DE2164725B2 - Optischer Datenspeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Datenspeicher nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

In der Technik der Datenverarbeitung werden neuerdings optische Speicher verwendet, bei denen die Informationen entweder durch einzelne Bits darstellende geschwärzte und ungeschwärzte Bereiche oder durch größere Anzahlen von Bits enthaltende Hologramme dargestellt werden. Auch magnetische Dünnschichtspeicher sind bekanntgeworden, bei denen das Auslese» der Information durch einer? polarisierten Lichtstrahl erfolgt, dessen Polarisationsebene in Abhängigkeit vom Magnetisierungszustand des jeweils iibge tasteten Bereiches um bestimmte Winkelbeträge gedreht oder nicht gedreht wi; j. Die in der außerordentlich großen Informationsdichte derartiger Speicher bestehenden Vorteile wurden weitgehend durch die Schwier gkeit einer schnellen Adressierung der einzelnen Speicherbereiche zunichte gemacht. Bei den bisher bekanntgewordenen optischen oder optisch auslesbaren Speichern wurde ein Lichtfleck steuerbar auf die jeweils auszulesende Speicherstelle gerichtet, der entweder durch einen aus einer Kathodenstrahlröhre bestehenden Leuchtfleckgenerator oder durch sog. elektro-optische Lichtablenker erzeugt wurde. Mit diesen bekannten Vorrichtungen konnte die Verschiebung des Licht flecks im besten Falle innerhalb von

ίο 1O~⁶ Sekunden erfoigen. Diese Geschwindigkeit war für die im Zusammenhang mit modernen Rechenautomaten auftretenden Aufgaben viel zu klein.

Aus der deutschen Auslegeschrift 12 82 342 ist eine Anordnung zum Auslesen eines optischen Speichers bekannt, bei der eine als Hell-Dunkel-Matrix dargestellte Datenmenge durch ein komplexes optisches System vielfach entsprechend der Zahl der vorhandenen Datenelemente abgebildet wird: dazu beaufschlagt ein sehr kurzer Lichtimpuls die Matrix und erzeugt die verschiedenen Abbildungen zeitlich hintereinander. Photodetektoren an den Stellen der Abbildungen liefern somit eine zeitliche Signal-Folge der auf der Matrix parallel aufgezeichneten Datenelemente. Die Zahl der gleichzeitig herstellbaren Abbildungen ist in der Praxis jedoch begrenzt und somit auch die Zahl der schnell auslesbaren Datenelemente.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, einen optischen Datenspeicher anzugeben, der trotz großer Speicherkapazität eine sehr kurze Zugriffs zeit aufweist

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch

gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der

Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet Die Erfindung schlägt vor, mehrere als Hologramme

. 35 ausgebildete Speicherbereiche optisch hintereinander zuschalten und von einem sehr kurzen Lichtimpuls nacheinander durchlaufen zu lassen. Beim Durchtritt des

Impulses durch ein Hologramm wird das darin

gespeicherte Datenfeld (Hell-Dunkel-Matrix) auf einer allen Speicherbereichen gemeinsamen Detektormatrix rekonstruiert. Die Zugriffszeiten für die Speicherbereiche liegen dabei im Bereich von Nanosekunden und darunter.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anschlie-

<5 Bend anhand der Figuren näher erläutert Es zeigt

Fig. I einen optischen Datenspeicher mit einer Detektormatrix,

Fig.2 einen optischen Datenspeicher mit zwei Detektormatrizen.

^o Der in F i g. 1 dargestellte optische Datenspeicher besteht aus einem in einer Hologrammebene 1 angeordneten Träger, der eine Vielzahl von die einzelnen Speicherbereiche darstellenden Hologrammen 2a bis 2d und Aperturen 3a bis 3c enthält.

Beiderseits der Hologrammebene 1 sind Spiegel 5a bis 5c und Sa bis 8c/ vorgesehen, von denen die ersten auf einem in einer Spiegelebene 4 befindlichen Träger und die zweiten auf der Ebene einer Detektormatrix 6 angeordnet sind. Die Detektormatrix besteht aus einer

ω Vielzahl von Lichtdetektoren 7. Die Mittelpunkte der Spiegel 5a bis 5r liegen ebenso wie die Mittelpunkte der Aperturen 3a bis 3c und der die einzelnen Speicherbereiche darstellenden Hologramme 2a bis 2d in einer Ebene 9. Ferner ist eine als Laser ausgebildete, in der

*<*> Figur als Lichtsegmente 10 dargestellte Lichtimpuhc erzeugende Lichtquelle 11 vorgesehen. Die von dieser Lichtquelle ausgehenden Impulse durchsetzen zunächst das Hologramm 2,7 und werden anschließend /wischen

den Spiegeln 5a bis Sddurch die Aperturen 3a bis 3c und die weiteren Hologramme 26 bis 2d hin und her reflektiert, um die Anordnung nach der Reflexion am Spiegel Bdzu verlassen. Beim Durchtritt durch das erste Hologramm 2a durchsetzt ein Teil des Lichtimpulses den Speicherbereich als nullte Beugungsordnung, während ein anderer Teil des als Lichtsegment 10 dargestellten Lichtimpulses fine Abbildung der im Hologramm 2a erthaltenen verschlüsselten Information auf die Detektormatrix 6 bewirkt Die nullte Beugungs-Ordnung 10' des Lichtimpulses wird am Spiegel Sa reflektiert, tritt ungestört durch die Apertur 3a, wird am Spiegel 5a reflektiert und durchsetzt das zweite Hologramm 26, dessen verschlüsselte Information wiederum auf der Detektormatrix 6 abgebildet wird. Die aus dem Hologramm 26 auftretende nullte Beugungsordnung 10" wird am Spiegel 86 reflektiert, durchsetzt ungestört die Apertur 36, wird am Spiegel 56 reflektiert und durchsetzt das dritte Hologramm 2c, dessen verschlüsselte Information wiederum auf der Detektormatrix 5 abgebildet wird. Der gleiche Vorgang wiederholt sich bei den Hologrammen 2c und £J, deren verschlüsselte Informationen in gleicher Weise in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten auf der Detektormatrix 6 abgebildet werden. Die entsprechenden Strahlungsanteile nullter Ordnung werden mit 10', 10", 10'", 10"" und die an der Abbildung beteiligten Anteile mit RO bezeichnet

Es ist bekannt, daß verschiedene Arter von Hologramme verschiedene Wirkungsgrade aufweisen. M Für die vorliegende Erfindung werden Hologramme mit relativ niedrigen Wirkungsgraden verwendet, die zwischen 0,01% und 4% liegen. Die Intensität der aus der nullten Beugungsordnung bestehenden Strahlen wird in den einzelnen Hologrammen nur um geringfügi- J5 ge Beträge verkleinert, die so bemessen sind, daß die Intensität des aus der nullten Beugungsordnung bestehenden Strahls 10"' ausreicht, das letzte Hologramm 2c/.so auszuleuchten, daß die Detektoren 7 der Detektormatrt. 6 ansprechen und daß die Energie des *o das letzte Mologramm verlassenden Strahls der nullten Beugungsordnung unterhalb der Ansprechgr^nze der Detektoren 7 liegt Die Lichtquelle U zur Erzeugung von Lichtimpulsen wird so betrieben, daß die Impulse eine Intensität von etwa JO bis 100 Watt aufweisen, wodurch die Verluste beim Durchtritt durch sämtliche Hologramme berücksichtigt werden. Da die am Ausgang der einzelnen Detektoren auftretenden Signale auch unter diesen Umständen starken Schwankungen unterworfen sein können, wird eine Anordnung zur automatischen Verstärkungssteuerung vorgesehen, durch die die Ausgangssignale auf das jeweils erforderliche Niveau gebracht werden. Die an den Ausgängen der Detektormatrix 6 angeordneten Verstärker sind ihrerseits mit Adressenselektoren verbunden, durch die der Zugang zu jeder beliebigen Gruppe von Signalmustern bewirkt werden kann.

Zur Veränderung der Laufzeit des Lichtsegments 10 bzw. zur Bestimmung der Zeitpunkte seines Durchtritts durch die einzelnen Hologramme kann die Relativlage &o der Spiegelcbene 4 in bezug zur [(ologrammebcne 1 eingestellt werden. Dies wird durch eine Anordnung bewirkt, die aus einem die Spicgclebenc 4 aufnehmenden Träger Aa. zwei Führuntrsbolzcn 4c und einer Schraubenspindel Ab besteht, durch die die Laufzeil des '" l.ichiscgemcntes vergrößert oder verkleinert werden kann.

Der in Fig. 2 dargestellte optische Datenspeicher enthält eine Hologrammebene 1', in der Hologramme Ua bis Wg angeordnet sind. Beiderseits dieser Hologramme sind Detektermatrizen 6Λ und 6L vorgesehen, die der in F i g. 1 dargestellten Lichtdetektormatrix 6 entsprechen. Die Detektormatrizen 67? und 6L weisen Spiegel 18a bis ISd und. !5a bis i5d auf, die derartig in bezug aufeinander und auf die Hologramme 11a bis Hg angeordnet sind, daß das Lichtsegment 20 die Hologramme Ha bis Hg in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten durchsetzt, um eine serielle Auslesung der Inhalte dieser Hologramme zu ermöglichen. Beim Durchtritt durch die Hologrammebene Γ bewirkt das Lichtsegment 20 eine Abbildung der Hologramme lia, lic, lleund ll^auf die Detektormatrix 6L, während die Hologramme 116, Hd und Hf auf die Detektormatrix 6R abgebildet werden. Die Richtung der die Abbildung bewirkenden Strahlen sind durch die Pfeile 21a, 216 angedeutet, die von den Hologrammen 11a und 116 ausgehen. Auch in dem in F i g. 2 dargestellten Speicher weisen die Detektormatrizen 6/? und Ft eine Vielzahl von Photodetektoren auf, die auf das durch das Auslesen der Hologramme erzeugte Lichtmuster ansprechen. Jede der Detektormatrizen erzeugt Ausgangssignale, die diesen verschlüsselten Informationsmustern entsprechen. Diese Ausgangssignale werden durch Leseverstärker verstärkt, deren Ausgänge mit an sich aus der Computertechnik bekannten Adressenselektoren verbunden sind, mit deren Hilfe ein Zugriff zu jedem beliebigen Muster oder zu jeder beliebigen Gruppe von verstärkten elektrischen Signalen möglich ist.

Es ist selbstverständlich auch möglich, die in F i g. i dargestellte Anordnung zur Veränderung der Laufzeit des Lesestrahls auf den in Fig.2 dargestellten Datenspeicher sinngemäß zu übertragen. Diese Anordnung kann entweder die Detektormatrizen 6L, 6R oder die Hologrammebene Γ bzw. bestimmte Kombinationen dieser Elemente verschieben, so daß die Zeitpunkte des Durchtrittes des Lichtsegmentes 20 durch die Hologrammebene eingestellt werden können. Weiterhin können die Spiegel 15a bis 15c/und 18a bis 18c/auf besonders verschiebbaren Trägern angeordnet werden, um weitere Einstellmöglichketten zu ermöglichen.

Die an den Ausgängen der Detektormatrizen auftretenden Signale stellen eine Folge von parallelen Informationsblocks dar, die die in den in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ausgelesenen Hologramme wiedergegeben. Jeder dieser Informationsblocks tritt in zeitlich versetzten Zeitpunkten auf und kann durch eine an s'ch bekannte Adressenkoinzidenz«chaltuug selektiert und unter der Steuerung eines Auslesetors 29 zum Ausgaberegister 30 übertragen werden. Das Auslesetor 29 wird durch eine Adreßzähler- und Registerschaltung 33 in folgender Weise gesteuert; Die Feststellung des Auftretens von Information im Bereich einer Detektormatrix bewirkt eine Fortschaltung des Zeitgibers 31, der über eine Leitung 32 ein Zeitgebersignal überträgt, das zur Fortschaltung des Adreßzählers und Registers 33 dient, und gleichzeitig ein PositionsabfUhlsignal über eine Leitung 34 zu ° Steuerung der automatischen Verstärkungssteuerungseinheit 35, die die Leseverstärker in Abhängigkeit von dem jeweils ausgelcscnen Hologramm steuert. Die kleinste Verstärkung ist für das erste Hologramm vorgesehen, während beim Auslesen der folgenden Hologramme die Verstärkung in zeitlicher Aufcinaridcrfi.-'gc erhöhl wird. Diese automatische Verstärkungsstcuereinheit kompensiert die F.ncrgieverluste, die das l.ichtsegment beim Durchtritt durch die Anordnung erfährt. l.>ie gesamte Zykluszeit der

Anordnung ist gleich der Laufzeit des Lichtsegmentes 10 durch die vorhandenen Hnlogr.immc. Das nächste Lichtsegment wird unmittelbar nach dein Auslesen des letzten Hologramms durch das vorherige Lichtsegment erzeugt.

Es ist selbstverständlich auch möglich, anstelle der in den I" i g. I und 2 dargestellten Vorrichtungen eine Reihe von gegeneinander versetzten Hologrammebe ncn durch geeignet angeordnete Spiegel vom Lichtsegment durchsetzen zu lassen. Zur Unterdrückung des beim Durchgang durch die einzelnen Hologramme in der nullten ßeugungsordnung entstehenden Rauschens kann es zweckmäßig sein, in der Nahe der einzelnen I kilogramme Raumfilter anzuordnen.

Vs ist bisher möglich gewesen, mit Hilfe von Lasern Impulse zu erzeugen, deren Dauer unter einer Nanosekunde liegt. In der Literaturstelle »Applied Physics Letters«. Vol. 10, Nr. I, I. Januar 1967, Seiten 16 ff. von |. A. Armstrong wird die Selektion eines einzigen impulses von tier Dauer einer l'icosekunde aus einer Reihe derartiger Impulse beschrieben. Mit den in dieser l.iteraturstclle angegebenen Lehren /um technischen Handein ist es möglich. Impulsbreiten mit einer Länge von 4 χ 10 " Sekunden zu messen. Obwohl die heute zur Verfugung stehenden Detektoren innerhalb dieser kurzen Zeitintervalle nicht ansprechen können, sondern sich nur zur Verarbeitung von l.ichtsegmenten im Nanosekundenbcreich eignen, ist es durchaus möglich, bei Entwicklung besserer Detektoren mit dem erfindungsgemäßen optischen Datenspeicher Zugriffszeiten im Bereich von Picosckundcn zu erreichen.

Zur Beschleunigung des Zugriffes ist es zweckmäßig, die l.ichtdetcktoren und cue Leseverstärker als integrierte Schaltungen auszubilden. Auch die Auswahlmatrix zum Auslesen der Bitverstärker wird zweckmäßigerweise in integrierter Planarbauweise als Teil der Detektormatrix hergestellt. Die integrierten Verstärker können entweder als lineare Verstärker oder als bistabile Multivibratoren ausgebildet werden. Im letzten Fall muß der Detektor lediglich die zur Änderung des Zustandes des Multivibrators erforderliche Energie aufbringen. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Fotodiode vom PIN-Typ mit einer Empfindlichkeit von 0,35 μΑ/W bei 6328 A erwiesen, die bei einer einfallen-■ > den Strahlung von 9.5 μ\ν und einem I.astwiderstand von 200 0hm ein Ausgangssignal von 640 μν erzeugt. Dieses Signal reicht aus, einen bistabilen Multivibrator umzuschaltrn oder durch einen linearen Verstärker zu einem auswertbaren Signal verstärkt zu werden. Gehl

in man davon aus, daß je Bit 10 μW erforderlich sind und daß der Beugungswirkungsgrad bei 4% liegt, so wird zum Auslesen je Bit eine Energie von 250 μ\ν benötigt. Nimmt man fernerhin 50% Verluste der gesamten Anordnung an, so reicht die Energie eines 10 W-Impul-

: . ses eines impulsbetriebenen Lasers aus. eine Matrix von 20 000 Bits auszulesen.

Zur Veranschaulichung der Randbedingungen sei angenommen, daß beim erfindungsgemäßen optischen Datenspeicher Lichtimpulse von einer Nanosekunde

.'Ii Dauer und zehn Holugrammpositionen verwendet werden. Nimmt mar ferner eine Lange des Lichtweges vom ersten Hologramm zu den Spiegeln von 30 cm und zum nächsten Hologramm von 150 cm an, so ergibt sich eine Zeitspanne von 6 Nanosekundcn. Die eine Nanose-

:ϊ künde dauernden Lichtimpulse ergeben bekanntlich l.ichiscgmcnte von der Länge von 30 cm. die sich durch die in den F-" i g. 1 und 2 dargestellten optischen Datenspeicher fortpflanzen. In diesem Fall ergibt sich eine Fnt.stnung von der Hologrammebene I zur

id Detektormatrix 6 von 30 cm und eine Entfernung von der Hologrammebene I zur Spiegelcbene 4 von 60 cm. Unter diesen Bedingungen müssen die Ausleseselektoren zur Übertragung der ausgewählten Information im Ausgaberegistcr eine Wiederholungsfrequenz von

η 6 Nanosekundcn zum Übergang von einem Hologramm zum anderen haben. Bei zehn Hologrammen kann der nächste zu erzeugende Lichtimpuls 60 Nanosekunden nach Auftreten des vorherigen Lichtimpulses erzeugt werden, damit sichergestellt wird, daß der vorhergchcn-

jo de Impuls das letzte Hologramm (10) verlassen hat.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche;

1. Optischer Datenspeicher, zu dessen Auslesen Lichtimpulse verwendet werden, deren Laufzeit durch den Speicher im Vergleich zu ihrer Länge groß ist, dadurch gekennzeichnet, daß längs des Lichtwegs (10) im Speicher mehrere als Hologramme ausgebildete Speicherbereiche (2a, 2b. ...) vorgesehen sind, daß zu jedem Zeitpunkt immer nur ein Hologramm von Lichtimpulsen durchsetzt wird und dabei eine Hell-Dunkel-Matrix rekonstruiert und auf Detektormatrizen (6) abbildet, die allen oder mehreren Hologrammen gemeinsam zugeordnet sind.

2. Optischer Datenspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hologramme (2 bzw. U) nebeneinander angeordnet sind und auf einem durch Spiegel (5 bzw. 15) zickzackförmig geführten Lichtweg liegen.

3. Optischer Datenspeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hologramme als Transmissionshologramme (2) ausgebildet sind, zwischen denen jeweils Aussparungen (3) für das zurücklaufende ungebeugte Licht vorgesehen sind und daß eine Detektormatrix (6) in einer der Spiegelebenen (8) vorgesehen ist

4. Optischer Datenspeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hologramme als Reflexionshologramme ausgebildet sind, die für das ungebeugte Licht durchlässig sind und daß in beiden Spiegelebenen Detektormatrizen (61, 6R) vorgesehen sind.

5. Optischer Datenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Detcktormatrix (6) Steuerungssc altungen (29, 30, 31, 33, 35) zugeordnet sind, die auswählbare Bereiche der Detektormatrix in den Zeitpunkten aktiviert, in denen der auszulesende Speicherbereich abgebildet wird.

6. Optischer Speicher nach einem der Ansprüche t bis 5', dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der Lichtverluste längs des Lichtwegs die Verstärkung der Detektormatrix (6) automatisch eingestellt wird (Steuerung 35).

7. Optischer Speicher nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (4,8, 15,1 B) justierbar sind.