Embedded CMOS-Imager Holographische Datenspeicher mit digitalen Mikrospiegeln

Die Entwicklung holographischer Datenspeicher war bislang durch teure Systemkomponenten sowie die Komplexität holographischer Multiplexertechniken begrenzt – und weil es an geeigneten Speichermaterialien mangelte. Mit der Einführung digitaler Mikrospiegel für Consumer-Displays und CMOS-basierten Detektor-Arrays mit aktiven Pixeln für schnelle Machine-Vision-Applikationen ändert sich dieses Szenario.

Anbieter zum Thema

OKW Odenwälder Kunststoffwerke Gehäusesysteme GmbH

ODU GmbH & Co. KG

Eurocircuits GmbH

Mikrospiegel lassen sich effektiv als Flächenlichtmodulatoren verwenden, während schnelle CMOS-Imager zum Auslesen der digitalen Daten dienen, die innerhalb eines holographischen Mediums gespeichert sind. Traditionelle optische Speicher schreiben die Daten in die Oberfläche eines Trägermediums. Um die Speicherkapazität zu erhöhen, nutzen holographische Techniken zahlreiche verschiedene Ebenen innerhalb des jeweiligen Speichermediums zum Aufzeichnen von Daten – die Speicherkapazität erhöht sich entsprechend.

Ein weiterer Vorteil: Während herkömmliche Technologien Speichermedien seriell beschreiben, erlauben holographische Techniken das parallele Schreiben und Lesen von Millionen Bits. Dies ermöglicht Übertragungsraten, die deutlich über denen gegenwärtiger optischer Speicher liegen.

Wie funktionieren holographische Speichertechnologien? Das Licht eines einzelnen Laserstrahls wird in einen Signalstrahl – der eigentliche Datenträger – und einen Referenzstrahl aufgeteilt. Dort, wo beide Strahlen sich im Aufzeichnungsmedium schneiden, entsteht ein Hologramm (siehe Grafik). Zum Kodieren von Daten auf dem Signalstrahl setzt der Flächenlichtmodulator (Spatial Light Modulator, SLM) die digitalen Daten in ein Schachbrettmuster von hellen und dunklen Pixeln um. Diese PIxel werden in Arrays oder Seiten von jeweils etwa 1 Mio. Pixeln angeordnet, je nach Pixelumfang des SLM.

Durch chemische Reaktion im Speichermedium entsteht ein Hologramm

Am Schnittpunkt von Referenz- und Signalstrahl entsteht durch eine chemische Reaktion im Speichermedium ein Hologramm. Durch Variation des Winkels oder der Wellenlänge des Referenzstrahls oder auch der Position des Mediums lassen sich zahlreiche unterschiedliche Hologramme im Speichermaterial aufzeichnen.

Beim Auslesen der Daten wird der Referenzstrahl durch das Hologramm im Speichermedium abgelenkt und damit die gespeicherte Information rekonstruiert. Das Hologramm wird auf einen CMOS-Imager projiziert, der die Daten parallel ausliest.

In der Vergangenheit sahen sich die Entwickler holographischer Speichersysteme mit drei großen Herausforderungen konfrontiert. So waren bislang die Fertigung und der Einsatz der teuren SLMs im Wesentlichen auf militärische Anwendungen beschränkt. Jetzt aber bietet die Verfügbarkeit kostengünstiger Komponenten wie des DLP (Digital Light Prozessor) von Texas Instruments einen effektiven Ersatz für SLMs.

Speicherdichten von 31,5 GBit pro Quadratzoll sind derzeit erreichbar

Eine fast noch größere Herausforderung bei der Implementierung holographischer Speicher war die Entwicklung geeigneter Speichermedien. Auch da könnte jetzt der Firma InPhase Technologies, einem Spin-off der Bell-Labs mit Sitz in Longmont im US-Bundesstaat Colorado nach mehr als siebenjähriger Entwicklungsarbeit der kommerzielle Durchbruch gelingen. Die Bell Labs haben bereits in diese Technologie investiert.

Nach Aussage von InPhase werden derzeit Speicherdichten von 31,5 GBit pro Quadratzoll erreicht. Dies entspräche einer Speicherkapazität von etwa 45 GByte auf einer 5,25-Zoll-Festplatte. Bei InPhase wurde bereits die Aufzeichnung und Wiedergabe von mehr als 3.000 digitalen Datenseiten demonstriert. Mit neueren Materialen und kundenspezifischen Optiken sollen sogar Datendichten von mehr als 100 GBit pro Quadratzoll erreichbar sein. Neben InPhase Technologies arbeiten auch andere Unternehmen an holographischen Speichersystemen, z.B. DCE Aprilis in Maynard im US-amerikanischen Bundesstaat Massachusetts.

„Bei der Entwicklung derartiger Laufwerke“, sagt Joost Seijnaeve, Director of Business Development Custom CMOS Image Sensors bei Cypress Semiconductor im belgischen Mechelen, „ist es äußerst wichtig, große Datenmengen schnell und parallel aus dem auf einen CMOS-Detektor projizierten rekonstruierten Array auszulesen“. Zu diesem Zweck hat Cypress ein 1696 × 1710-CMOS-Detektor-Array mit 8 × 8 µm großen Pixeln entwickelt. Es liefert LVDS-Ausgangssignale bei einigen Hundert Bildwechseln pro Sekunde.

„Dies ermöglicht Imager mit Übertragungsraten von einigen Gigapixeln pro Sekunde”, sagt Seijnaeve. Noch vorteilhafter ist, dass das System über einen eingebauten 8-Bit-ADC verfügt und damit direkt digitale Daten ausgibt. „Dies ist wichtig für eingebettete Applikationen, wo reduzierte Systemkosten von besonderer Bedeutung sind.“ Bei einem Preis von unter 1.000 US-$ in Großstückzahlen soll dieser Imager zunächst auf den Ersatz von Bandspeichern zielen – später aber auch auf Speicher für Consumergeräte.

*Joost Seijnaeve, Cypress Semiconductor in Mechelen, Belgien

(ID:225906)