Entwicklung eines volumenholographischen Speichers zur digitalen Datenspeicherung und Verschlüsselung mit Adressierung durch Phasenkodierung

Basic data for this project

Type of project: Own resources project
Duration: 01/07/1999 - 31/01/2003

Description

Durch den ständig wachsenden Bedarf an hochkapazitiven Massenspeichern mit niedrigen Zugriffszeiten muß nach Alternativen zu elektronischen und magnetischen Speichermedien gesucht werden, da hier die physikalischen Grenzen in naher Zukunft erreicht sein werden. Video- und Spielfilmdatenbanken (video-on-demand), Netzwerkdienste, Satellitenkommunikation oder Bildverarbeitung in der Chirurgie sind nur einige Gebiete, in denen in Zukunft Terabytes von Daten gespeichert und in Millisekunden wieder abrufbar sein müssen. Gleichzeitig verlangt die Datenarchivierung in Bibliotheken, in der Medizin oder im Bereich der Kunst hoch-kapazitive Datenspeicher, die ganze Bilder detailgenau speichern. Durch ihre inhärente Parallelität und hohe Übertragungsgeschwindigkeit bietet die Optik sehr vielversprechende Möglichkeiten, wie sie durch CD, CD-ROM, DVD und magnetooptische Speicher schon heute teilweise genutzt werden. Alle diese Medien arbeiten jedoch wie auch herkömmliche Speicher seriell und nutzen nicht die Parallelität des Lichtes. Als Weiterentwicklung der konventionellen Holographie gilt die volumenholographische Speicherung als besonders vielversprechend zur Realisierung zukünftiger hochkapazitiver Speicher. Bisherige Systeme nutzen jedoch ausschließlich die Modulation des Referenzwellenwinkels, um hohe Datenspeicherraten zu erzielen und nehmen dabei bewegliche oder frequenzverändernde Elemente im Strahlengang in Kauf, die sowohl die Präzision als auch die Ansprechzeiten erheblich limitieren. Ziel des vorliegenden Projektes ist, die Volumenholographie in photorefraktiven Speichermaterialien ohne diese Beschränkungen zur Realisierung eines hochkapazitiven Datenspeichers für digitale Daten einzusetzen. Dazu wird als Multiplexverfahren die Methode der Phasenkodierung eingesetzt, bei der die Adressierung der Datenseiten elektronisch über einen Phasenmodulator erfolgt. Vorteil dieses Verfahrens ist die schnelle und energieeffiziente Adressierung des Speichers ohne bewegte Komponenten. Das von der Antragstellerin entwickelte Prinzip der Phasenkodierung erlaubt außerdem die Verschlüsselung der Daten und direkte Bild- und Signalverarbeitung mit den gespeicherten Datenseiten. Da der Schwerpunkt des Projekts auf der Konfiguration des Systems für die digitale Datenspeicherung auf Basis der Phasenkodierung liegt, wird als Speichermaterial eisendotiertes LiNbO3 dienen, das nach wie vor als das beste Material für die optische Datenspeicherung gilt. Das System wird hinsichtlich Speicherkapazität, Übersprechen zwischen verschiedenen Datenseiten und innerhalb einer Seite, Rauschen und Bitübertragungs- und Bitfehlerrate analysiert werden. Eine mathematische Modellierung der Fehlerquellen soll parallel dazu erfolgen. Hauptziel des Projekts ist die Konfiguration des Systems für die Speicherung digitaler Daten. Dazu sollen verschiedene Kodierungsalgorithmen wie Modulations- und Feh­lerkodierung für den Fall der Übertragung zweidimensional angeordneter Daten entwickelt werden, um die Bitfehlerrate unter Beibehaltung einer möglichst hohen Speicherkapazität systematisch zu verringern. Angestrebt sind Bitfehlerraten, die das System vergleichbar machen mit der Verläßlichkeit elektronischer Speicher. Da solche Verfahren bisher nur für die Speicherung digitaler Daten in elektronischen Systemen entworfen wurden, müssen hier neue Methoden erarbeitet werden, die die parallele, zweidimensionale Struktur der digital-optischen Daten berücksichtigt. Wichtige Untersuchungsgröße ist hier die Koderate (Informationsbits/Gesamtbitzahl), die ausschlaggebend für das Verhältnis von Speicherkapazität und Bitfehlerrate ist. Die in diesem Projekt erarbeiteten Verfahren zur Reduzierung der Bitfehlerrate sind unabhängig vom Adressierungsverfahren in allen volumenholographischen Speichern einsetzbar. Die Ergebnisse unserer Arbeit sind daher von großem Interesse für alle auf diesem Gebiet arbeitenden Forschergruppen. Darüberhinaus bietet die phasenkodierte Adressierung zusätzliche verfahrensspezifische Möglichkeiten zur Reduzierung der Bitfehlerrate, deren Implementation ebenfalls geplant ist. Im Anschluß an die Optimierung des Systems bzgl. Kapazität und Bitfehlerrate wird die Möglichkeit untersucht, die phasenkodierte Adressierung zur gleichzeitigen Datenverschlüsselung zu nutzen. Durch die Verwendung von Zufallsphasenverteilungen zusätzlich zu den deterministischen Phasenkodes kann ein unerwünschtes Auslesen des Speichers verhindert werden. Die Sicherheit des Speichers bei Verwendung verschiedener ‘Phasenschlüssel' soll untersucht und mit der Datenverschlüsselung bei herkömmlichen elektronischen Systemen verglichen werden. Um ein langsames Ausbleichen der eingespeicherten Daten bei ständigem Auslesen zu verhindern, müssen die Daten im System fixiert werden. Dazu soll die Methode der thermischen Fixierung genutzt werden. Der Einfluß der Fixierung auf die Bitfehlerrate ist bisher nicht bekannt und wird ebenfalls im Rahmen diesen Projektes erstmals untersucht. Durch Kombination mit örtlichem Multiplexing wird die Kapazität dieses Systems schließlich den Anforderungen hochkapazitiver Speichersysteme angepaßt werden. Bei einer Seitenzahl von 500-1000 Datenseiten pro Speicherort und ca. 100 Speicherorten können somit bis zu 100.000 Seiten in einem Kristallvolumen von nur wenigen Kubikzentimetern abgelegt werden. Bei einer Seitengröße von ca. 8 x 105 Pixel soll dadurch ein Speicher ermöglicht werden, der Speicherkapazitäten im Bereich von 80 Gigabyte ‘Rohdaten' zuläßt und eine Datenzugriffszeit im Bereich von 1 ms pro Seite erlaubt. Durch die Implementation der entwickelten Fehlerkorrekturverfahren wird die Bitfehlerrate in der Größenordnung von 10-9 liegen bei einer gleichzeitigen Verringerung der Kapazität abhängig von der Koderate. Mit zukünftig weiter verbesserten Ein- und Ausgabegeräten und vor allem besseren Speichermaterialien, die auch in anderen Formen vorliegen können (z.B. scheibenförmig wie eine CD) wird ein solches Speichersystem leicht Kapazitäten im Terabyte-Bereich bereitstellen können. Die aus diesen Arbeiten resultierenden Ergebnisse werden die führende Position der Arbeitsgruppe auf dem Gebiet der Phasenkodierung ausbauen. Die aufgezeigten Möglichkeiten, die die Phasenkodierung bei der digitalen Datenspeicherung bietet, werden die Attraktivität der Phasenkodierung als Adressierungsverfahren in volumenholographischen Speichern international erheblich steigern.

Keywords: data storage; holography; optics