21.11.12 | Fachbereich Physik | Institut für Angewandte Physik (Optik) | Balázs Sándor | 1
Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik
Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik
E2 : Klassische, optische Speicherung großer
Datenmengen in dotierten Festkörpern
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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
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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
Bild: http://commons.wikimedia.org
Gábor Dénes
Immer noch nicht kommerziell erhältlich!
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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/
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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
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Inhomogene Spektrallinienverbreiterung
● Mehrere nicht-identische Moleküle→ inhomogenes Band von ZPL
http://www.physics.montana.edu/faculty/rebane/Research/Tutorials/Hole_burning/HoleBurning_00.htm
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Spectral Hole Burning (SHB)
● Zwei unterschiedliche Grundzustände
● Absorptionsspektrum unterschiedlich
● Ziel: Populationsmigration→ Veränderung des
Absorptionsverhaltens!
|1>
|2>
|3>Nettotransfer
http://www.physics.montana.edu/faculty/rebane/Research/Tutorials/Hole_burning/HoleBurning_00.htm
(EM)
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Absorbtionsspektrumveränderung durch SHB
● Durch SBH behandelte Bandbreite (Kanal) absorbiert weniger→ Datenspeicherung!
http://www.physics.montana.edu/faculty/rebane/Research/Tutorials/Hole_burning/HoleBurning_00.htm
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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
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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)
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Holographie: Einführung
1 Punkt im Raum; zeitlich konstant
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Holographie: Verdeutlichung
http://www.tweak3d.net/articles/howholo/02_large.jpg
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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
Bild: http://commons.wikimedia.org
Obwohl seit 1960 kontinuierlich weiterentwickelt,bleibt der Laser eines der limitierenden Objekteder optischen Speicherung!
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Aufbau
Laser
Glasplatte
Spiegel
Spiegel
Film
Linse
Linse
Objektwelle
Referenzwelle
Gestreute Objektwelle
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Aufbau
Referenzwelle
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Winkelmultiplexing
Laser
Glasplatte
Spiegel
Spiegel
Film
Linse
Linse
Objektwelle
Referenzwelle
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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!
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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
http://www.physics.montana.edu/faculty/rebane/Research/Tutorials/Hole_burning/HoleBurning_00.htm
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Experimentelle Verwirklichung
Frequenzmultiplexing, 5min nach Speicherung
Time-domain holographic image storageX. A. Shen, E. Chiang,* and R. Kachru (1994)
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Experimentelle Verwirklichung
(a) Nach 14 Abrufen bzw. (b) 2h nach Aufnahme
(1MHz Kanäle, jeweils 4MHz auseinander)
Time-domain holographic image storageX. A. Shen, E. Chiang,* and R. Kachru (1994)
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Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik
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
http://www.physics.montana.edu/faculty/rebane/Research/Tutorials/Hole_burning/HoleBurning_00.htm
Die durch einen erneuten Referenzpuls bedingte Wiedergabe der Bildpulse erfolgt im selben zeitlichen Abstand wie bei der Aufnahme
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Time Domain Holography (TDH)
Time-Domain Holographic Digital MemoryXiao A. Shen et al (1997)
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Time Domain Holography (TDH)
Kristall
Population
Referenzpuls
Objektpuls
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Time Domain Holography (TDH)
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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 ⇔
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Digitalisierung
Time-Domain Holographic Digital MemoryXiao A. Shen et al (1997)
● 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!
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Fehlerbehandlung (Poissonverteilung)
● Aufnahme muss interpretiert werden
● Threshold (Schwelle) nicht Eindeutig
● Poissonverteilung erweist sich als nützlich für Nachbearbeitung
Time-Domain Holographic Digital MemoryXiao A. Shen et al (1997)
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Digitalisiertes Bild
Original und Rekonstruktion (TDH) (356kb)
Time-Domain Holographic Digital MemoryXiao A. Shen et al (1997)
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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)
Time-domain holographic image storageX. A. Shen, E. Chiang,* and R. Kachru (1994)
AOM: Acousto-Optic Modulator(zur Erzeugung von Pulsen)
BE: Beam expander
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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
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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
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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
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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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)
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