El almacenamiento de datos ópticos en 3D es cualquier forma de almacenamiento de datos ópticos en el que la información se puede grabar o leer con una 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 la lectura de datos se logran 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 grabar. 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 en 3D ha llegado aún al mercado masivo, aunque varias empresas [ ¿cuáles? ] están desarrollando activamente la tecnología y afirman que podría estar disponible "pronto".
Los medios de almacenamiento de datos ópticos actuales , como el CD y el DVD, almacenan datos como una serie de marcas reflectantes en una 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 severamente limitado ya que el láser de direccionamiento interactúa con cada capa por la que pasa en el camino hacia y desde la capa direccionada. Estas interacciones causan ruido que limita la tecnología a aproximadamente 10 capas. Los métodos de almacenamiento de datos ópticos 3D evitan este problema utilizando métodos de direccionamiento donde solo 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 óptica no lineal .
El almacenamiento de datos ópticos en 3D está relacionado con el almacenamiento de datos holográficos (y compite con él) . Los ejemplos tradicionales de almacenamiento holográfico no abordan la tercera dimensión y, por lo tanto, no son estrictamente "3D", pero más recientemente se ha logrado el almacenamiento holográfico en 3D mediante el uso de microhologramas. La tecnología multicapa de selección de capas (en la que un disco multicapa tiene capas que se pueden activar individualmente, por ejemplo, eléctricamente) también está estrechamente relacionada.
Como ejemplo, un sistema de almacenamiento de datos ópticos 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 de ellas consiste en una pista espiral similar a la de 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, provoca 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 de la misma manera que se escribe un DVD-R. La profundidad del enfoque puede entonces cambiar y escribirse 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 logra, 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 según si el medio se ha escrito en ese punto y, por lo tanto, midiendo la luz emitida, se leen los datos.
El tamaño de las moléculas cromóforas individuales o de los 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 un momento dado, 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 fotocrómicos y sugirió su uso en el almacenamiento de datos. [3] En la década de 1970, Valerii Barachevskii demostró [4] que este fotocromismo podía producirse mediante la excitación de dos fotones, y a finales de la década de 1980 Peter M. Rentzepis demostró que esto podía conducir al almacenamiento de datos tridimensionales. [5] Se ha investigado una amplia gama de fenómenos físicos para la lectura y el registro de datos, se han desarrollado y evaluado grandes cantidades de sistemas químicos para el medio y se ha realizado un amplio trabajo para resolver los problemas asociados con los sistemas ópticos necesarios para la lectura y el registro de datos. Actualmente, varios grupos siguen trabajando en soluciones con diversos niveles de desarrollo e interés en la comercialización.
El registro 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 iniciación de polimerización . La mayoría de las investigaciones han sido compuestos fotocrómicos, que incluyen azobencenos , espiropiranos , estilbenos , fulgidos 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 como 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 las especies moleculares y provocar reacciones químicas. La absorción de dos fotones es la absorbancia multifotónica más fuerte con diferencia, pero sigue siendo un fenómeno muy débil, lo que conduce a una baja sensibilidad del medio. Por lo tanto, se han realizado muchas investigaciones para proporcionar cromóforos con secciones transversales de absorción de dos fotones elevadas. [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 tal 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 un plano. El segundo láser se dirige entonces a los puntos de esa línea o plano en los que se desea escribir. La coincidencia de los láseres en esos puntos excita la absorción de dos fotones, lo que da lugar a la fotoquímica de la escritura.
Otro método para mejorar la sensibilidad de los medios ha sido emplear la absorción resonante de dos fotones (también conocida como absorción de dos fotones "1+1" o "secuencial"). La absorción no resonante de dos fotones (como se utiliza generalmente) es débil ya que para que se produzca 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 método da como resultado una pérdida de no linealidad en comparación con la absorción no resonante de dos fotones (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 la 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.
También se pueden crear datos durante la fabricación de los medios, como sucede con 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, ya que se trata de un formato ROM . Los datos se pueden escribir 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 de los medios deja de ser un problema.
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 puede construirse colocando juntos una gran cantidad de discos del grosor de una oblea, cada uno de los cuales está moldeado o impreso con una sola capa de información. El disco ROM resultante puede leerse luego utilizando un método de lectura 3D.
También se han examinado otras técnicas para escribir datos en tres dimensiones, entre ellas:
Quema de agujeros espectrales persistente (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]
Polímero de cromóforos, donde la reorientación inducida por láser de los cromóforos en la estructura del medio conduce a cambios legibles. [8]
La lectura de datos de memorias ópticas 3D se ha llevado a cabo de muchas maneras diferentes. Mientras que algunas de ellas se basan en la no linealidad de la interacción luz-materia para obtener una resolución 3D, otras utilizan métodos que filtran espacialmente la respuesta lineal del medio. Los métodos de lectura incluyen:
Absorción de dos fotones (que da como resultado absorción o fluorescencia). Este método es esencialmente una microscopía de dos fotones .
Excitación lineal de fluorescencia con detección confocal. Este método es esencialmente una microscopía láser de barrido confocal . Ofrece excitación con potencias láser mucho menores 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 generalmente emplea un microscopio de contraste de fase o un microscopio de reflexión confocal . No se necesita 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 requerido en el disco puede limitar el grosor (es decir, el número de capas de datos) que el medio puede alcanzar debido a los errores aleatorios acumulados en el frente de onda 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 de polímero polarizada. [9]
La tomografía de coherencia óptica también se ha demostrado como un 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. También se han utilizado materiales cristalinos y sol-gel .
Se han sugerido medios para el almacenamiento de datos ópticos 3D en varios formatos: disco, tarjeta y cristal.
Un medio de disco ofrece una progresión del 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 la de 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 un almacenamiento de datos ópticos 5D .
El método de fabricación más simple (el moldeo de un disco en una sola pieza) es una posibilidad para algunos sistemas. Un método más complejo de fabricación de medios consiste en construirlos 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 tiene por qué implicar la colocación de muchas capas juntas. 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, en particular si el formato y la estructura de datos de los medios son similares a los de un CD o DVD. Sin embargo, existen varias diferencias notables que se deben tener en cuenta al diseñar una unidad de este tipo.
En particular, cuando se utiliza la absorción de dos fotones, pueden necesitarse 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 ser 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 de la trayectoria óptica, elementos móviles, óptica adaptativa y lentes de inmersión.
En muchos ejemplos de sistemas de almacenamiento de datos ópticos en 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 solo 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 haz láser de direccionamiento y, por lo tanto, es muy intensa. Sin embargo, para el almacenamiento óptico en 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 las direcciones desde el punto de destino, por lo que se deben utilizar ópticas especiales de recolección de luz para maximizar la señal.
Una vez que se identifican a lo largo del eje z, se puede acceder a las capas individuales de datos similares a los de un DVD y realizar un seguimiento de ellas de forma similar a los DVD. También se ha demostrado la posibilidad de utilizar direccionamiento en 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 del gran atractivo del almacenamiento óptico de datos en 3D, el desarrollo de productos comerciales ha llevado un tiempo considerable. Esto es consecuencia del limitado respaldo financiero en el campo, así como de problemas técnicos, entre los que se incluyen:
Lectura destructiva. Dado que tanto la lectura como la escritura de datos se realizan 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 datos puede acabar borrando los mismos (esto también ocurre en los materiales de cambio de fase que se utilizan en algunos DVD). Esta cuestión se ha abordado mediante 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 tenido lugar 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 conviertan lentamente en escritos o que los puntos escritos vuelvan lentamente a estar no escritos. Este problema es particularmente grave para los espiropiranos, pero se realizó una amplia investigación para encontrar cromóforos más estables para los recuerdos 3D.
Sensibilidad de los medios. La absorción de dos fotones es un fenómeno débil y, por lo tanto, se requieren láseres de alta potencia para producirla. Los investigadores suelen utilizar láseres de zafiro de titanio o láseres de 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 óptico de datos en 3D se ha llevado a cabo en universidades. Entre los grupos que han aportado valiosas aportaciones se encuentran:
Además de la investigación académica, se han creado varias empresas para comercializar el almacenamiento óptico de datos en 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 la competencia de otros sectores, como los discos duros , el almacenamiento flash y el almacenamiento holográfico .