формирования опорного луча. Число адресов определяется числом комбинаций из включенных и выключенных модуляторов. Если общее число модуляторов равно N, то число таких комбинаций равно 2N - 1. Таким образом, если в канале формирования опорного луча установлено 12 модуляторов, то они позволяют получить 4095 адресов для записи информации. Эта схема формирования опорного луча, как и рассмотренная ранее схема дискретного отклонения, хорошо согласуется с устройствами существующих вычислительных машин, выдающими код адреса. Основным недостатком такой схемы является то, что опорные лучи, соответствующие разным адресам, не будут полностью независимыми, вследствие чего не получается четкой дискриминации различных адресов. Это приводит к тому, что при считывании информации, записанной по какому-либо адресу, на выходе ЗУГ возникают паразитные сигналы, обусловленные просачиванием сигналов, записанных в других адресах?

В качестве примера приведем результаты экспериментального исследования рассматриваемой системы записи информации при N=4 и одноразрядном сигнальном луче. Схема установки показана на рис. 24. Деление луча осуществляется с помощью дифракционной решетки, которая позволяет получить пять дифракционных лучей. Четыре луча представляют собой канал формирования опорного луча пятый луч будем считать сигнальным.

Рис. 24

Если запись информации (нулей и единиц) производить в этой схеме при включении опорных лучей по одному, по два и по три, то получаются следующие результаты. Для случая, когда адрес определяется одним опорным лучом, схема работает правильно, как видно из приводимой ниже таблицы:

Если адрес определяется тремя опорными лучами, то, как видно из следующей таблицы, вторая комбинация опорных лучей дает неверный результат:

Таким образам, увеличение числа опорных лучей, определяющих адрес ячейки памяти, приводит к ухудшению отношения сигнал/шум, и потребуются специальные меры для устранения этого вредного эффекта. Тем не менее рассмотренный принцип построения ЗУГ благодаря своей простоте может представить большой практический интерес.

Из всего изложенного вытекает принципиальная возможность построения новых типов постоянных и оперативных запоминающих устройств, основанных на использовании лазерной техники и голографии. Высокая плотность записи в таких устройствах не требует использования малых элементов памяти, так как информация каждого элемента "размазывается" в соответствии с принципом голографии по большой поверхности (или объему). Обладая большей емкостью и высокой надежностью, позволяя производить операции над огромными массивами чисел, ЗУГ открывают "новые перспективы развития вычислительной техники. Как быстро эти принципы будут реализованы, зависит не только от прогресса в области лазерной техники и голографии, но и от развития различных областей науки и техники, требующих применения все более совершенной вычислительной техники.