Перспективы и горизонты развития оптической памяти

В качестве элементов оптической памяти обычно используются твердотельные объекты, в которых запись и считывание информации осуществляются с помощью сфокусированного луча света. Наиболее распространенными в настоящее время являются различные типы компакт-дисков, такие как CD-R, CD-RW и Blu-ray. В них с помощью компактного лазера производится запись информации на тонкий металлический слой на поликарбонатной основе.

Благодаря невысокой стоимости такие носители информации получили широкое распространение не только в науке и технике, но и в быту для хранения программного обеспечения, баз данных, а также для воспроизведения музыкальных произведений и фильмов. Однако к началу 2010-х годов сколь-либо заметного прогресса в развитии технологий подобного типа носителей информации не наблюдается. Главным образом это связано с возникающими сложностями и удорожанием при увеличении плотности записи информации. Для того, чтобы уменьшить объем, в который кодируется информация, необходимо уменьшать длину волну света, так как существует фундаментальное ограничение в виде дифракционного предела фокусировки светового пучка в область, размеры которой не могут быть меньше длины волны света, деленной на удвоенный показатель преломления носителя информации. Так в существующей технологии Blu-ray используется коротковолновое фиолетовое излучение лазера. Конечно, технически возможно генерировать излучение в ультрафиолетовом диапазоне, но это существенно повысит стоимость не только лазера, но и потребует использования более дорогих носителей информации, так как традиционный металлический (алюминиевый) слой компакт-диска станет прозрачным и непригодным для записи ввиду слабого воздействия лазерного пучка в это области спектра.

Альтернативными путями являются многослойное кодирование информации, когда, по сути, носитель информации представляет собой несколько компакт-дисков, наложенных один на другой;и голографическая запись, позволяющая модулировать не только амплитуду, но и фазу светового поля, однако требующая использования более сложных оптических схем и двух интерферирующих лазерных пучков. Тем не менее, несмотря на практическую реализацию данных способов, при их использовании проблема дифракционного предела не решается.

Но все же существует принципиальная возможность закодировать заметно больший объем информации в элементе фиксированного объема, так называемом вокселе, не уменьшая длину волны. Для этого необходимо, чтобы облученная область обладала оптической анизотропией, то есть была чувствительна к поляризации падающего света. Для этого на поверхности или в объеме облучаемого материала за счет периодического распределения локальных электромагнитных полей при облучении мощными фемтосекундными лазерными импульсами, создаются периодические структуры — решетки. Направление решетки задается поляризацией лазерного пучка, а величина анизотропии (двулучепреломления) — числом и энергией лазерных импульсов. Таким образом к трем пространственным координатам области фокуса лазерного пучка добавляются еще две степени кодирования информации по направлению оси и величинеанизотропии, что дало название технологии 5D оптической памяти.

В зависимости от параметров лазерных импульсов и режимов облучения период формируемых решеток может быть сравним с длиной волны излучения или в несколько раз меньше ее, что открывает новые возможности по увеличению плотности записи информации без уменьшения длины волны. В настоящее время учеными из Саутгемптонского университета (Великобритания) уже показана возможность кодирования указанным способом в одном вокселе8 бит информации вместотрадиционного 1 бита, когда просто происходит изотропное «выжигание» кодируемой области лазерным лучом.

Важным является выбор материала для носителя информации — лазерное воздействие должно приводить к заметному изменению оптических свойств материала, то есть должен реализовываться фазовый переход. Применительно к технологии кодирования информации мощными лазерными импульсами успешно используются различные аморфные полупроводники или стекла. В последнем случае можно дополнительно обеспечить долговечность хранения не менее нескольких сотен лет, устойчивость носителя к внешним электромагнитным, коррозионным и тепловым воздействиям, реализуя так называемую «вечную память». В 2018 году ракетой-носителем Falcon Heavy в межпланетное пространство был запущен спутник, на борту которого находится диск из кварцевого стекла с записанной фемтосекундными лазерными импульсами информацией для инопланетных цивилизаций.

Стеклянные носители информации, записанной с помощью фемтосекундных лазерных импульсов: слева — общий вид;по центру — массив данных в неполяризованном свете;справа — массив данных в поляризованном свете, когда углы между направлением оси анизотропии и поляризацией света различны (значения углов в градусах указаны цифрами).

В России в настоящее время носители информации на основе сверхстабильных стекол для фемтосекундной лазерной записи активно разрабатываются в группе профессора В.Н. Сигаева из Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева. Для чтения информации из таких стекол в 2022 году в рамках проекта Национальной технологической инициативы учеными физического факультета совместно с Центром технологий хранения и анализа больших данных МГУ был введен в эксплуатацию программно-аппаратный комплекс для сверхбыстрого оптического считывания.

Оптико-механическая часть программно-аппаратного комплекса для сверхбыстрого оптического считывания.

Параллельно на кафедре общей физики и молекулярной электроники в настоящее время ведутся исследованияпо изучению возможности перезаписи информации фемтосекундными лазерными импульсами. Несмотря на описанные выше преимущества использования стекол в качестве носителей информации, на практике перезапись в них не может быть реализована, то есть по аналогии с компакт-дисками применяется только технология CD-R, но не CD-RW. Чтобы решить эту проблему в качестве материала для изготовления перезаписываемого носителя информации мы выбрали тонкую пленку из GST225-полупроводникового халькогенидного соединения с фазопеременными свойствами: при воздействии на него лазерными импульсами с определенными характеристиками вещество переходит из аморфного состояния в кристаллическое. Возможен и обратный переход при увеличении времени облучения. Разница между оптическими характеристиками GST225 в аморфной и кристаллической фазах достаточно велика и может быть легко зарегистрирована на практике.

Также облучение фемтосекундными лазерными импульсами позволяет формировать на поверхности материала поверхностную решетку микронного масштаба, обуславливающую оптическую анизотропию и чувствительность материала к поляризации падающего света при считывании информации. Таким образом может быть реализована очередная возможность записи информации с высокой плотностью и одновременно возможностью перезаписи.

Изображения в растровом электронном микроскопе облученной фемтосекундными лазерными импульсами тонкой пленки GST225: слева — при большом увеличении лазерно-индуцированные поверхностные периодические структуры, обуславливающие наличие анизотропии;справа — наличие горизонтальной светлой полосы по центру соответствует аморфной фазе материала в результате обратимого перехода, темные области соответствуют кристаллической фазе.

Важно также отметить, что весь технологический процесс создания тонких пленок GST225 является воспроизводимым, масштабируемом и относительно бюджетным, поскольку заключается в предварительном синтезе мишеней из данного материала и их последующем термическом или магнетронном напылении на подходящую подложку.

В настоящее время изготовление носителей информации из GST225 происходит на базе Института общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН (профессор С.А. Козюхин) и Национального исследовательского университета МИЭТ (руководитель лаборатории П.И. Лазаренко).

Доцент Заботнов Станислав Васильевич и научный сотрудник Шулейко Дмитрий Валерьевич в лаборатории кафедры общей физики и молекулярной электроники

Мы надеемся, что даннаястатья привлечет внимание студентов, аспирантов и ученых, интересующихся развитием новых технологий оптической записи информации.

Доцент кафедры общей физики и молекулярной электроники С.В. Заботнов