Transcript Презентація Петрова Вячеслава

Перспективи використання сапфірових
дисків для зберігання важливої інформації
Петров Вячеслав Васильович
Крючин Андрій Андрійович
Шанойло Семен Михайлович
Інститут проблем реєстрації інформації
НАН України
вул. М. Шпака, 2, 03113, Київ, Україна
E-mail: [email protected]
Вступ
Протягом тридцяти років оптичні диски з полікарбонату успішно використовувалися в
області
ІІR збереження даних і були головним засобом передачі та розповсюдження інформації.
Однак через значні досягнення в областях магнітного запису і твірдотільної пам'яті, які
забезпечили значно більшу, порівняно з полікарбонатними дисками, щільність запису
інформації, роль дисків з полікарбонату в оптичному записі почала стрімко зменшуватися. На
сьогодні дуже важливою є проблема довготермінового зберігання даних, однак оптичні диски
з полікарбонату не можуть задовольнити вимогам довготермінового зберігання через
характеристики полікарбонату.
У доповіді розглядається запропонований і реалізований метод довготермінового
зберігання даних, який базується на використанні оптичних дисків з сапфіру. Було показано,
що застосування оптичних дисків з монокристалічного сапфіру є найбільш перспективним в
області довготермінового зберігання даних через унікальні фізичні властивості сапфіру:
стійкість до хімічного впливу, висока температура плавлення та мала чутливість до сонячного
випромінювання. Проте сапфір є двопроменезаломлюючим матеріалом, що створює
серйозну перешкоду його застосування в довготерміновому зберіганні даних через великі
аберації. Авторами було запропоновано і застосовано метод компенсації аберацій, який
базується на використанні оптичного диску з монокристалічного сапфіру, який має
кристалографічну орієнтацію 0001, і спеціальної оптичної системи, яка компенсує фазові
спотворення в сапфіровому диску.
Було реалізовано запис інформації на сапфіровому оптичному диску діаметром 80 мм і її
зчитування через підкладку носія. Інформацію в форматі CD на оптичний носій було записано
на станції лазерного запису. Мікрорельєф, який було отримано в шарі фоторезисту на
поверхні носія, потім був металізований. Для зчитування інформації з сапфірового диску було
застосовано CD зчитувач з додатковою пластиною для компенсування аберацій. Тест на
рівень помилок зчитування показав велику якість сигналу.
2
План доповіді
ІПРІ
Мета дослідження: створення оптичного носія для довготермінового зберігання даних
Головна ідея: застосування в оптичних носіях підкладок, які виготовлено з
високостабільних матеріалів, з мікрорельєфним поданням даних
План доповіді:
- актуальність проблеми
- шляхи щодо створення оптичних носіїв довготермінового зберігання даних
- попередній досвід в створенні оптичних носіїв довготермінового зберігання даних
- сапфіровий диск як оптичний носій довготермінового зберігання даних
- проблеми, які пов'язані з застосуванням сапфірового диску в області довготермінового
зберігання даних
- запропонований метод вирішення зазначених проблем
- отримані результати
- висновки
3
Об'єми зберігаємої інформації, ТБ
ІПРІ
Національний архів України – 60 млн. одиниць.
Національна бібліотека України імені В.І. Вернадського – 14400 документів.
Геологічний фонд України – 170000 звітів, що оцінені в 1,4 млрд. дол. США.
Геном людини – 750 МБ.
4
Еволюція носіїв інформації
ІПРІ
Час зберігання, років
10000
Глиняні таблички
Папірус
1000
Безкислотний папір
Фотографічні плівки
100
Кислотний папір
10
Сучасні цифрові носії
1
-2000
-1000
0
1000
2000
Рік створення
5
ІПРІ
Шляхи щодо створення оптичних
носіїв довготермінового зберігання
даних
1) Використання мікрорельєфного подання інформації
2) Використання
високостабільних
матеріалів
для
виготовлення підкладок і інформаційних шарів оптичних
носіїв
3) Використання доступних процедур шифрування даних
6
M-диск
ІПРІ
Наскальне зображення, яке було
залишено індіанцями в Юті, 9мильний каньйон
Збільшене наскальне зображення,
витравлене в скелі
B. Lunt, R. Davis, D. Hansen, M. Linford, H. Wang, J. Dredge, Permanent Digital Data Storage: A
Materials Approach, 10th International Conference on Preservation of Digital Objects (2013)
7
Структура М-диску
ІПРІ
http://www.mdisc.com
8
Вольфрамовий диск
ІПРІ
Кожен піксель великого QR-коду
являє собою маленький QR-код
J. Vries, D. Schellenberg, L. Abelmann et
al., Towards Gigayear Storage Using a
Silicon- Nitride/Tungsten Based Medium,
ArXiv.org: 1310.2961v1 (2013).
9
Архівні носії інформації з
високостабільних матеріалів
ІПРІ
Кварцові носії Hitachi:
Прогнозований час зберігання данніх1 – 1000 років
Ємність – 25 МБ
Розмір – 2x2 см
Товщина – 2 мм
Сапфіровий диск ANDRA:
Прогнозований час зберігання данніх2 – 10 000 000 років
Ємність – 40 000 сторінок
Діаметр – 20 см
1http://channelnewsasia.com/stories/afp_world_business/view/1227752/1/.html
2http://sciencemag.org/sciencenow/2012/07/a-million-year-hard-disk.html?ref=hp
10
ІПРІ
5D запис інформації в склі з
використанням фемтосекундного лазеру
E. Bricchi and P. G. Kazansky, "Extraordinary stability of anisotropic femtosecond direct-written
structures embedded in silica glass," Applied Physics Letters 88, 111119 (2006).
11
Сапфірові диски
ІПРІ
Документи записуються у вигляді зображень усередині синтетичного
сапфіру. Для їх зчитування достатньо використати звичайний оптичний
мікроскоп.
http://www.abovetopsecret.com/forum/thread855634/pg1
12
На першому етапі досліджень (1975-1985)
було використано CVS для створення WORM
оптичних дисків
ІПРІ
Пат. США 4234625, 4314256
• Діаметр 356 мм
• Ширина зони даних 50 мм
• Ємність: одна сторона – 1.01·1010 біт
дві сторони – 2.02·1010 біт
• Середня щільність запису 2.23·105 біт/мм2
• Відстань між доріжками 1.6 мкм
13
На другому етапі (1986-1990) було
використано CVS для створення WORM
оптичних носіїв малих розмірів
ІПРІ
•
•
•
•
•
•
Діаметр 14 мм
Довжина 70 мм
Довжина зони даних 60 мм
Ємність 250 МБ
Щільність запису 8·105 біт/мм2
Відстань між доріжками 960 нм
Пат. США 4829503
14
Оптичний диск після значного терміну
зберігання
ІПРІ
Зовнішній
вигляд
інформаційного
шару
оптичного носія: дані
записано
з
однієї
сторони направляючої
доріжки (а) і з двох
сторін (б).
Направляючі
оптичному
інформаційним
доріжки
на
носії
з
середовищем
Te14Sb10Sе61Gе15 (шаг доріжки 1.6
мкм). Зображення отримано за
допомогою:
а)
оптичного
мікроскопу; б) сканувального
тунельного мікроскопу.
Було проведено систематичний аналіз параметрів носія, записаного в
1978-1980. Після 30 років зберігання піти зберегли свої форму та розміри.
15
Порівняльний аналіз властивостей сапфіру і
полікарбонату
ІПРІ
16
Розподіл інтенсивності зфокусованої лазерної плями в
меридіональній площині
ІПРІ
S. Stallinga, Axial birefringence in high-numerical-aperture optical systems and the light
distribution close to focus, J.Opt. Soc. Am. A, 18, 2846 (2001).
17
Запропонований метод вирішення проблеми
ІПРІ
18
Оптичні властивості сапфіру і кварцу
ІПРІ
19
Якість фокусування системи
ІПРІ
а) без застосування
компенсуючої пластини
б) з застосуванням
компенсуючої пластини
Petrov, V. V., Semynozhenko, V. P., Puzikov, V. M., Kryuchyn, A. A., Lapchuk, A. S., Morozov, Ye.
M., Borodin, Y. O., Shyhovets, O. V., Shanoylo, S. M., “Method of aberration compensation in
sapphire optical disks for long term data storage,” Functional Materials 21(1), 105-111 (2014).
20
Система зчитування даних з сапфірового диску
ІПРІ
1 – лазерний діод
2 – дифракційна гратка
3 – світлоподільний кубик
4 – чвертьхвильова
пластина
5 – фокусуюча лінза
6 – компенсуюча пластина
7 – підкладка носія
V.V.Petrov, V.P. Semynozhenko, V.M. Puzikov, A.A. Kryuchyn, A.S. Lapchuk, S.M. Shanoilo, I.V.Kosyak, Yu. O.
Borodin, I.V. Gorbov, Ye.M. Morozov, Readout Optical System of Sapphire Disks intended for Long-Term Data
Storage , arxiv.org:1403.3119 (2014).
21
Система зчитування даних з сапфірового диску
ІПРІ
1 – лазерний діод; 2 – дифракційна гратка; 3 – світлоподільне дзеркало; 4 –
компенсуюча пластина; 5 – колімуюча лінза; 6 – чвертьхвильова пластина;
7 – фокусуюча лінза; 8 – оптичний диск; 9 – циліндрична лінза; 10 фотодетектор
22
Оптичні параметри матеріалів
ІПРІ
23
Процес виробництва оптичних дисків довготермінового
зберігання даних
ІПРІ
1 – шар позитивного
фоторезисту
2 – підкладка
3 – зфокусований лазерний
промінь
4 – вікно в шарі фоторезисту
5 – іонні промені
6 – металевий відбивальний
шар
7 – шар захисного лаку
V.V. Petrov, A.A. Kryuchin, I.V. Gorbov, I.O. Kossko, S.O. Kostyukevych, “Analysis of properties of optical
carriers after long-term storage”, Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics, Vol. 12,
#4, pp. 399-402 (2009).
21
24
Висновки
ІПРІ
1. Було розглянуто вплив величини двопроменезаломлення на розподіл
інтенсивності зфокусованого лазерного променя при його проходженні через
одновісний двопроменезаломлюючий матеріал, який має вертикальну
орієнтацію оптичної осі. Було отримано аналітичні вирази, за допомогою яких
можна оцінити геометричні аберації зфокусованого лазерного променя в
монокристалічній підкладці оптичного диску.
2. Було розраховано допустимі рівні анізотропії для оптичних дисків різної
товщини і різних форматів, а також максимальна товщина сапфірового
оптичного диску, при якій не виникає значних спотворень сигналу.
3. Було розроблено метод компенсації аберацій при зчитуванні даних з
одновісного двопроменезаломлюючого середовища. Були розраховані основні
параметри системи зчитування для випадку сапфірового диску з
вертикальною орієнтацією оптичної осі. Було представлено конструктивні
параметри (товщини) сапфірової підкладки оптичних носіїв різних форматів і
кварцової компенсуючої пластини.
4. Результати експерименту підтвердили ефективність використання
застосованого методу компенсації аберацій. Було встановлено, що якість
зображень, отриманих через скляну та сапфірову з компенсуючою пластин,
майже ідентичні. Таким чином, застосування компенсуючої кварцової пластини
надалі дозволить зчитувати інформацію з сапфірових оптичних дисків
25
довготермінового зберігання даних.
Дякуємо за увагу!