Primeros métodos ópticos
En este post se pretende hacer una revisión de los métodos de almacenamiento ópticos, desde el archiconocido CD hasta el Blu-ray, y se intentará explicar porqué es necesario un cambio en el paradigma y la aparición del almacenamiento holográfico de información.
Desde las primera pinturas en los muros de las cuevas, el hombre ha usado un sin fin de métodos ópticos para almacenar y distribuir la información, para esta función los medios ópticos de almacenamiento se han mostrado siempre muy versátiles.
Los primeros sistemas se leían a simple vista, sin utilizar ningún dispositivo. En el afán de reducir el tamaño y aumentar la densidad de información, se empezarón a utilizar sistemas más complejos, como la microfilmación, este sistema ya necesita de un sistema óptico que sea capaz de aumentar el tamaño de las distintas páginas almacenadas para su correcta visualización.
Pero cuando hablamos de almacenamiento óptico de información, todos pensamos en el incombustible CD (Compact Disc) o DVD (Digital Versatile Disc). Estos métodos, como sus sucesores (si se pueden llamar sucesores a las pinturas de Atapuerca ;-)), se basan en el mismo principio, es decir, imprimir unas marcas legibles sobre una superficie, evidentemente para leer estás marcas, ya no es posible utilizar solo la vista, no solo por su reducido tamaño, si no por la codificación digital utilizada.
El almacenamiento clásico de información utilizado en CD, DVD y Blu-ray se basa en la impresión de unas pequeñas marcas sobre una superficie que refleje la luz, normalmente aluminio, de esta forma podemos codificar el 1 y el 0 digital como presencia o ausencia de este reflejo.
La disminución del tamaño de las marcas, y una comparativa de las longitudes de onda utilizadas se puede ver en el siguiente gráfico:
Como vemos conforme aumenta la capacidad del dispositivo disminuye la longitud de onda, vemos que hemos pasado de una longitud de onda de 780nm en el CD que está en el infrarrojo cercano, a una longitud de onda de 405nm que corresponde a un color azul (si, ya lo sé, no se rompieron mucho la cabeza para ponerle el nombre el Blu-ray).
Lo más interesante, es que hemos pasado de un tamaño de la marca de 700nm de diámetro a una marca de solo unos 130nm de diámetro, con lo que podemos almacenar muchos más datos en la misma superficie.
Pero, Houston tenemos un problema (siempre he querido decir esto, y no veía la ocasión), el tamaño mínimo del haz láser tiene un límite y este viene dado por algo llamado apertura numérica y por la longitud de onda.
La apertura numérica nos relaciona el tamaño de la lente y su potencia focal, es decir, la distancia de la lente hasta el punto donde el haz se hace más pequeño. Si disminuimos la longitud de onda y aumentamos la apertura numérica disminuiremos el tamaño mínimo del haz láser, pero el problema es que para aumentar la longitud de onda ya entramos en el rango del Ultra Violeta, y en este rango es más difícil conseguir lentes con gran apertura numérica, con lo que en este sentido hemos alcanzado lo que se llama el criterio de resolución de Rayleigh que marca el límite en el que podemos distinguir dos imágenes, en nuestro caso dos marcas, como separadas o distintas. Con lo que hemos llegado donde íbamos, esta tecnología ha llegado a lo máximo que puede ofrecer.
La capacidad de almacenamiento de un disco Blu-ray está en 25GB para una capa 50GB para dos capas, y hasta 128 GB para 4 capas, pero el aumento de capas tiene un gran problema usando la tecnología de reflexión, ya que dismimuye mucho la relación señal ruido, es decir, la capacidad que tenemos para leer con confianza dichos datos, hay intentos para aumentar el número de capas utilizando materiales fluorescentes, que permiten aumentar el número de capas y la relación señal ruido.
Estos métodos ya no utilizan material reflectante, si no que excitan el material fluorescente, y es este, y la capacidad de filtrado y detección de este tipo de luz con la que leeríamos los datos, con esta tecnología prometen hasta ¡1 PetaByte! de información en un disco del tamaño de un CD, aunque algo más «gordico» para poder albergar hasta 2000 capas de material.
Pero, ¿Hay otra solución?:
Sí, la holografía viene al rescate:
Holografía en Google
Efectivamente, si realizas una búsqueda de «Holografía» en Google, aparecen 3 imágenes de Star Wars, por cada una de Dennis Gabor, que fue premio Nobel de Física en 1971 por su descubrimiento o conceptualización de la holografía allá por el año 1947.
El amigo Dennis Gabor, explicando como funciona esto de la holografía
Gabor fue inspirado por la microscopia de Rayos X desarrollada por Bragg, e intento utilizar una técnica similar, para mejorar la resolución del microscopio electrónico, si bien, la holografía no solucionó dicho problema, si que fue creado el concepto, que en los años ’60 de la mano de Leith y Upatnieks y de la aparición en escena del Láser hizo prosperar la metodología para el almacenamiento y reproducción de hologramas.
La ventaja introducida por la Holografía proviene de la posibilidad de almacenar información en todo el volumen del disco. (se aprovecha todo el volumen del disco y no solo la superficie)
Para formar un holograma se hace incidir sobre el material de registro, un haz con la información, normalmente una imagen con los datos que queremos almacenar, y un haz de referencia que será el que cree el patrón de interferencia que se almacena.
En el esquema de la siguiente figura, se ve como se hace pasar el haz objeto a través de un dispositivo llamado SLM (Spatial Light Modulator, Modulador Espacial de Luz), que es el encargado de introducir los cambios en la fase o la amplitud del haz objeto, para codificar la información que queremos almacenar. El Haz de Referencia es el que se utiliza para hacer interferir los dos haces y producir el patrón de interferencias que se almacenará en el material de registro.
Estos dos haces tendrán que provenir de la misma fuente para que produzcan la interferencia de la que hablamos, por eso aparece en el esquema un divisor de haz que genera los dos haces a partir del original.
Funcionamiento durante la grabación
Podemos observar en el esquema que el haz de referencia incide en un ángulo con respecto al haz objeto, este ángulo es muy importante, ya que podremos grabar distintos hologramas, es decir, grabaremos información distinta en el mismo espacio físico, y después solamente tendremos que incidir con el ángulo adecuado para acceder a dicha información.
Este es el esquema básico que se utilizaría para almacenar la información en el disco, por medio de la variación del ángulo podemos llegar a tener en el mismo espacio hasta cien hologramas, o páginas de datos distintas con lo que la densidad de almacenamiento de este tipo de dispositivo es del orden de 300Gb a 1Tb en un disco del tamaño de un CD. O al menos eso es lo que ofrece InPhase, firma que ya está comercializando este tipo de almacenamiento, y que se creó como una Spin-Off de Laboratorios Bell.
Para acceder a la información, bastará con iluminar el disco con el holograma almacenado, pero esta vez solo con el haz de referencia, como se observa en el siguiente esquema:
Funcionamiento durante la lectura
Del modo de funcionamiento es fácil ver, que a la hora de leer, se leen páginas de datos enteras, con lo que tenemos un gran paralelismo y una alta transferencia de datos, al no leerse estos de manera secuencial.
Este tipo de almacenamiento también ofrece otras ventajas, como es la capacidad de búsqueda en paralelo.
Grabación, Busqueda y reconstrucción
Como se ha comentado, en un mismo espacio físico se almacenan distintos bloques de datos (paginas), pues bien, si en vez de utilizar el haz de referencia con el ángulo de incidencia adecuado para acceder a una página en concreto, iluminamos el bloque de datos con un haz objeto que contenga la información a buscar, lo que se produce es una refracción de este haz en el ángulo concreto donde está almacenada dicha información, es decir, automáticamente podremos conocer la página concreta donde está almacenada la información, en el esquema anterior se resume los esquemas de grabación (a), lectura o reconstrucción (c) y esquema de busqueda (b).
Este post participa en la IX Edición del Carnaval de Tecnología acogido por Ununcuadio en Pero eso es otra historia y debe ser contada en otra ocasión.
Referencias:
Kevin Curtis, Lisa Dhar, Adiran Lill, William Wilson, Mark Ayres; Holographic Data Storage: From Theory to Practical Systems. Ed. Wiley
Meditaciones Dactilares 
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