Holographic Versatile Disc ذخیره داده ها با استفاده از تکنولوژی هولوگرافی

(HVD)

2، نوید قاسم جهرودی 1منصور فرزین فرد

farzinfard@bmsu.ac.irکارشناسی ارشد فناوری اطالعات ، .1

navid@helfco.comکارشناسی مهندسی کامپیوتر سخت افزار ، .2

چکیده

صلی در امنیت ذخیره داده ها المان مورد اعتماد بودن حافظه ست جهت ذخیره داده یکی از مباحث ا صلیو ا از دغدغه های ا

سازیذ امنیت در حوزه شد طول عمر حافظه، نرخ تبادل داده، ظرفیت و روش نگهداری حافظه ،خیره در این مقاله روش می با

اپتیکی بیان شده و تفاوت آن با دیسک های الکترو HVDاستفاده از تکنولوژی هولوگرافی در ذخیره داده ها در دیسک های

ه دارد ک حفظ ونگهداری دسترسی سریع و طول عمرباالیکنولوژی جدید با توانایی های فراوانی که در و سعی شده این تاست.

. مورد مقایسه با دیگر ذخیره ساز های بیرونی گردد

HVDی موج، پرتو همدوس،هولوگرافی ، هولوگرام، جبههکلیدی: واژه های

مقدمه

هداری اطالعات وجود دارد کهبرای نگ مختلفیسیییازی های ذخیرهکامپیوتری، رسیییانه های سییییسیییت در

تقسی بندی های فروانی هستند که به ها دارایشود. این رسانهاطالق میحافظه کلمه ، به همه آنها ااصطالح

تقسی میشوند .در این مقاله قصد داری در رون ماشینیبیهای حافظهو های درون ماشینیحافظه طور کلی به

سانه ذخیره داده )حافظه( در حفظ امنیت ذخی شینی که مورد اهمیت نوع ر ره داده ها در حافظه های بیرون ما

ک استفاده می کند را مورد بررسی قرار دهی . یاز تکنولوژی الکترواپت

مام دیسک فراگیرنده تیکی از حافظه های الکترواپتیکی جدید که اخیرا با به عرصه گذاشته دیسک های

هستند که مه ترین المان های یک ذخیره ساز بیرون Holographic Versatile Disc (HVD)نگاری

ماشینی الکترواپتیکی رابا امنیت باال دارند المان های امنیتی که در این دیسک ها قابل مالحظه است طول

عمر باال ، ظرفیت ذخیره باال ، و نرخ تبادل باور نکردنی این دیسک ها می باشد.در این مقاله ابتدا آشنایی در

م نگاری )تاریخچه ، روابط ، اصول اساسی( بیان شده سپس روش استفاده از تمام نگاری در ذخیره ، مورد تما

ن های مختلف و دالیل تاخیر امقایسه این حافظه با حافظه های الکترواپتیکی مشابه با المخواندن داده ها و

گرفته شده د بررسی قرار مور HVDدر دیسک های در همگانی شدن این دیسک ها و کاربرد های مختلف آن

تا رسانه ذخیره ساز جدید و امنی معرفی شود.

تمام نگاری

یک تکنیک انقالبی است که عکسبرداری سه بعدی )یعنی کامل( از یک جس و یا یک صحنه تمام نگاری

پیشیینهاد شیید( و میکروسییکوا الکترونی کند. )در آن زمان به منظور بهتر کردن توان تفکیکرا ممکن می

.نشان داده شد اختراع لیزر در آمد، اما قابلیت واقعی این تکنیک پس از بصورت یک پیشنهاد عملی

د دو مرحله ای برای تصویر برداری بدون عدسی را پیشنهاد کرد یک روش جدی 8، دنیس گابور8491در سال

سازی جبهه ی موج نامید سند "تمام نگاری"، که اکنون آن را به عنوان 2وآن را باز شنا . گابور اعالم کرد 3می

که هنگامی که یک موج مرجع همدوس مناسیییه به طور همزمان با نورپراش یافته یا پراکنده شیییده از یک

ود، اطالعات دامنه و فاز موجهای پراکنده شده یا پراش یافته را می توان ضبط کرد )علی رغ جس همراه ش

شان داد که از چنین الگوی تداخلی ضبط آنکه محیط ضبط اطالعات فقط به شدت نور پاسخ می دهد(. او ن

ست آور صلی رت می توان به د س ا صویر از ج شت نامیده بود(، یک ت د. هرچند که شده )که آن را تمام نگا

روش تصیییویربرداری گابور در ابتدا مورد توجه قرار نگرفت، اما پیشیییرفتهای انفام گرفته در مفهوم و فناوری

برای اختراع خود 8498، موجه شییید که گابور جایزه ی نوبل فیزیک را در سیییال 8491مربوط در دهه ی

[2]کسه کند.

حاضیر ابتدا مفاهی اصیلی تمام نگاری را بررسیی و ترییرات انفام گرفته بر روی نظریه اولیه ی در این مقاله

گابور را دنبال خواهی کرد؛ سپس کاربردهای مه این روش تصویربرداری را مطرح می کنی .

ضبط دامنه و فاز

و مرحله "ضبط یا آشکار سازی"مسئله بازسازی جبهه ی موج شامل دو عملیات جداگانه است: مرحله ی

. ابتدا مرحله ی اول را در نظر میگیری : از آنفا که جبهه ی موج مورد نظر همدوس هسییتند، "بازسییازی"ی

باید اطالعات دامنه و فاز این امواج آشکار شوند. از طرف دیگر،

1 Dennis Gabor 2 Wavefront reconstruction 3 Holography

ای ضییبط فقط به شییدت نور پاسییخ میدهند. بنابرایت ضییروری اسییت که اطالعات فاز به تمامی محیطه

ترییرات شدت نور )جهت اهداف ضبط اطالعات( تبدبل شود. یک روش استاندارد برای انفام این کار، تداخل

سیینفی اسییت که در آن، یک جبهه ی موج دوم با دامنه و فاز معین و همدوس با جبهه ی اول، به جبهه ی

( اضافه می شود.8موج ناشناخته مانند شکل )

ضبط هولوگرام (1شکل)

شدت موج دو میدان مختلط به دامنه و فاز میدان ناشناخته بستگی دارد. بنابراین اگر عبارت زیر

𝑎(𝑥, 𝑦) = |𝑎(𝑥, 𝑦)|exp[−𝑗𝜑(𝑥, 𝑦)]

جبهه ی موج که باید آشکار شود را نشان دهد و اگر عبارت

𝐴(𝑥, 𝑦) = |𝐴(𝑥, 𝑦)|exp[−𝑗𝜓(𝑥, 𝑦)] نیز موج مرجع را نشان دهد )که با موج قبلی تداخل یافته است(، شدت مفموع عبارت است از:

𝐼(𝑥, 𝑦) = |𝐴(𝑥, 𝑦)|2 + |𝑎(𝑥, 𝑦)|2 + 2|𝐴(𝑥, 𝑦)||𝑎(𝑥, 𝑦)|[cos[𝜓(𝑥, 𝑦)

− 𝜑(𝑥, 𝑦)]]

آنها به طوری که دو عبارت اول رابطه ی فوق، تنها به شیییدت های امواج منفرد و عبارت سیییوم به فازهای

ستگی دارد. بنابراین اطالعات دامنه و فاز ست. حال اینکه این اطالعات برای بازسازی a(x,y)ب شده ا ضبط

شود که در ادامه بحث ضیح داده ست که باید در مورد آن تو سئله ای ست، م صلی کافی ا جبهه ی موج ا

نامیده میشود. "نگاریتمام "خواهد شد. ضبط کردن الگوی تداخل بین موج هدف و موج مرجع،

اساسی اصول

سها کنند می ضبط را وفاز شدت اطالعات ها هولوگرام ولی. کنند می ضبط را نور شدت اطالعات عک

شته محدودیتهای بر عالوه. باید نیز کنند می ضبط را هولوگرامها که نوری فاز( نور) شدت روی شده گذا

.باشد همدوس(استفاده مورد)نور که کند می ایفاب فازی شرایط این.کند برآورده را خاصی شرایط

ره باید رود می کار به هولوگرامها کردن ضبط برای که نوری. است موجود وفضایی موقتی همدوسی نوع دو

سی نوع دو شته را همدو شد دا سی. با سته نور در موجود رنگهای به(زمانمند)موقتی همدو شد می واب نور. با

ست رنگ تک شود،یعنی می شامل را رنگ یک تنها زمانمند همدوس به مربوط فاز یک نور از رنگ هر. ا

ستفاده مورد توانند نمی هولوگرام یک کردن ضبط برای رنگ چند نورهای. دارد را خودش زیرا گیرند قرار ا

است وابسته نور امتداد به فضایی همدوسی .ندارد وجود نمودن ضبط برای مشخصی فاز هیچ صورت این در

وامتداد کنند می حرکت امتداد یک در همواره همدوس فضایی طور به فضا،نورهای در شده داده نقطه هر در.

فاز ثابت طور به کند می ترییر حرکتش امتداد ثابت طور به که نوری. کند نمی ترییر زمان با آنها حرکت

.نیست مناسه هولوگرام کردن ضبط برای پس کند می ترییر نیز اش نسبی

قطع طور به نوری که بگویی توانی مانمی. شوند می بندی درجه کمیتها وسیله به وزمانمند فضایی همدوسی

ست همدوس ست ناهمدوس یا ا سی .ا سیله به توان می را معمولی نور زمانمند همدو میان از آن گذراندن و

سی. نمود دهد،بهتر می را رنگها از نازکی پهنه عبور اجازه تنها که فیلتری ضایی همدو با توان می را ر نو ف

ستفاده حال. نمود بهتر مات صفحه یک در ریزی سوراخ مثل نور کوچک خیلی چشمه یک از آمده نور از ا

ضا از نوردرهرنقطه که دانی می صاف خوبی به رنگش که معمولی نور. بیاید ریز سوراخ یک امتداد از باید ف

ست شده(فیلتر) ست شده گذرانده کوچک روزنه یک میان واز ا ستفاده ها هولوگرام ضبط برای تواند می ا ا

ضایی شکل به خیلی طبیعی طور به آید می لیزر یک از که وجود،نوری این با. شود همدوس و زمانمند ف

[3].شوند می ضبط لیزر نور بردن بکار با ها هولوگرام همه عمال دلیل این به .است

می ناشی مسطح قطبیده و نوری مسطح موج دو دادن( برخورد) تالقی از است ممکن هولوگرام ترین ساده

قتیو است، صفر الکتریکی کل میدان آنها در که ناظر صفحه از نقاطی که است این توجه جاله نکته شود.

سطی نقاط .ماندمی باقی صفر کنند می امواج حرکت که فرص الکتریکی میدان آنها در که نقاطی مابین و

ست تاریک فرص الکتریکی میدان با نقاط ناظر، یک برای. کنند می تفربه را متناوب الکتریکیمیدان یک ا

می هنامید نوارها ، روشن میان در یک خطوط این .رسند می نظر به روشن الکتریکی تناوبی میدان با ونقاط

سط ایفاد تداخلی الگوی که شوند سطح امواج شده تو شکیل را م میدان با نقاط این، بر عالوه. دهند می ت

می نور را یل ف تناوبی الکتریکی میدان با ونقاط گذراند باقی می نخورده دست را عکاسی فیل صفر الکتریکی

مثل مسییطح موج دو از شییده نتیفه نوارهای تداخلی .شییود ضییبط تواند می تداخل الگوی بنابرای. دهند

.رسید خواهند نظر به راست خطوطی

از همانندی موج جبهه یا امواج یا و مسطح امواج که ندارد لزومی تداخلی الگوی ایفاد برای موج های جبهه

.شکل باشند نظر

سه، های زاویه برای صله منا ست، نور موج طول حدود نوارها فا این .میلیمتر هزارم دو یک حدود یعنی ا

در یدمف اطالعات. رسند می نظر به یکنواخت خاکستری لکه یک تقریبا ها هولوگرام چرا دهد که می توضیح

هایپرتو دامنه در نوسانات .شود می ضبط شوند، دیده که هستند آن از بسیار کوچکتر که تداخلی نوارهای

در .مؤثرند شده ساخته باز موج جبهه دوباره ایفاد ودر شوند می هولوگرام ضبط در همچنین کننده، ضبط

صفر میدان با نقاط هولوگرام ضبط خالل ساوی دامنه دارای که پرتویی دو برخورد در تنها الکتریکی ندا م

و ستا ممکن غیر آنها الکتریکی میدان کامل باشد، حذف دیگری از تر قوی پرتوها از یکی اگر .آید می پیش

گویال ضبط با هولوگرام یک کردن شود. ضبط می کاسته شده ضبط نوارهای تفاوت یا مدوالسیون ازشدت

اباندنت نور با معموال تصویر هولوگرافی سازی باز. است یکسان نور همدوس پرتو دو توسط شده ایفاد تداخلی

طول اب بازسازنده نور یک پرتو کردن استفاده .رسد می نتیفه به شده ظاهر هولوگرام خالل از پرتو دو از یکی

صو اندازه متفاوت موجی صویر کمتر موج طول .دهد می ترییر را شده ساخته باز یر ت وجم و طولکوچکتر ت

کند. می ایفاد را بزرگتر تصویر بیشتر

شییود،دیده میشییود نور لیزر پس از عبور از بی اسییپلیتر به دو قسییمت تقسییی می 2همانگونه که در شییکل

صفحه شیء به س تابیده و پس از برخورد به سمتی از نور به ج سمت بعدی ی هولوگرافیک میق سد و ق ر

هولوگرافیک رسیده و با نور رسیده از جی تداخل کرده و نقش هولوگرام ی ی جس به صفحهبدون مشاهده

شود.ایفاد می

سیسنم ضبط هولوگرام – 2 شکل

شکل شاهده می 3در صویری از یک هولوگرام م ست مالحظه ت شده ا شطرنج گرفته شود که از مهره های

شودگردد که با چرخاندن سر زوایای مختلف یک تصویر دیده میمی

P.Hariharan, Basics of Holography - مشاهده پرسپکتیوهای مختلف از یک هولوگرام – 3 شکل

از آن عکس 8.1ی کانونی شود که با استفاده از یک دوربین با فاصلههمان هولوگرام مشاهده می 9در شکل

گرفته شده که با مات شدن قسمتی از تصویر عمق هولوگرام کامال مشهود است

-محدودیت عمق فوکوس مشخص است -( 1.1عکس از تصویر بازسازی شده )فاصله کانونی - 4 شکل

P.Hariharan, Basics of Holography

فی گرا لو هو لوژی نو ک ت فاده از ت با استت ها یره داده خ مام در ذ ت نده یر گ فرا دیستتتک

Holographic Versatile Disc (HVD)نگاری

چگونه است؟ HVDساختار

این دیسک ها از چندین الیه تشکیل شده است. از آنفایی که برای ذخیره سازی و خواندن ساختمان

اطالعات در این دیسک ها از دو نوع نور لیزر استفاده می شود، لیزر با نور آبی )سبز( وظیفه ثبت و یا بازیابی

به آن فرمان اطالعات و لیزر قرمز وظیفه هدایت هد خواندن بر روی دیسک را دارد که به اصطالح

نور فرمتن یار به این علت قرمز رنگ انتخاب شده است که نسبت به محیط ( می گویندServodataیار)

پلیمر ثبت کننده بی تأثیر باشد.

HVD 5 شکل

می باشد که نور باریکه لیزر سبز را باز می تاباند ولی اجازه Dichroic mirrorدیسک شامل الیه ای نه نام

عبور به نور قرمز را به منظور جمع آوری اطالعات فرمان یار می دهد. علت استفاده از این الیه، جلوگیری از

انحراف نور سبز به سمت پیت های فرمان یار می باشد.

HVD دیسک مقدار نفوذ پرتوهای لیزر در الیه های 7شکل

ذخیره می گردد؟ HVDچگونه اطالعات در

از آنفایی که اساس این دیسک ها بر تمام نگاری گذاشته شده است، ما دو پرتو برای ثبت اطالعات نیاز

داری . پرتو لیزری که بدون ترییر در فرایند به دیسک می رسد که پرتو مرجع نام دارد، و پرتوی که به عنوان

باز می تابد. باریکه اطالعات از شیء

وات در مقیاس آزمایشگاهی( برای ثبت اطالعات استفاده 8نانومتر و توان 232لیزر سبز رنگ )طول موج

می شود. ابتدا اطالعات به داده های دودویی کد می شوند تا در مدوالتور فضایی نور ذخیره گردند و به صورت

هستند. این Bitmap دوبعدی و بصورت فایلهایکه تبدیل شوند Page Dataنواحی روشن و تیره در یک

صفحه تصویری است که باریکه اطالعات از آن عبور خواهد کرد.

HVDشبیه سازی سطح مقطع لیزر تابش شده جهت ذخیره سازی به دیسک 6شکل

ه ب وقتی دو باریکه با ه برخورد می کنند، تداخل رخ می دهد. اگر بر روی جسمی مانند الیه پلیمرحساس

نور از دیسک ثبت شود، الگوی نوری تصویر را ذخیره خواهد نمود.

بازخوانی می شود؟ HVDچگونه اطالعات از

تاباندن باریکه مرجع به طور مستقی به هولوگرام، موجه می شود تا نور بازتابی دارای الگوی نوری ذخیره

نواحی روشن و تاریک است که نماینده یک شده در آن باشد.در واقع الگوی نوری دریافت شده، مفموعه ای از

سپس باریکه ی اطالعات بازیابی شده جهت ساخت مفدد تصویر، به یک .(Page Dataها و صفرها هستند)

فرستاده می شود. CMOSسنسور

عملکرد خواندن دیتا 1 شکل

Cmosعملکرد 9 شکل

تا این اندازه زیاد است؟ HVDچرا ظرفیت و نرخ انتقال داده در

ها آن است که برخالف سایر دیسک های نوری HVDعلت بیشتر بودن ظرفیت ذخیره سازی اطالعات در

که اطالعات را روی یک الیه نازک انبار می کنند، اطالعات در داخل الیه ای با در حف ذخیره می شود.

سر ه ، اطالعات در الگوهای نوری ذخیره همچنین به جای ذخیره سازی اطالعات به صورت بیت های پشت

می شوند.

هزار بیت اطالعات قابل 91، با هر پالس لیزری HVDعلت زیاد بودن نرخ انتقال داده نیز آن است که در

بازیابی و یا ذخیره سازی است در حالی که در سایر دیسک ها با هر پالس فقط یک بیت نوشته و یا خوانده

می شود.

HVDدخیره حجم باالی داده در دیسک های 10 شکل

BLU-RAYو DVDبا HVDمقایسه

قابلیت ذخیره سازی - 1جدول

Parameters DVD BLU-RAY HVD

capacity 4.7 GB 25 GB 3.9 TB

نرخ انتقال اطالعات - 2جدول

Parameters DVD BLU-RAY HVD

Data transfer rate (raw data) 11.08 MBps 36 MBps 1 GBps

قطر دیسک - 3جدول

Parameters DVD BLU-RAY HVD

Disc diameter 120 mm 120 mm 120 mm

طول موج لیزر - 4جدول

Parameters DVD BLU-RAY HVD

Laser wave length 650 nm

(Red)

405 nm

(Blue)

532 nm (Green)

دریک نگاه الکترواپتیکیی دیسک ها - 5جدول

Disk DVD DVD Blu-Ray Blu-Ray HVD

Number of

Layers

Single Dual Single Dual 200+/-

Recording

Capacity

4.7GB 9.4GB 25GB 50GB 3.9TB

Data Transfer

Rate

11.08Mbis 11.08Mbis 36Mb/s 36Mb/s 1GB/s

Disc diameter 120 mm 120 mm 120 mm 120 mm 120 mm

Laser wave

length

650 nm(Red) 650 nm(Red) 405 nm(Blue) 405 nm(Blue) 532nm(Green)

است این یک مزیت بسیار مه امی باشد که نشان دهنده این سال 21قابلیت حفظ اطالعات ذخیره شده تا

ی بیرون ماشینی الکترواپتیکاست که این نوع دیسک ها را میتوان بعنوان یک رسانه امن در بین حافظه های

و حتی غیر الکترواپتیکی دانست .

چرا با توجه به قدمت تمام نگاری و ساخت این نوع دیسک ها و مزیت هایشان، در بازار دیر ظهور

کرده اند؟

به دو علت :

و دیسک گردان آن HVDقیمت •

دالر است. 821دارای قیمت HVDدر بازار به طور متوسط یک دیسک در حال حاضر

پیچیدگی های چینش اپتیکی برای خواندن یا نوشتن اطالعات •

چینش های اپتیکی مورد استفاده برای نوشتن و خواندن اطالعات بر روی دیسک های هولوگرافیکی،

چینش های بزرگ و پیچیده ای بودند. با پیشرفت روربه روز، این دیسک ها که زمانی خیلی قطور بودند

و چینش اپتیکی بزرگی داشتند، به اندازه دیسک های دیگر استاندارد شدند.

HVDچینش اپتیکی دیسک گردان های 11 شکل

بوده است که توانسته Collinear Methodیا همان "ه راستایی"این قضیه مرهون روشی به نام روش

است مشکل سیست های اپتیکی پیچیده با دو محور را که باید برای به خط شدن دقیق درنقطه ای که

نیاز به تقاطع پرتوهای مرجع و اطالعات است حل کند و چینش های یک محوری را جایگزین نماید.

ژاپن اجرا شد. Optwareاولین بار این ایده توسط شرکت

نتیجه گیری

ستفاده مختلف علوم در هولوگرافی از توان می مقالهدر شده ذکر ویژگیهای به توجه با زا یکی . نمود ا

ذخیره داده اسییت که انقالبی در مقدار حف ذخیره داده ها در دیسییک های هولوگرافی مهمترین مزیتهای

سازد سک ها را متحول می سرعت نرخ تبادل داده در این دی سک هایی با طول الکترواپتیکی می کند و ودی

امن نذخیره داده که هما رعمر باال را به ارمقان می آورد که این دیسییک ها از مهمترین المان های امنیت د

.بودن بستر فیزیکی در ذخیره داده است را دارا می باشد

:راجعم[1]. Toal Vincent (2012), "Introduction to Holography", CRC Press, ISBN 978-1-4398-1868-8

[2]. Keigo Iizuka Elements Of Photonics In free space and special media (Volume I)

[3]. BAHAA E. A. SALEH , MALVIN CARL TEICH, Fundamentals Of Photonics(SECOND

EDITION)

[4]. "Holographic data storage.". IBM journal of research and development. Retrieved 2008-04-

28.

[5]. The Economist, Holographic data storage, Jul 31, 2003,

http://www.economist.cominode/1956881 General Electric Global Research IBM J.RES.

DEVELOP VOL 44 MAY 2000 J.ASHLEY ETAL In Phase Technologies, Longmont,

Colorado, http://www.inphase-technologies.com/

[6]. Optware Corporation http://www.optware.co.jp/english/