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Holographische Datenspeicher

Dreidimensionale optische Datenspeicherung, schon Anfang der sechziger Jahre vorgeschlagen, wird nun intensiv erforscht. Bit-Muster können holographisch in Kristallen wie auch in Polymerfilmen in hoher Dichte abgelegt und rasch wieder ausgelesen werden. Erste Anwendungen dürften spezieller Art sein, etwa für autonome Navigations- und automatische Sicherungssysteme; vielleicht läßt sich mit dieser Technik aber künftig die Kapazität zweidimensionaler optischer Speicher übertreffen.

Das optische Speichern und Abru- fen digitaler Daten gehört zu den großen technischen Fortschritten der letzen 15 Jahre. Die Compact Disc (CD) ist mittlerweile das führende Medium der Musikaufzeichnung und als CD-ROM (read only memory) schon Standard bei Multimedia-Produkten, die Text, Bild und Ton kombinieren (beide unterscheiden sich nur hinsichtlich der Datenstruktur und Codierung).

Derzeit vermag man einer solchen Scheibe etwa 640 Millionen Bytes in Form von Vertiefungen, sogenannten Pits, einzuschreiben, entsprechend 75 Minuten Musik hoher Klangqualität oder mehr als 300000 Schreibmaschinenseiten Text bei zweizeiligem Abstand. Doch strebt die Unterhaltungsindustrie bereits nach Möglichkeiten, bewegte Bilder – einen oder mehrere Spielfilme als hochaufgelöstes Digitalvideo – samt Ton in High-Fidelity-Qualität auf einem optischen Medium gleicher physischer Größe unterzubringen; und Krankenhäuser, Rechtsanwaltskanzleien, Behörden und Büchereien mit hohem Datenaufkommen verwenden Jukebox genannte Plattenwechsler für mehrere hundert Discs.

Um dem wachsenden Speicherbedarf nachzukommen, sucht man das Medium zu optimieren. Ein Weg sind immer effektivere Algorithmen zur Datenkompression; die technische Grundausstattung bliebe dabei zunächst erhalten. Ein anderer sind Halbleiter-Laser mit Strahlung kürzerer Wellenlänge, die entsprechend höhere Auflösung ermöglicht, ein dritter mehrschichtige CDs. Damit sollte die Kapazität der Compact Disc in den nächsten fünf Jahren mehr als zehn Gigabyte erreichen.

(So gelang es 1993 im Almaden-Forschungszentrum der Firma IBM in San Jose (Kalifornien) einen blauen Laserstrahl mit 428 Nanometer (millionstel Millimeter) Wellenlänge auf einen Fleck von 0,4 Mikrometern (tausendstel Millimeter) Durchmesser zu fokussieren; derzeit verwendet man Infrarot-Laserdioden mit etwa 780 Nanometern Wellenlänge und fast doppelt so großem Brennfleck. Im folgenden Jahr präsentierte das Zentrum das Konzept einer zehnlagigen CD für 6,5 Gigabyte (Milliarden Bytes). Jede Lage bestünde aus einer teilweise transparenten Speicherplatte; durch Fokussieren einer beweglichen Optik auf die unterschiedlichen Ebenen ließe sich die jeweilige Information auslesen. Eine zweilagige CD hat auch das internationale Unternehmen 3M entwickelt; mittels kleinerer und enger liegender Pits, rotem statt infrarotem Laserlicht und anderen ergänzenden Maßnahmen sollen 7,5 sowie durch Übergang zu Blaugrün-Lasern kurz nach der Jahrhundertwende gar rund 20 Gigabyte Kapazität möglich sein. Ende letzten Jahres einigten sich zudem die einschlägigen Hersteller auf eine grundlegende Spezifikation der künftigen CD und CD-ROM, die unter anderem das Verwenden ein- und zweifacher Speicherschichten mit jeweils 4,7 Gigabyte umfaßt. Die Redaktion.)

Um allerdings noch zehnmal mehr Information auf einem vergleichbar großen Medium abzulegen, dazu mit kürzeren Zugriffszeiten und hohen Übertragungsraten, ist ein grundsätzlich neuer Ansatz erforderlich. Einer ist die Holographie. Das von dem ungarisch-britischen Elektroingenieur Dennis Gabor (1900 bis 1979) schon 1947 skizzierte und dann entwickelte Verfahren – er wurde dafür 1971 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet – begann man in den sechziger Jahren, als brauchbare Laser zur Verfügung standen, in der Wissenschaft zu nutzen. Bereits 1963 schlug Pieter J. van Heerden von der Firma Polaroid einen holographischen, also dreidimensionalen Datenspeicher vor. (Einen der ersten Versuche, damit Bit-Muster zu konservieren und wieder zu reproduzieren, unternahmen wiederum Forscher des Almaden-Zentrums der IBM; als Medium verwendeten sie hochauflösendes Filmmaterial, das wie bei der gewöhnlichen Photographie nach dem Belichten zu entwickeln war. Die Redaktion.)

Mittlerweile sind viele Experten überzeugt, daß man mit verbesserten Methoden tatsächlich die gewünschten Kapazitäten bereitstellen und Übertragungsraten von einem Gigabit pro Sekunde erreichen kann – und das bei einer minimalen Zugriffszeit von höchstens einer zehntausendstel Sekunde auf jedes beliebige Datenelement. Große Firmen wie Rockwell, IBM und GTE haben in den vergangenen zwei Jahren enorme Anstrengungen in dieser Richtung unternommen. Und während einige Wissenschaftler erst in den nächsten fünf bis zehn Jahren mit marktfähigen Produkten rechnen, gründen andere Firmen, um bei dem zu erwartenden Wettbewerb von vornherein gute Startchancen zu haben.


Funktionsweise

Die hohe Speicherdichte ist das Resultat einer räumlichen Aufzeichnung, bei der zweidimensionale Bit-Muster nacheinander einem Kristall eingeprägt werden; beim Auslesen erfaßt man ganze Speicherbereiche auf einmal und erreicht so hohe Datenraten. Dabei entspricht jedem Datensatz ein über das gesamte Medium verteiltes Interferenzmuster zweier Laserstrahlen. Zum Speichern nutzt man häufig einen Kristall aus dotiertem Lithiumniobat (LiNbO3), dessen Brechkraft sich lichtabhängig ändert (Bild 1).

Zuvor müssen die zu speichernden Bits als flächiges Muster aus durchsichtigen und undurchsichtigen Bildpunkten einer Flüssigkristallanzeige (gleichsam eines verkleinerten Laptop-Bildschirms) codiert und von blaugrünem Laserlicht durchstrahlt werden; weil diese Vorrichtung das Licht ortsabhängig beeinflußt, bezeichnet man sie als Raummodulator (spatial light modulator, SLM). Linsen bündeln das modulierte Licht zu einem Signalstrahl (Bild 2). Das Hologramm eines Seite genannten Datensatzes entsteht, wenn dieser Strahl im Kristall mit einem Referenzstrahl gleicher Wellenlänge und fester Phasenbeziehung zusammentrifft (dazu wird nur ein Laser verwendet und dessen Strahl geteilt). Das Interferenzmuster induziert an beleuchteten Dotieratomen des Kristalls ein Abwandern von Elektronen an unbeleuchtete Stellen. Damit entstehen elektrische Felder, welche die Struktur des Kristalls und damit auch seinen lokalen Brechungsindex verändern, so daß ein optisches Phasengitter resultiert; man spricht vom photorefraktiven Effekt (Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1990, Seite 72).

Indem man nun den Referenzstrahl unter exakt demselben Winkel einstrahlt wie zuvor, beugt ihn das Gitter so, daß er das Abbild der Originalseite rekonstruiert. Es läßt sich auf Photozellen projizieren, welche das Hell-Dunkel-Muster erkennen – also die Information der betreffenden Seite auf einmal lesen – und in einen Bit-Strom umwandeln. Diese Daten sind dann mit einem herkömmlichen Rechner weiterzuverarbeiten.

Je dicker der Kristall ist, desto exakter muß der Referenzstrahl beim Auslesen auf seine vormalige Position eingerichtet werden. Weicht der Beleuchtungswinkel bei einem Kristall von einem Zentimeter Dicke nur um ein tausendstel Grad ab, ist keine Rekonstruktion mehr möglich.

Tatsächlich ist dieser Effekt höchst erwünscht, um mittels Winkelmultiplexing nacheinander mehrere Datenseiten abzuspeichern: Zunächst wird die erste holographisch im Kristall fixiert, dann der Winkel des Referenzstrahls verändert, bis ihre Rekonstruktion verschwindet und eine neue ohne Übersprechen der bereits gespeicherten Information angelegt werden kann. In unseren Apparaturen variieren wir den Winkel in Schritten von weniger als einem hundertstel Grad.

Wie viele Seiten lassen sich in einem einzigen Kristall unterbringen? Da die Information einer Seite jeweils in dem gesamten Volumen verteilt ist, das im Kreuzungspunkt der beiden Strahlen liegt, gilt: Je mehr Hologramme sich dasselbe Speichervolumen teilen, desto schwächer wird jedes einzelne; genauer gesagt ist der Prozentsatz des von jedem Hologramm gebeugten (und mit den Photozellen gemessenen) Lichts umgekehrt proportional zum Quadrat der Anzahl abgespeicherter Hologramme – wenn etwa bei zehnen die Beugungseffizienz ein Prozent beträgt, sinkt sie bei 1000 auf 0,0001 Prozent. Eine Rekonstruktion ist nicht mehr sicher möglich beziehungsweise die Rate fehlerhaft ausgelesener Bits zu hoch, wenn dieses Signal sich vom Hintergrundrauschen des Systems – beispielsweise infolge von Intensitätsschwankungen des Lasers, Streuungen im Kristall und thermischen Elektronen im Detektor – nicht mehr abgrenzen läßt.

Die Höchstzahl speicherbarer Hologramme ist durch Messen der optischen Eigenschaften des Kristalls und der unterschiedlichen Rauschquellen im System zu ermitteln. Technische Entwicklungen zielen darauf ab, die optischen Signale gegenüber dem Hintergrundrauschen klarer abzugrenzen, um immer schwächere auszuwerten, oder die Stärke der Aufzeichnungssignale zu erhöhen.


Stand der Technik

In den beschriebenen Grundzügen datieren erste Versuche bereits auf den Beginn der siebziger Jahre. Juan J. Amodei, William Phillips und David L. Staebler gelang es an den damals zum Unternehmen RCA gehörenden Forschungslaboratorien in West Windsor (New Jersey), 500 Hologramme von ebenen Wellen in einem eisendotierten Lithiumniobatkristall zu speichern. Robert A. Bartolini und andere RCA-Mitarbeiter schafften 550 Hologramme hochaufgelöster Bilder in einem lichtempfindlichen Polymer. Jean-Pierre Huignards Arbeitsgruppe bei Thomson-CSF in Orsay (Frankreich) entwickelte einen Speicher mit 256 Speicherplätzen für je zehn Hologramme; er bestach nicht nur durch seine hohe Kapazität, sondern auch durch die Gründlichkeit der Konstruktion.

So eindrucksvoll diese frühen Versuche auch waren, resultierte doch kein praktisch nutzbares System daraus. Zur gleichen Zeit entwickelten sich Halbleiter- und Magnet-Speicher so schnell, daß es unrentabel schien, exotische Technologien noch weiter zu verfolgen.

Im Jahre 1991 begann aber eine Renaissance. Beispielsweise demonstrierte einer von uns (Mok) mit finanzieller Unterstützung der US-Luftwaffe und der Advanced Research Projects Agency des amerikanischen Verteidigungsministeriums, daß 500 hochaufgelöste holographische Aufnahmen von Panzern, Jeeps und anderen militärischen Fahrzeugen in einem eisendotierten Lithiumniobatkristall abzulegen und in hoher Qualität wieder auszulesen sind.

Es folgten neue Theorien und Versuche. Im Jahre 1992 brachten wir 1000 Seiten digitaler Daten mit jeweils 160 mal 110 Bits – insgesamt also um die zwei Megabyte – in einem Kubikzentimeter eines solchen Kristalls unter. Es gelang uns des weiteren, die Daten wieder segmentweise und sogar fehlerfrei in den Speicher des verwendeten Personalcomputers einzulesen. Zwar ist das noch weit von den 640 Megabyte der CD entfernt, doch erbrachte dieses Experiment den entscheidenden Nachweis, daß die Präzision holographischer Medien für digitale Computer ausreicht.

Mit einer vergleichbaren Versuchsanordnung waren sogar 10000 Datenseiten zu bewältigen – das ist der bisherige Rekord für einen einzelnen Kristall. Jede davon umfaßte 320 mal 220 Bits, so daß sich eine Gesamtkapazität von mehr als 80 Megabyte ergab. Dieses Experiment führten wir 1993 in Zusammenarbeit mit Geoffrey Burr am California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena durch.

Die Mehrzahl der Einzelhologramme bestand aus willkürlichen Binärmustern, ähnlich den in herkömmlichen Computern gespeicherten Daten. Die unkorrigierte Fehlerrate betrug ein falsches pro 100000 Bits. Das ist für Bilddaten ausreichend, sofern diese nicht komprimiert sind. Anhand einiger Porträtphotos und Aufnahmen mit dem Caltech-Logo zeigten wir, daß Bilder und Daten in holographischen Speichern leicht zu kombinieren sind.

Zwar entspricht die in den 10000 Hologrammen enthaltene Information nur einem Achtel des Fassungsvermögens einer normalen CD, doch läßt sich dieser Wert steigern, wenn man die Kristalle besser nutzt. Zwar sind sie zwischen einem und 15 Kubikzentimeter groß, doch beträgt das effektive Speichervolumen gemäß der Größe des Interferenzbereichs nur 0,8 Kubikzentimeter. Durch Variation der vertikalen Ablenkung des Referenzstrahls – dazu verwenden wir außer dem mechanischen Scanner einen Streifenspiegel, der die vertikale Verschiebung entsprechend umsetzt – vermochten wir beispielsweise 16 verschiedene Bereiche anzusprechen und darin je 10000 Datenseiten abzulegen; mithin kamen wir auf eine Gesamtanzahl von 160000 Hologrammen oder 1,4 Gigabyte Kapazität.

Im Jahre 1994 gelang es John F. Heanue, Matthew C. Bashaw und Lambertus Hesselink von der Universität Stanford (Kalifornien), erstmals digitalisierte sowie komprimierte Bilder und Video-Dateien quasi automatisch umzusetzen und ohne merkliche Einbußen der Bildqualität wieder abzurufen. Dazu speicherten sie 308 Seiten mit je 1592 Bits an Rohdaten an vier getrennten Speicherplätzen in einem einzigen Kristall. Die Bitfehlerrate ließ sich von weniger als einem pro 10000 auf etwa eines pro Million verringern. Dazu wurde jedes Bit in zwei Bildpunkte des SLM – des Raummodulators – übersetzt: Eine 0 entsprach der Pixelsequenz Dunkel-Hell, eine 1 dagegen Hell-Dunkel. Den Wert eines Informationsbits ermittelte der Detektor beim Auslesen anhand des Vorzeichens der Differenz der Pixelintensitäten; dem zugrunde liegt die Annahme, daß sich das Hintergrundrauschen auf jeden Bildpunkt unabhängig auswirkt. Zusätzlich wurden jeweils vier Bit eines Bytes verwendet, um mit mathematischen Verfahren Fehler automatisch erkennen und korrigieren zu können. Damit reduzierte sich zwar die Gesamtkapazität von 245 auf nur noch 163 Kilobyte, doch auch in diesem Experiment ging es nur um den prinzipiellen Nachweis der Machbarkeit – es bieten sich vielfältige Ansätze zur Optimierung.

Im übrigen müßte sich der Schreib- oder Lesevorgang besonders rasch ohne mechanische Hilfsmittel durchführen lassen. Die Beugung des Referenzstrahls wäre nämlich auch mit einem akusto-optischen Modulator durch Hochfrequenz-Schallwellen in Festkörpern möglich. Theoretisch läßt sich damit innerhalb von wenigen Dutzend Mikrosekunden jede beliebige Datenseite auswählen und lesen – im Gegensatz zu mehreren Dutzend Millisekunden, die für die Bewegung der Schreib-/Leseköpfe optischer und magnetischer Platten typisch sind. Im Rockwell-Forschungszentrum in Thousand Oaks (Kalifornien) haben John H. Hong und Ian McMichael ein Kompaktsystem entwickelt, mit dem auf 20 Plätzen je 1000 Hologramme zu speichern sind, wobei der Zugriff auf eine beliebige Seite und das fehlerlose Auslesen der Daten weniger als 40 Mikrosekunden dauert.

Verbesserungen der Systemleistung lassen sich sicherlich auch noch durch einen schnelleren Raummodulator erzielen. Unser derzeitiger SLM vermag 30 Seiten mit jeweils 640 mal 480 Pixeln pro Sekunde darzustellen.


Vielversprechende Polymere

Einen anderen Typ holographischen Materials brachte das Unternehmen Du-Pont 1994 auf den Markt. Dieses Photopolymer verändert sich unter Lichteinwirkung nicht photorefraktiv, sondern chemisch, und zwar dauerhaft, so daß die einmal gespeicherte Information weder gelöscht noch überschrieben werden kann. Das Material eignet sich deshalb ausschließlich für ROM- und WORM-Speichermedien (write once read multiple), erlaubt aber das Speichern einer ungleich höheren Zahl von Hologrammen. Einem von uns (Psaltis) gelang in Zusammenarbeit mit Allen Pu vom Caltech und Kevin Curtis von den AT&T Bell-Laboratorien in Murray Hill (New Jersey), bereits 1000 Seiten eines Bit-Musters in einem nur 0,1 Millimeter dicken Polymerfilm zu speichern und ohne nachweisbare Fehler wieder abzurufen.

In den letzten Jahren haben Forscher der IBM und der Universität von Arizona in Tucson begonnen, auch photorefraktive Polymerfilme zu untersuchen. Allerdings ist das Potential von Lithiumniobat längst nicht ausgeschöpft. So sind seit kurzem mit Eisen und Cer dotierte und daher nicht grün-, sondern rotempfindliche Kristalle erhältlich – Vorläufer einer neuen Generation, die mit den wesentlich billigeren und kleineren Halbleiterlasern zu beschreiben sind.


Technische Entwicklung

Wesentliche Impulse für die weitere Entwicklung kommen aus der wachsenden optoelektronischen Industrie, die kostengünstige, kompakte und energiesparende Geräte produziert, wie sie zum Bau großer holographischer Speicher und zum Datenaustausch mit digitalen Computern benötigt werden. Beispielsweise wurden kleine Halbleiterlaser, die rotes Licht emittieren, ursprünglich für die Datenübertragung in Glasfasern entwickelt. Die als Raummodulatoren fungierenden Flüssigkristall-Bildschirme waren eigentlich für Video-Projektoren konzipiert. Für Fernsehkameras entwickelte große CCD-Detektoranordnungen, die Bilder in elektronische Signale wandeln, dienen zum Auslesen der Speicher.

Auf solchen technologischen Fortschritten beruhen die jüngsten Leistungsnachweise holographischer Speicher, die ihrerseits zu genaueren Untersuchungen der zugrundeliegenden physikalischen Vorgänge motivieren. Ein schon lange anstehendes Problem war das Übersprechen, wie es vom Telephonieren bekannt ist. Es äußert sich in unserem Zusammenhang als bruchstückhaftes, spontan auftretendes Mitauslesen ungewollter Daten, so daß beim Zugriff auf eine Seite quasi Geisterbilder aller anderen auftreten. Mehr als 20 Rauschquellen sind inzwischen bekannt; ihre Effekte lassen sich berechnen und weitgehend vermeiden, etwa durch sorgfältige Wahl des Winkels zwischen den Referenzstrahlen aufeinander folgender Belichtungen.

Ein weiteres Nebenprodukt der theoretischen Arbeiten ist die Entwicklung neuer und die Verbesserung existierender Multiplexverfahren als Alternative zu dem beschriebenen winkelorientierten. Beispielsweise entwickelten die Staatsuniversität von Pennsylvania in University Park und Caltech unabhängig voneinander eine Methode, aufeinanderfolgende Seiten mit Referenzstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge aufzunehmen. Auch solche, die für jede Seite eine Codierung mit einem anderen Muster enthalten, wurden an der Universität von Kalifornien in San Diego und unabhängig davon in Frankreich am Institut für Optik in Orsay erprobt.


Erweiterung des Speichervolumens

Bessere Multiplexverfahren sind sicherlich willkommen, machen sie holographische Speichermedien doch deutlich schneller als CD-Systeme. Der Geschwindigkeitsvorteil allein wird aber die bewährte Technik kaum aus dem Markt verdrängen können. Deshalb ist eine Erweiterung der Speicherkapazität unabdingbar.

Eine Möglichkeit dazu ist es, viele kleine würfelförmige Speicherkristalle auf einer Fläche zu verteilen, genannt räumliches Multiplexing. Die Kapazität erhöht sich proportional zur Anzahl der Würfel, in denen Daten jeweils auf übliche Weise mittels Winkelmultiplexing zu speichern sind.

Schwierig ist es, die Kristalle separat anzusprechen. Eine schon erprobte Möglichkeit ist, das System in Form einer Disc anzulegen, die große Ähnlichkeit mit einer herkömmlichen CD hat: Das scheibenförmige Aufnahmemedium sitzt auf einem rotierenden Träger, darüber schwebt ein Laserkopf zum Schreiben und Auslesen. Durch radiales Verschieben läßt sich jeder Punkt ansteuern. Dieses von einem von uns (Psaltis) 1992 vorgeschlagene Prinzip hat Anfang 1995 erstmals Pu am Caltech verwirklicht. Wie in anderen holographischen Speichermedien legt man die Daten im gesamten Teilvolumen eines Würfels ab. Der Lesekopf verfügt über eine Detektoranordnung zum Lesen einer ganzen Datenseite und eine Strahlumlenkeinheit zum Winkelmultiplexing. Auch ließe sich in den Kopf ein Lichtmodulator integrieren, ähnlich den bislang üblichen Flüssigkristall-Bildschirmen, der die Datenseiten auf den Signalstrahl überträgt.

Obwohl die Information räumlich gespeichert ist, läßt sich eine theoretische Anzahl der pro Flächeneinheit speicherbaren Bits zum Vergleich mit einer konventionellen CD berechnen. Für Dicken von weniger als zwei Millimeter wächst die Flächeninformationsdichte der Holographie-Disc annähernd proportional zu ihrer Stärke. Bei seinem Versuch erreichte Pu zehn Bits pro Quadratmikrometer (millionstel Quadratmillimeter) auf einer Trägerscheibe mit 0,1 Millimeter starkem Polymerfilm (der größtmöglichen Dicke für dieses Material). Dieser Wert ist etwa das Zehnfache dessen einer konventionellen CD.

Mit der Dicke vergrößert sich die Flächendichte im gleichen Maße. Eine 3 D-Disc mit ein Millimeter starker Speicherschicht wäre annähernd so groß und schwer wie eine herkömmliche CD, trüge aber die einhundertfache Informationsmenge.

Holoplex, ein kleines, von uns gemeinsam in Pasadena (Kalifornien) gegründetes Unternehmen, hat damit ein Sicherheitssystem entwickelt, in das sich zur Zugangskontrolle bis zu 1500 Fingerabdrücke eingeben lassen (Bild 4). Zwar ist die Kapazität des Speichers nur etwa halb so groß wie die einer CD, doch kann sein gesamter Inhalt innerhalb von nur einer einzigen Sekunde ausgelesen werden. Die Firma arbeitet derzeit an einer 3D-Disc für bis zu eine Billion Bits, etwa dem zweihundertfachen Dateninhalt einer CD.


Assoziative Speichermedien

Bevor eine solche Super-CD tatsächlich auf den Markt kommt, finden holographische Speicher jedoch vermutlich zunächst in spezialisierten Hochgeschwindigkeitssystemen Verwendung, möglicherweise aufgrund ihrer assoziativen Natur, die im Jahre 1969 schon Dennis Gabor beschrieben hatte. Bei einem Hologramm läßt sich nämlich jeder der beiden zu seiner Herstellung verwendeten Strahlen zur Rekonstruktion des anderen einsetzen; und statt das Medium mit dem Referenzstrahl zu beleuchten, um ein Hologramm auszulesen, kann man umgekehrt auch den Kristall mit einem der gespeicherten Bilder belichten, um den zugehörigen Referenzstrahl näherungsweise zu rekonstruieren.

Er verläßt den Kristall unter dem entsprechenden Winkel als ebene Welle. Mit einer Linse kann man sie auf einen kleinen Punkt fokussieren, dessen seitliche Position vom Winkel des rekonstruierten Referenzstrahls abhängt. Wird der Kristall aber mit einem nicht gespeicherten Hologramm belichtet, ergeben sich mehrere Strahlen; die Helligkeit jedes Punktes ist proportional zum Grad der Übereinstimmung des eingegebenen mit jeweils einem gespeicherten Bild. Kurz – das Punktmuster zeigt an, wie ähnlich das eingestrahlte Bild dem gespeicherten Bestand ist.

Im vergangenen Jahr haben Pu, Robert Denkewalter und einer von uns (Psaltis) mit Hilfe dieses Effekts ein kleines Fahrzeug durch die Flure und Labors der Abteilung für Elektrotechnik am Caltech gesteuert. Dazu wurden Bilder der Räume in einem holographischen Speicher abgelegt, der per Funk mit einem Computer in Verbindung stand. Eine auf dem Fahrzeug montierte Fernsehkamera lieferte das Eingabebild, das unterwegs mit den vorhandenen abgeglichen wurde. Sobald der Rechner eine ihm bekannte Szene entdeckte, lenkte er das Fahrzeug auf einer von mehreren vorgegebenen Routen, die wiederum durch abgespeicherte Bildsequenzen definiert war (Bild 3). Zwar waren das einige tausend Bilder – wie sich jedoch herausstellte, wurden für die Fahrt durch mehrere Räume nur 53 davon benötigt. Derzeit entwickeln wir ein neues Vehikel, dessen Speicher hoffentlich dafür ausreicht, um es autonom auf dem gesamten Campus-Gelände umherfahren zu lassen. Selbst mit der erforderlichen großen Datenmenge sollte die abgespeicherte Information aus den genannten Gründen schnell genug abrufbar sein, um das Fahrzeug sicher ganze Straßenzüge entlang und um Hindernisse herum zu steuern. Solche Navigationsanwendungen sind möglicherweise eines der speziellen Einsatzgebiete, die zur Weiterentwicklung und Verbreitung der neuen Technik anregen.

(Im November vergangenen Jahres wurde zudem das Forschungsprogramm Holographic Data Storage System in den USA inauguriert. Mit 50prozentiger Finanzierung durch das Verteidigungsministerium wollen drei Universitäten und zahlreiche Firmen – darunter IBM und Kodak – Schlüsselkomponenten verbessern und in einem Write-Once- sowie einem wiederbeschreibbaren System integrieren. Zu den Wissenschaftlern gehört auch der erwähnte Lambertus Hesselink von der Universität Stanford. Das Interesse konzentriert sich auf das Speichern und schnelle Wiederabrufen von Bildern und Video-Sequenzen, sei es zur Unterstützung der kämpfenden Truppe, sei es im Rahmen von Telekommunikation und Bilddatenbanken. Die Redaktion)

Zu Anfang dürften Kosten und Fremdheit die holographische Datenspeicherung auf Anwendungen mit außergewöhnlich hohen Anforderungen an Kapazität und Geschwindigkeit beschränken. Navigation und Zugangskontrolle könnten bereits lohnende Marktnischen sein. Falls die Systeme den dabei gestellten Erwartungen entsprechen, wird diese Technik an Wettbewerbsfähigkeit gewinnen und möglicherweise eines Tages die optische Platte, wie wir sie kennen, als digitales Speichermedium für Standard-Computeranwendungen ablösen.

Literaturhinweise

- Parallel Optical Memories. Von Demetri Psaltis in: Byte, Band 17, Heft 9, Seiten 179 bis 182, September 1992.

– Angle-Multiplexed Storage of 5000 Holograms in Lithium Niobate. Von Fai H. Mok in: Optics Letters, Band 18, Heft 11, Seiten 915 bis 917, Juni 1993.

– Three-Dimensional Holographic Disks. Von Hsin-Yu Sidney Li und Demetri Psaltis in: Applied Optics, Band 33, Heft 17, Seiten 3764 bis 3774, 10. Juni 1994.

– Will Holograms Tame the Data Glut. Von James Glanz in: Science, Band 265, Seiten 736 und 737, 5. August 1994.

– Volume Holographic Storage and Retrieval of Digital Data. Von John F. Heanue, Matthew C. Bashaw und Lambertus Hesselink in: Science, Band 265, Seiten 749 bis 752, 5. August 1994.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1996, Seite 50
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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