El almacenamiento óptico de datos 3D es cualquier forma de almacenamiento óptico de datos en el que la información se puede grabar o leer con resolución tridimensional (a diferencia de la resolución bidimensional que ofrece, por ejemplo, el CD ). [1] [2]
Esta innovación tiene el potencial de proporcionar almacenamiento masivo a nivel de petabytes en discos del tamaño de un DVD (120 mm). La grabación y lectura de datos se logra enfocando láseres dentro del medio. Sin embargo, debido a la naturaleza volumétrica de la estructura de datos, la luz láser debe viajar a través de otros puntos de datos antes de llegar al punto donde se desea leer o registrar. Por lo tanto, se requiere algún tipo de no linealidad para garantizar que estos otros puntos de datos no interfieran con el direccionamiento del punto deseado.
Ningún producto comercial basado en el almacenamiento óptico de datos 3D ha llegado todavía al mercado de masas, aunque varias empresas [ ¿cuáles? ] están desarrollando activamente la tecnología y afirman que podría estar disponible "pronto".
Los medios ópticos de almacenamiento de datos actuales , como el CD y el DVD, almacenan datos como una serie de marcas reflectantes en la superficie interna de un disco. Para aumentar la capacidad de almacenamiento, es posible que los discos contengan dos o incluso más de estas capas de datos, pero su número está muy limitado ya que el láser de direccionamiento interactúa con cada capa por la que pasa en su camino hacia y desde la capa direccionada. . Estas interacciones provocan ruido que limita la tecnología a aproximadamente 10 capas. Los métodos de almacenamiento de datos ópticos 3D evitan este problema utilizando métodos de direccionamiento en los que sólo el vóxel (píxel volumétrico) específicamente direccionado interactúa sustancialmente con la luz de direccionamiento. Esto implica necesariamente métodos de lectura y escritura de datos no lineales, en particular ópticas no lineales .
El almacenamiento de datos ópticos 3D está relacionado (y compite con) el almacenamiento de datos holográficos . Los ejemplos tradicionales de almacenamiento holográfico no abordan la tercera dimensión y, por lo tanto, no son estrictamente "3D", pero más recientemente el almacenamiento holográfico 3D se ha realizado mediante el uso de microhologramas. La tecnología multicapa de selección de capas (donde un disco multicapa tiene capas que pueden activarse individualmente, por ejemplo eléctricamente) también está estrechamente relacionada.
Como ejemplo, un sistema de almacenamiento de datos óptico 3D prototípico puede utilizar un disco que se parece mucho a un DVD transparente. El disco contiene muchas capas de información, cada una a una profundidad diferente en el medio y cada una consta de una pista en espiral similar a un DVD. Para grabar información en el disco, se enfoca un láser a una profundidad particular en el medio que corresponde a una capa de información particular. Cuando se enciende el láser, se produce un cambio fotoquímico en el medio. A medida que el disco gira y el cabezal de lectura/escritura se mueve a lo largo de un radio, la capa se escribe tal como se escribe en un DVD-R. Luego se puede cambiar la profundidad del enfoque y escribir otra capa de información completamente diferente. La distancia entre capas puede ser de 5 a 100 micrómetros , lo que permite almacenar más de 100 capas de información en un solo disco.
Para volver a leer los datos (en este ejemplo), se utiliza un procedimiento similar excepto que esta vez, en lugar de provocar un cambio fotoquímico en el medio, el láser provoca fluorescencia . Esto se consigue, por ejemplo, utilizando una potencia láser menor o una longitud de onda láser diferente. La intensidad o longitud de onda de la fluorescencia es diferente dependiendo de si el soporte ha sido escrito en ese punto, por lo que midiendo la luz emitida se leen los datos.
El tamaño de las moléculas de cromóforo individuales o centros de color fotoactivos es mucho menor que el tamaño del foco láser (que está determinado por el límite de difracción ). Por lo tanto, la luz se dirige a un gran número (posiblemente incluso 10 9 ) de moléculas en cualquier momento, por lo que el medio actúa como una masa homogénea en lugar de una matriz estructurada por las posiciones de los cromóforos.
Los orígenes de este campo se remontan a la década de 1950, cuando Yehuda Hirshberg desarrolló los espiropiranos fotocromáticos y sugirió su uso en el almacenamiento de datos. [3] En los años 1970, Valerii Barachevskii demostró [4] que este fotocromismo podría producirse mediante excitación de dos fotones, y a finales de los años 1980 Peter M. Rentzepis demostró que esto podría conducir al almacenamiento de datos tridimensionales. [5] Se ha investigado una amplia gama de fenómenos físicos para la lectura y registro de datos, se han desarrollado y evaluado una gran cantidad de sistemas químicos para el medio y se ha llevado a cabo un extenso trabajo para resolver los problemas asociados con los sistemas ópticos necesarios para la lectura y registro de datos. Actualmente, varios grupos permanecen trabajando en soluciones con diversos niveles de desarrollo e interés en la comercialización.
La grabación de datos en un medio de almacenamiento óptico 3D requiere que se produzca un cambio en el medio tras la excitación. Este cambio es generalmente una reacción fotoquímica de algún tipo, aunque existen otras posibilidades. Las reacciones químicas que se han investigado incluyen fotoisomerizaciones , fotodescomposiciones y fotoblanqueo , e inicio de polimerización . Los más investigados han sido los compuestos fotocrómicos, entre los que se incluyen azobencenos , espiropiranos , estilbenos , fulgidas y diariletenos . Si el cambio fotoquímico es reversible , entonces se puede lograr un almacenamiento de datos reescribible, al menos en principio. Además, la grabación multinivel , donde los datos se escriben en " escala de grises " en lugar de señales de "encendido" y "apagado", es técnicamente factible.
Aunque existen muchos fenómenos ópticos no lineales, sólo la absorción multifotónica es capaz de inyectar en el medio la energía significativa necesaria para excitar electrónicamente especies moleculares y provocar reacciones químicas. La absorción de dos fotones es, con diferencia, la absorbancia multifotónica más fuerte, pero aún así es un fenómeno muy débil, lo que conduce a una baja sensibilidad de los medios. Por lo tanto, muchas investigaciones se han dirigido a proporcionar cromóforos con secciones transversales de alta absorción de dos fotones. [6]
La escritura mediante absorción de dos fotones se puede lograr enfocando el láser de escritura en el punto donde se requiere el proceso de escritura fotoquímica. La longitud de onda del láser de escritura se elige de manera que no sea absorbida linealmente por el medio y, por lo tanto, no interactúe con el medio excepto en el punto focal. En el punto focal la absorción de dos fotones se vuelve significativa porque es un proceso no lineal que depende del cuadrado de la fluencia del láser .
La escritura por absorción de dos fotones también se puede lograr mediante la acción de dos láseres en coincidencia. Este método se utiliza normalmente para lograr la escritura paralela de información a la vez. Un láser pasa a través del medio, definiendo una línea o plano. Luego, el segundo láser se dirige a los puntos de esa línea o plano en los que se desea escribir. La coincidencia de los láseres en estos puntos provocó la absorción de dos fotones, lo que llevó a la escritura de la fotoquímica.
Otro enfoque para mejorar la sensibilidad de los medios ha sido emplear absorción resonante de dos fotones (también conocida como absorbancia de dos fotones "1+1" o "secuencial"). La absorción de dos fotones no resonantes (como se usa generalmente) es débil ya que para que tenga lugar la excitación, los dos fotones excitantes deben llegar al cromóforo casi exactamente al mismo tiempo. Esto se debe a que el cromóforo no puede interactuar con un solo fotón. Sin embargo, si el cromóforo tiene un nivel de energía correspondiente a la absorción (débil) de un fotón, entonces esto puede usarse como un trampolín, permitiendo más libertad en el tiempo de llegada de los fotones y, por lo tanto, una sensibilidad mucho mayor. Sin embargo, este enfoque da como resultado una pérdida de no linealidad en comparación con la absorbancia de dos fotones no resonantes (ya que cada paso de absorción de dos fotones es esencialmente lineal) y, por lo tanto, corre el riesgo de comprometer la resolución 3D del sistema.
En microholografía , se utilizan haces de luz enfocados para registrar hologramas de tamaño submicrométrico en un material fotorrefractivo, generalmente mediante el uso de haces colineales. El proceso de escritura puede utilizar los mismos tipos de medios que se utilizan en otros tipos de almacenamiento de datos holográficos y puede utilizar procesos de dos fotones para formar los hologramas.
Los datos también pueden crearse durante la fabricación de los medios, como es el caso de la mayoría de los formatos de discos ópticos para la distribución comercial de datos. En este caso, el usuario no puede escribir en el disco: es un formato ROM . Los datos pueden escribirse mediante un método óptico no lineal, pero en este caso es aceptable el uso de láseres de muy alta potencia, por lo que la sensibilidad del medio se convierte en un problema menor.
También se ha demostrado la fabricación de discos que contienen datos moldeados o impresos en su estructura 3D. Por ejemplo, un disco que contiene datos en 3D se puede construir intercalando una gran cantidad de discos finos, cada uno de los cuales está moldeado o impreso con una sola capa de información. El disco ROM resultante se puede leer utilizando un método de lectura 3D.
También se han examinado otras técnicas para escribir datos en tres dimensiones, entre ellas:
Quema persistente de agujeros espectrales (PSHB), que también permite la posibilidad de multiplexación espectral para aumentar la densidad de datos. Sin embargo, los medios PSHB actualmente requieren que se mantengan temperaturas extremadamente bajas para evitar la pérdida de datos.
Formación de huecos, donde se introducen burbujas microscópicas en un medio mediante irradiación láser de alta intensidad. [7]
Poling de cromóforos, donde la reorientación de los cromóforos inducida por láser en la estructura del medio conduce a cambios legibles. [8]
La lectura de datos de memorias ópticas 3D se ha realizado de muy diversas formas. Mientras que algunos de ellos se basan en la no linealidad de la interacción luz-materia para obtener una resolución 3D, otros utilizan métodos que filtran espacialmente la respuesta lineal de los medios. Los métodos de lectura incluyen:
Absorción de dos fotones (lo que resulta en absorción o fluorescencia). Este método es esencialmente microscopía de dos fotones .
Excitación lineal de fluorescencia con detección confocal. Este método es esencialmente microscopía de barrido láser confocal . Ofrece excitación con potencias de láser mucho más bajas que la absorbancia de dos fotones, pero tiene algunos problemas potenciales porque la luz de direccionamiento interactúa con muchos otros puntos de datos además del que se está direccionando.
Medición de pequeñas diferencias en el índice de refracción entre los dos estados de datos. Este método suele emplear un microscopio de contraste de fases o un microscopio de reflexión confocal . No es necesaria ninguna absorción de luz, por lo que no hay riesgo de dañar los datos durante la lectura, pero la falta de coincidencia del índice de refracción requerida en el disco puede limitar el espesor (es decir, el número de capas de datos) que los medios pueden alcanzar debido al frente de onda aleatorio acumulado. errores que destruyen la calidad del punto enfocado.
Se ha demostrado que la generación de segundos armónicos es un método para leer datos escritos en una matriz polimérica polarizada. [9]
La tomografía de coherencia óptica también se ha demostrado como método de lectura paralela. [10]
La parte activa de los medios de almacenamiento óptico 3D suele ser un polímero orgánico dopado o injertado con especies fotoquímicamente activas. Alternativamente, se han utilizado materiales cristalinos y sol-gel .
Se han sugerido medios para el almacenamiento de datos ópticos 3D en varios factores de forma: disco, tarjeta y cristal.
Un soporte de disco ofrece una progresión respecto al CD/DVD y permite que la lectura y la escritura se realicen mediante el conocido método del disco giratorio.
Un medio con formato de tarjeta de crédito es atractivo desde el punto de vista de la portabilidad y la conveniencia, pero tendría una capacidad menor que un disco.
Varios escritores de ciencia ficción han sugerido pequeños sólidos que almacenan cantidades masivas de información y, al menos en principio, esto podría lograrse con el almacenamiento de datos óptico 5D .
El método de fabricación más sencillo ( moldear un disco en una sola pieza) es una posibilidad para algunos sistemas. Un método más complejo de fabricación de medios consiste en construir los medios capa por capa. Esto es necesario si los datos se van a crear físicamente durante la fabricación. Sin embargo, la construcción capa por capa no significa necesariamente intercalar muchas capas. Otra alternativa es crear el medio en una forma análoga a un rollo de cinta adhesiva. [11]
Una unidad diseñada para leer y escribir en medios de almacenamiento de datos ópticos 3D puede tener mucho en común con las unidades de CD/DVD, especialmente si el factor de forma y la estructura de datos de los medios son similares a los de un CD o DVD. Sin embargo, hay una serie de diferencias notables que deben tenerse en cuenta al diseñar dicha unidad.
Especialmente cuando se utiliza la absorción de dos fotones, es posible que se requieran láseres de alta potencia que pueden ser voluminosos, difíciles de enfriar y plantear problemas de seguridad. Las unidades ópticas existentes utilizan láseres de diodo de onda continua que funcionan a 780 nm, 658 nm o 405 nm. Las unidades de almacenamiento óptico 3D pueden requerir láseres de estado sólido o láseres pulsados, y varios ejemplos utilizan longitudes de onda fácilmente disponibles mediante estas tecnologías, como 532 nm (verde). Estos láseres más grandes pueden resultar difíciles de integrar en el cabezal de lectura/escritura de la unidad óptica.
Debido a que el sistema debe abordar diferentes profundidades en el medio, y a diferentes profundidades la aberración esférica inducida en el frente de onda es diferente, se requiere un método para tener en cuenta dinámicamente estas diferencias. Existen muchos métodos posibles que incluyen elementos ópticos que entran y salen del camino óptico, elementos móviles, óptica adaptativa y lentes de inmersión.
En muchos ejemplos de sistemas de almacenamiento de datos ópticos 3D se utilizan varias longitudes de onda (colores) de luz (por ejemplo, láser de lectura, láser de escritura, señal; a veces incluso se necesitan dos láseres sólo para escribir). Por lo tanto, además de hacer frente a la alta potencia del láser y a la aberración esférica variable, el sistema óptico debe combinar y separar estos diferentes colores de luz según sea necesario.
En las unidades de DVD, la señal producida por el disco es un reflejo del rayo láser de direccionamiento y, por lo tanto, es muy intensa. Sin embargo, para el almacenamiento óptico 3D, la señal debe generarse dentro del pequeño volumen al que se dirige y, por lo tanto, es mucho más débil que la luz láser. Además, la fluorescencia se irradia en todas direcciones desde el punto direccionado, por lo que se debe utilizar una óptica especial de recolección de luz para maximizar la señal.
Una vez identificadas a lo largo del eje z, se puede acceder y rastrear capas individuales de datos similares a los de un DVD de manera similar a los DVD. También se ha demostrado la posibilidad de utilizar direccionamiento paralelo o basado en páginas. Esto permite velocidades de transferencia de datos mucho más rápidas , pero requiere la complejidad adicional de moduladores de luz espacial , imágenes de señales, láseres más potentes y un manejo de datos más complejo.
A pesar de la naturaleza altamente atractiva del almacenamiento de datos ópticos 3D, el desarrollo de productos comerciales ha llevado un tiempo considerable. Esto se debe al respaldo financiero limitado en el campo, así como a problemas técnicos, que incluyen:
Lectura destructiva. Dado que tanto la lectura como la escritura de datos se llevan a cabo con rayos láser, existe la posibilidad de que el proceso de lectura provoque una pequeña cantidad de escritura. En este caso, la lectura repetida de los datos puede servir eventualmente para borrarlos (esto también ocurre en los materiales de cambio de fase utilizados en algunos DVD). Esta cuestión ha sido abordada por muchos enfoques, como el uso de diferentes bandas de absorción para cada proceso (lectura y escritura), o el uso de un método de lectura que no implique la absorción de energía.
Estabilidad termodinámica. Muchas reacciones químicas que parecen no tener lugar, en realidad ocurren muy lentamente. Además, muchas reacciones que parecen haber ocurrido pueden revertirse lentamente. Dado que la mayoría de los medios 3D se basan en reacciones químicas, existe el riesgo de que los puntos no escritos se escriban lentamente o que los puntos escritos poco a poco vuelvan a no estar escritos. Este problema es particularmente grave para los espiropiranos, pero se llevaron a cabo investigaciones exhaustivas para encontrar cromóforos más estables para las memorias 3D.
Sensibilidad de los medios. La absorción de dos fotones es un fenómeno débil y, por lo tanto, normalmente se requieren láseres de alta potencia para producirla. Los investigadores suelen utilizar láseres de Ti-zafiro o láseres Nd:YAG para lograr la excitación, pero estos instrumentos no son adecuados para su uso en productos de consumo.
Gran parte del desarrollo del almacenamiento de datos ópticos 3D se ha llevado a cabo en universidades. Los grupos que han brindado valiosos aportes incluyen:
Además de la investigación académica, se han creado varias empresas para comercializar el almacenamiento de datos ópticos 3D y algunas grandes corporaciones también han mostrado interés en la tecnología. Sin embargo, aún no está claro si la tecnología tendrá éxito en el mercado en presencia de competencia de otros sectores, como los discos duros , el almacenamiento flash y el almacenamiento holográfico .