Hochgeschwindigkeits-Laserschreiben kann 500 TB in eine CD-große Glasscheibe packen

Fortschritte machen optische 5D-Speicher mit hoher Dichte für die langfristige Datenarchivierung praktisch.

Forscher haben ein schnelles und energieeffizientes Laserschreibverfahren entwickelt, um hochdichte Nanostrukturen in Quarzglas zu erzeugen. Diese winzigen Strukturen können verwendet werden, um optische 5D-Daten mit großer Reichweite zu speichern, die 10.000 Mal dichter sind als die optische Blu-ray-Disc-Speicherung.

„Menschen und Organisationen erstellen immer größere Datensätze, wodurch ein dringender Bedarf an effizienteren Formen der Datenspeicherung mit hoher Kapazität, geringem Stromverbrauch und langer Lebensdauer entsteht“, sagte der Doktorand Yuhao Li von der University of Southampton in Großbritannien. „Während Cloud-basierte Systeme eher für temporäre Daten ausgelegt sind, glauben wir, dass die Speicherung von 5D-Daten in Glas für die langfristige Datenspeicherung für Nationalarchive, Museen, Bibliotheken oder private Einrichtungen von Vorteil sein könnte.“

in einem VisuellLei und Kollegen, die Optica Publishing Group für High-Impact-Forschung, beschreiben ihre neue Methode zum Schreiben von Daten, die sowohl zwei visuelle als auch drei räumliche Dimensionen umfassen. Der neue Ansatz kann mit einer Geschwindigkeit von 1.000.000 Voxeln pro Sekunde schreiben, was einer Aufzeichnung von etwa 230 Kilobyte Daten (mehr als 100 Seiten Text) pro Sekunde entspricht.

„Der physikalische Mechanismus, den wir verwenden, ist allgemein“, sagte er mir. „Daher gehen wir davon aus, dass dieses energieeffiziente Schreibverfahren auch für schnelle Nanostrukturen in transparenten Materialien für Anwendungen in der 3D-integrierten Optik und Mikrofluidik genutzt werden kann.“

Schnelleres und besseres Laserschreiben

Obwohl das Speichern optischer 5D-Daten in transparenten Materialien bereits demonstriert wurde, hat sich das Schreiben von Daten mit einer ausreichend schnellen und ausreichend hohen Dichte für reale Anwendungen als Herausforderung erwiesen. Um dieses Hindernis zu überwinden, verwendeten die Forscher einen Femtosekundenlaser mit hoher Wiederholrate, um winzige Vertiefungen zu erzeugen, die eine einzelne nanolamellaartige Struktur von jeweils 500 x 50 Nanometern enthielten.

Anstatt mit einem Femtosekundenlaser direkt auf Glas zu schreiben, nutzten die Forscher Licht, um ein optisches Phänomen namens Nahfeldverstärkung zu erzeugen, bei dem eine nanolamellaartige Struktur durch wenige schwache, nanoisotrope Lichtpulse erzeugt wird. Das Ergebnis eines einzelnen Puls-Mikrobursts. Die Verwendung von Nahfeldoptimierung zur Herstellung von Nanostrukturen reduziert thermische Schäden, die bei anderen Ansätzen, die Laser mit hoher Wiederholrate verwenden, ein Problem darstellen.

Da die Nanostrukturen anisotrop sind, erzeugen sie eine Brechung, die durch die Slow-Axis-Orientierung des Lichts (die vierte Dimension, entsprechend der Richtung der nanolamellenartigen Struktur) und die Retardationskraft (die fünfte Dimension, bestimmt durch die Größe) beschrieben werden kann der Nanostruktur). Beim Aufzeichnen von Daten in Glas können die Richtung der langsamen Achse und die Dämpfungsstärke durch Polarisation bzw. Lichtintensität gesteuert werden.

„Dieser neue Ansatz verbessert die Geschwindigkeit beim Schreiben von Daten auf ein praktisches Niveau, sodass wir in einer angemessenen Zeit Dutzende von Gigabyte an Daten schreiben können“, sagte Lei. „Hochauflösende, lokalisierte Nanostrukturen ermöglichen eine höhere Datenkapazität, da mehr Pixel in ein Volumen geschrieben werden können. Außerdem reduziert die Verwendung von gepulstem Licht die zum Schreiben erforderliche Leistung.“

Schreiben von Daten auf eine Glas-CD

Die Forscher nutzten ihre neue Methode, um 5 Gigabyte Textdaten auf eine Quarzglasscheibe zu schreiben, die mit fast 100 % Lesung ungefähr der Größe einer herkömmlichen CD entspricht. Gesundheit. Jedes Voxel enthält vier Informationen und alle zwei Pixel entsprechen einem Textzeichen. Mit der verfügbaren Schreibdichte der Methode kann die Festplatte 500 TB Daten aufnehmen. Mit System-Upgrades, die paralleles Schreiben ermöglichen, soll es laut den Forschern möglich sein, diese Datenmenge in etwa 60 Tagen zu schreiben.

„Mit dem aktuellen System haben wir die Möglichkeit, Terabyte an Daten zu speichern, die zum Beispiel verwendet werden können, um Informationen von DNAPeter J. sagte: Kasanski, leitender Forscher.

Die Forscher arbeiten nun daran, die Schreibgeschwindigkeit ihrer Methode zu erhöhen und die Technologie auch außerhalb des Labors nutzbar zu machen. Für praktische Datenspeicheranwendungen müssen auch schnellere Datenleseverfahren entwickelt werden.

Referenz: „Anisotrope Hochgeschwindigkeitslaser-Nanostrukturen durch Steuerung der Energieabscheidung über Nahfeldoptimierung“ Von Yuhao Li, Masaaki Sakakura, Li Wang, Yanhao Yu, Huijun Wang, Glamriza Shaiganrad und Peter J. Kazansky, 28. Oktober 2021, Visuell.
DOI: 10.1364 / OPTICA.433765