Учебное пособие для студентов педагогичес ких вузов. М. Карпов Е. В., 2016. 152 с
 Скачать 3.75 Mb.
|
|
§ 14. Оптическая память Оптическая память это устройство, в котором хотя бы один из ви- дов выработки информации производится с использованием световой энергии. Оптические информационные сигналы достаточно просто пре- образуются в электрические (использование явление фотоэффекта), т.е. оптическая память легко сопрягается с электронными элементами ЭВМ. Оптические запоминающие устройства (ОЗУ) дают высокую плотность записи информации, высокую скорость обращения. Появление оптических запоминающих устройств связано с появле- нием лазерной техники и волоконной оптики. Основными блоками оптической памяти являются следующие: 1. Лазер в качестве источника, излучение которого является строго монохроматическим, когерентным, остронаправленным, мощным. 2. Оптический затвор, т.е. узел избирательного включения и вы- ключения лазерного луча (система линз и зеркал). 102 3. Устройство фокусировки излучения (или дефокусировки), пред- ставляющее собой систему линз и зеркал. 4. Оптические дефлекторы для быстрого сканирования луча, т.е. изменения его направления определенным образом. Для этого исполь- зуются магнитные дифракционные решетки, которые под действием внешнего магнитного поля изменяют параметры и, следовательно, направление лазерного луча. 5. Информационный носитель фотография, голография. 6. Устройство преобразования оптического сигнала в электрический фоточувствительные элементы. 14.1. Голография Голография это полная запись информации, которая представляет собой запись интерференционной картины от двух когерентных лучей: опорного и объектного. Луч лазера делится специальным устройством (светоделителем) на две когерентных волны. Эти волны (рис. 29) с помощью линз расширя- ются и зеркалами направляются на объект (объектная) и регистрирую- щую среду − фотопластинку (опорная). Волна, рассеянная объектом, па- дает на фотопластинку и интерферирует с опорной. Таким образом, формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восста- новления источника света с той же длиной волны, на которой произво- дилась запись, в идеале – лазера. На голограмме происходит фиксация интенсивности и фазы когерентных лучей. На один носитель можно за- писать несколько голограмм, изменяя направление опорной волны. Сле- дует отметить, что при записи голограммы не используются фокусиру- ющие устройства, т.е. в каждую точку голограммы попадает излучение от всех точек предмета. Это позволяет полностью сохранять информа- цию при частичном повреждении голограммы. При считывании информации происходит наблюдение дифракци- онной картины при освещении голограммы лазерным лучом идентич- ным опорной волне. Голограмма является своеобразной дифракционной решеткой. Причем дифракционную картину можно наблюдать как в проходящем, так и в отраженном свете. 103 Рис. 29. Схема регистрации голограмм во встречных пучках (схема Денисюка) Преимуществами голографической памяти являются: запись как аналоговой, так и цифровой информации, зашифрованной в двоичном коде; обеспечение высокой плотности записи информации, быстродействия при считывании информации и устойчивого хранения информации. К недостаткам можно нести: сложную оптическую аппаратуру для записи и считывания информа- ции; высокую квалификацию пользователей; невозможность перезаписи информации на голограмме. 14.2. Оптические диски При создании оптических дисков был решен ряд проблем: 1) обеспечена высокая ударопрочность; 2) обеспечено простое, но точное формирование дисков за счет при- менения современных недорогих материалов и технологий; 104 3) обеспечена однородность покрытий; 4) обеспечена устойчивость к воздействию тепла и влаги от чего за- висит их долговечность. В качестве основы для оптических дисков чаще всего используется поликарбонат, так как наилучшим образом отвечает всем вышеперечис- ленным требованиям к данному типу носителей информации. Иногда используются и стеклянные диски, но они не являются ударопрочными и используются реже. Запись на оптический носитель осуществляется одним из шести способов. 1. Запись путем преобразования состава сплава записывающего слоя поверхности – технология однократной записи для долговременного хранения. Создается слой двухэлементных сплавов: Sb 2 Se 3 , Bi 2 Te 3 При воздействии луча лазера большой мощности образуется слой че- тырехэлементного сплава Sb∙Se∙Bi∙Te, отражательная способность которого в 300-400 раз больше, чем у необработанных участков. 2. Запись путем образования впадин (темных пятен) – pit forming – разрушающий способ, используемый для дисков со стеклянной ос- новой. Луч лазера испаряет носитель с образованием темного пятна (кратера). Записывающий слой – теллур с прослойкой воздуха на стеклянной основе. 3. Запись путем образования пузырьков основан на физической или химической реакции. Если процесс образования пузырька физиче- ский (испарение), то можно стереть информацию при воздействии тепла и давления. 4. Запись с использованием органического полимерного красителя. Производится путем образования микрорельефа. 5. Запись путем изменения фазы вещества. Используется слой аморф- ного вещества, например, окисел теллура TeO, в котором при воз- действии концентрированного света происходит кристаллизация с изменением отражающей способности. 105 Рис. 30. Кристаллизация вещества под действием луча лазера 6. Магнитооптическаятехнология. Основана на нагреве магнитного носителя до точки Кюри. При этом записывающее магнитное поле меняет ориентацию доменов только в нагретых элементах. Считыва- ние информации происходит с помощью эффекта Керра (изменение поляризации луча в электромагнитном поле). Рис. 31. Принцип магнитооптической записи информации При магнитооптической технологии записи используется явление магнитного гистерезиса и поляризации электромагнитного излучения. При записи и считывании информации используется лазер, который 106 обеспечивает два режима работы. Процесс записи заключается в следу- ющем: с помощью лазерного излучения небольшая зона магнитооптиче- ского носителя информации разогревается до температуры, при которой уменьшается коэрцитивная сила материала, далее эта зона может быть намагничена с помощью слабого магнитного поля. При считывании ин- формации луч переключается на меньшую мощность и поляризуется. При отражении от намагниченной среды поворачивается плоскость по- ляризованного излучения, затем, проходя через анализатор, направление поляризации может быть распознано фотодетектором. Обсудим проблему плотности записи информации на оптические диски. На рисунке приведены для сравнения участки CD и DVD дисков, полученные с помощью электронного микроскопа. Видно, что плотность записи довольно сильно отличается. Рис. 32. Сравнение плотности записи на CD и DVD дисках Каким же образом можно добиться увеличения плотности записи информации? В настоящее время используется несколько способов. Об- судим в общих чертах каждый из них. Поскольку в процессах записи и считывания информации на опти- ческие диски ключевая роль принадлежит лазерам, то и решение про- блемы плотности информации связано с изменением характеристик их излучения и особенностями формирования падающего на диск луча. Таким образом, первый способ состоит в использовании для записи и считывания информации лазеров, имеющих излучение с более корот- кой длиной волны. Так при записи на CD диск используется лазерное излучение с длиной волны 780 нм (красного цвета), для записи DVD 107 дисков – 650 нм, дисков Blu-ray – 405 нм (название диска уже включает информацию о цвете излучения используемых лазеров – голубой). Второй способ использует особенности и возможности современ- ных волоконных технологий, которые позволяют направить лазерный луч к диску через световолокно, имеющее коническую форму (часть, направленная к диску, имеет меньший радиус). Еще одним способом увеличения плотности записи информации на оптические диски является использование многослойной записи и записи на две стороны диска. Опишем кратко процесс записи и считывания информации на оптические диски. Заметим, что лазер в этом процессе используется как правило в двух режимах: с большей мощностью излучения для записи и перезаписи информации, с меньшей мощность для ее считывания. Рис. 33. Принцип записи и считывания информации на оптический диск (адаптирован из энциклопедии Британника) Луч лазера в режиме большей мощности фокусируется на поверх- ности стеклянного диска и испаряет материал носителя с образованием пита, рядом, таким образом, остаются неразрушенные участки, которые называются лэндами (land). Формируется структура с чередованием пи- 108 тов и лэндов (они соответствуют нулям и единицам). Теперь, если ис- пользовать лазер в режиме меньшей мощности, то его луч будет отра- жаться только от неразрушенных участков поверхности диска и соответ- ственно формировать сигналы, соответствующие размеру лэнда. Эти сигналы будут поступать на чувствительный элемент, служащий для считывания информации. Итак, запись на диск путем образования впа- дин, темных пятен или питов (pit) является способом разрушающим. § 15. Сверхпроводящая память (криогенная память) Сверхпроводящие среды позволяют обеспечить два устойчивых со- стояния: нормальное и сверхпроводящее, поэтому они могут использо- ваться для создания запоминающих устройств. Эти ЗУ имеют свои пре- имущества и недостатки. Самым большим недостатком является слож- ность получения низких температур необходимых для осуществления перехода нормальный проводник − сверхпроводник. Тем не менее, в ря- де случаев этот недостаток с лихвой компенсируется преимуществами: быстротой перехода из одного состояния в другое, малой инерционно- стью этого процесса, малыми потерями на джоулево тепло. 15.1. Сверхпроводимость и ее свойства В 1911 г. Х. Камерлинг-Оннес обнаружил явление сверхпроводимо- сти, исследуя образец из ртути. Если температура образца меньше или равна критической для данного материала ( кр Т Т , К 2 , 4 Т рт . кр ), то удельное сопротивление образца равно нулю ( 0 ). ρ T T кр Рис. 34. Температурная зависимость удельного сопротивления металлов 109 Переход материалов в сверхпроводящее состояние зависит не толь- ко температуры, но от внешнего магнитного поля: 2 кр 2 0 кр T кр T T 1 H Н Сильное магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Рис. 35. Зависимость напряженности магнитного поля от температуры для сверхпроводников Сверхпроводники являются идеальными диамагнетиками. Магнит- ное поле полностью выталкивается из сверхпроводника. кр T Т кр T Т Рис. 36. Эффект Мейсснера В 1959 г. напрямую было доказано явление сверхпроводимости, т.е. круговой ток, возникающий в сверхпроводящем кольце, сохраняется сколь угодно долго. При этом так как 0 , то джоулево тепло не выде- ляется и ток в кольце не уменьшается. 110 Экспериментально было обнаружено, что сверхпроводящие свой- ства наиболее ярко проявляются у плохих проводников: сверхпроводи- мость связана с состоянием электронной системы и кристаллической решетки материала. 15.2. Принцип записи информации на сверхпроводниках Сверхпроводящие материалы можно использовать для записи ин- формации, так как: 1) информация может быть записана в цифровом виде, т.е. вещество может находиться в сверхпроводящем или нормальном состояниях; 2) сверхпроводящим состоянием можно управлять (изменяя ток или магнитное поле); 3) сверхпроводящее состояние может сохраняться сколь угодно долго, т.е. может хранить информацию. Достоинства: сверхпроводящая память характеризуется высокой плотностью записи информации и высоким быстродействием. Недостатки: – трудность получения и сохранения сверхнизких температур; – получение тонкопленочных материалов с совершенно идентич- ными характеристиками; – высокая квалификация пользователей; – высокая стоимость системы охлаждения. 15.3. Криотрон В середине 50-х годов было предложено сверхпроводниковое устройство, в котором реализуется два состояния. Это устройство назы- вается криотроном. Рис. 37. Устройство криотрона 111 В своей первоначальной и простейшей форме он представлял собой танталовую основу (вентиль), вокруг которой наматывался провод из ниобия (обмотка). Оба материала сверхпроводники, но критическая тем- пература у них различна. Тантал переходит в сверхпроводящее состоя- ние при температуре 4,4 К, а ниобий – при 9,2 К. Находясь в гелиевой ванне при температуре 4,2 К оба материала находятся в сверхпроводя- щем состоянии. При подаче в обмотку тока у I возникает магнитное по- ле, благодаря которому вентиль переходит в нормальное состояние с ко- нечным сопротивлением. При этом обмотка остается в сверхпроводящем состоянии. Это устройство действует как реле, которое замыкается в сверхпро- водящем состоянии и размыкается в нормальном. Используя криотрон в более сложных схемах можно создавать различные логические элементы для ЭВМ. Криотрон прост по конструкции, но время переключения у него слишком велико. Оно определяется не временем перехода из сверхпро- водящего состояния в нормальное, а индуктивными свойствами управ- ляющей обмотки. Время переключения у проволочных криотронов со- ставляло примерно 4 3 10 10 с. Этот недостаток можно устранить, используя пленочные криотро- ны, например, крестообразный пленочный криотрон: 1 − управляющая свинцовая пленка (Pb); 2 − изолирующий слой (SiO 2 ); 3 − управляемая оловянная плёнка (Sn); 4 − изоляция (SiO 2 ); 5 − экранирующий подслой (Pb); 6 − подложка; I y − управляющий электрический ток; I в − управляе- мый электрический ток. Рис. 38. Пленочный криотрон Важным элементом этого устройства является экранирующий под- слой из свинца, благодаря диамагнитным свойствам которого, возможно 112 ограничивать объем, занимаемый магнитным полем, т.е. локализовать его и тем самым увеличивать плотность информации. Это значительно уменьшает индуктивность криотрона и увеличивает его быстродействие (переключение осуществляется за время примерно 7 10 с). 15.4. Элемент памяти Кроу Для записи информации используют элемент Кроу, схема которого представлена на рисунке ниже. I I I I Состояние «1» I Состояние «0» Рис. 39. Ячейка Кроу Он строится на тонкой пленке или тонком листе свинца, в котором делаются круговые отверстия диаметром около 1 мм с перемычкой, ко- торая тоньше листа. Ток может протекать по перемычке, вытекая из од- ного ее конца, проходит по окружности и входит обратно в перемычку с противоположного конца. Возможно управление состоянием перемыч- ки. Перемычка настолько тонка, что ток, превышающий критический, переводит ее в нормальное состояние, при этом материал листа остается в сверхпроводящем состоянии. Пусть импульс тока возбуждается в ячейке некоторым магнитным импульсом. В соответствии с явлением электромагнитной индукции в ячейке возникает импульс тока опреде- ленного направления, который потечет по перемычке. Если этот ток меньше критического, то ячейка остается в сверхпроводящем состоянии. Как только возбуждающий импульс закончится, ток, циркулирующий в ячейке, возвратится к тому значению, которое он имел до подачи воз- буждающего импульса. Если величина возбуждающего импульса такова, что наведенный в ячейке ток становится выше критического, то пере- мычка переходит в нормальное состояние, ток в ней начинает убывать по экспоненциальному закону. Через некоторое время ток становится меньше критического, и перемычка вновь становится сверхпроводящей. Если теперь снять возбуждающий импульс, то ток в ячейке изменит свое 113 направление, т.е. в данной ячейке запишется некоторая информация. Назовем «1» состояние, когда ток течет в направлении вверх по пере- мычке, а «0» вниз по перемычке. Эта информация хранится в ячейке сколь угодно долго (Т<Т кр ). На рисунке ниже изображена матрица памяти (ЗУ) на ячейках Кроу. Пусть система позволяет регулировать возбуждающие импульсы. Вели- чина их может изменяться по направлению и величине – от одной условной единицы до четырех. Допустим, что критический ток в ячейке немного выше трех единиц. Рис. 40. Схема считывания Пусть в ячейке 3 2 y x записана «1». Рис. 41 114 Подается возбуждающий импульс в две единицы того же направле- ния, что и ток в ячейке. Суммарный импульс становится равным трем единицам, т.е. меньше критического. Ячейка остается в сверхпроводя- щем состоянии и при снятии возбуждающего импульса вновь возвраща- ется в первоначальное состояние («1»). Если в данной ячейке в противо- положном направлении навести импульс такой же по величине или в че- тыре единице, то информация вновь сохранится при снятии этого им- пульса. При возбуждении в данной ячейке импульса в четыре единицы (направление совпадает с первоначальным направлением тока в ячейке – «1»), то ток превысит критическое значение, перемычка перейдет в нор- мальное состояние, а ток начнет уменьшаться по экспоненте. При токе меньше критического ячейка вернется в сверхпроводящее состояние и сохранит ток в три единицы. При снятии импульса в четыре единицы ячейка перейдет в состояние «0» (минус единица). Произошло считыва- ние информации и запись нуля. При считывании информации происхо- дит ее разрушение. Если элементы Кроу образуют матрицу, то в каждой шине можно создавать импульсы только в две единицы, а их направление можно из- менять. Эти импульсы токов, протекающие по шинам x и y , своим маг- нитным полем воздействуют только на данную ячейку Кроу, причем кр y x i i i > + Рис. 42 115 Считывание и восстановление информации происходит при помо- щи шины считывания. В течение короткого промежутка времени, когда перемычка становится резистивной и ток в ней убывает, в схеме возни- кает переменное магнитное поле и в шине считывания возникает им- пульс тока. Этот импульс, с одной стороны, позволяет оценить инфор- мацию в данной ячейке (возникает только при первоначальной «1»), а с другой – дает сигнал для включения системы восстановления информа- ции в данной ячейке. Если в ячейке записан «0», после опроса она оста- ется в неизменном состоянии. Данная матрица памяти на элементах Кроу позволяет: 1. Записывать информацию в цифровом виде «1» или «0». На каж- дом элементе Кроу создается импульс определенного направления. 2. Хранить записываемую информацию (заданное состояние). 3. Считывать информацию в данной ячейке, пропустив по соответ- ствующим шинам токи, превышающие половину критического. Описанные выше принципы создания памяти не являются исчерпы- вающими. В настоящее время идет поиск принципиально новых воз- можностей сохранения информации, связанных с развитием нанотехно- логий, достижениями бионики и многими другими современными науч- ными направлениями. 116 15.5. Сравнительная характеристика различных носителей информации Бумажные носители обладали низкой плотностью хранения и низ- кой механической прочностью, именно поэтому уже давно вышли из употребления. Основным способ хранения информации в ЭВМ до сих пор остает- ся магнитный. К его недостаткам относятся сравнительно невысокая плотность записи информации, большая изнашиваемость носителя и фи- зическое старение независимо от степени использования (как было ска- зано выше проблему повышения плотности записи информации воз- можно удастся решить с использованием нанотехнологий). Наиболее перспективными являются оптические носители. Среди технических характеристик наиболее важной является поверхностная плотность записи информации. Для магнитных носителей она высока в продольном направлении, но низка в поперечном. Оптические носители имеют одинаковую плотность записи во всех направлениях. В магнит- ных дисках 10−20 дорожек на миллиметр, в ЗУ на оптических дисках 500−1000 дорожек на миллиметр. Высокая плотность обеспечивается за счет автофокусировки и сле- жения за дорожкой, что позволяет легко обеспечить сменность оптиче- ских дисков. Одной из причин их долговечности является удаленность от считывающей головки (0,3−1 мм на оптическом носителе, что исклю- чает физический контакт). Кроме дисков на оптической записи могут использоваться микро- фильмы, плотность записи которых приблизительно совпадает с плотно- стью записи на магнитных носителях, но их преимуществом является долговечность (до 80 лет для человекочитаемых документов). Таким образом, в настоящее время оптические диски являются наиболее перспективными и вытесняют другие носители. К недостаткам всех оптических носителей следует отнести чувстви- тельность к воздушной пыли (частицы, соизмеримые размерами с ин- формационным элементом). Они подвержены таким помехам, как цара- пины фотослоя и царапины подложки. |