5D-Glas-Speicher 500 Terabyte Daten auf einer CD-großen Glasscheibe

Forscher der Universität Southampton haben ein schnelles und energieeffizientes Laserschreibverfahren zur Herstellung von hochdichten Nanostrukturen in Quarzglas entwickelt. Diese winzigen Strukturen dienen einer langfristige optische Datenspeicherung, die mehr als 10.000-mal dichter ist als die Blu-ray Optical Disc Speichertechnologie.

Wissenschaftler des Optoelectronics Research Centre (ORC) der Universität Southampton haben eine neue Generation an Datenträger vorgestellt: einen per Femtosekunden-Laser beschreibbaren „5D-Datenspeicher in Quarzglas“ mit einer Speicherdichte von bis zu 500 TByte pro Datenträger. In einem im Fachblatt Optica veröffentlichen Beitrag beschreiben die Forscher ihre neue Methode zum Schreiben von Daten, die zwei optische und drei räumliche Dimensionen umfassen.

Der Ansatz kann mit einer Geschwindigkeit von 1.000.000 Voxeln pro Sekunde schreiben, was der Aufzeichnung von etwa 230 Kilobyte Daten pro Sekunde entspricht. Ein mit dieser Methode beschriebener Quarzglas-Datenträger in Größe einer üblichen optischen Blu-ray-Disc hätte nach Angaben der Wissenschaftler ein Speichervolumen von 500 TByte, was das 10.000-fache einer BD-ROM entspräche.

Darüber hinaus versprechen die 5G-Quarzglas-Datenträger eine enorme Lebensdauer: Wie die Forscher beschreiben, wären diese Datenträger quasi für die Ewigkeit geschaffen: Die voraussichtliche Lebensdauer der Medien betrage etwa 13,8 Milliarden Jahre. Das schlägt nicht nur andere optische Datenträger um mehrere Größenordnungen - eine Blu-ray Disc kommt auf schätzungsweise 80-85 Jahre.

Schnellere und effizientere Laser-Schreib-Methode

Optische 5D-Datenspeicherung in transparenten Materialien ist nichts Neues an sich: Das ORC-Team in Southampton präsentierte bereits 2013 einen ersten Prototypen ihres 5D-Quarzkristallglasspeichers und beschrieb 2016 in einer Studie einen Datenträger mit einem Fassungsvermögen von bis zu 320 TByte. Dennoch war es bislang noch eine große Herausforderung, Daten schnell genug und mit einer für reale Anwendungen ausreichenden Dichte zu schreiben.

Nun griffen die Forscher zu einer neuen „Hochgeschwindigkeitslösung“: Um diese Hürde zu überwinden, verwendeten die Forscher einen Femtosekundenlaser mit hoher Wiederholrate, um winzige Vertiefungen zu erzeugen, die eine einzelne nanolamellenähnliche Struktur mit einer Größe von jeweils nur 500 mal 50 Nanometern enthalten.

Anstatt mit dem Femtosekundenlaser direkt in das Glas zu schreiben, nutzten die Forscher das Licht, um ein optisches Phänomen zu erzeugen, das als Nahfeldverstärkung bekannt ist. Hierbei entsteht eine nanolamellenartige Struktur durch einige schwache Lichtpulse aus einem isotropen Nanovoid, das durch eine Mikroexplosion mit einem einzigen Puls erzeugt wird. Durch die Verwendung der Nahfeldverstärkung zur Herstellung der Nanostrukturen wurde die thermische Schädigung minimiert, die bei anderen Ansätzen, die Laser mit hoher Wiederholrate verwenden, problematisch war.

Da die Nanostrukturen anisotrop sind, erzeugen sie eine Doppelbrechung, die durch die Ausrichtung der langsamen Achse des Lichts (4. Dimension, entsprechend der Ausrichtung der nanolamellenartigen Struktur) und die Stärke der Verzögerung (5. Dimension, definiert durch die Größe der Nanostruktur) charakterisiert werden kann. Bei der Datenaufzeichnung im Glas können die Ausrichtung der langsamen Achse und die Stärke der Verzögerung durch die Polarisation bzw. die Intensität des Lichts gesteuert werden.

Ein 500 TByte-Datenträger ließe sich in 60 Tagen füllen

„Dieser neue Ansatz verbessert die Datenschreibgeschwindigkeit auf ein praktisches Niveau, sodass wir Dutzende von Gigabytes an Daten in einer angemessenen Zeit schreiben können“, erklärt Yuhao Lei von der Universität Southampton, einer der Hauptautoren der jüngsten Studie. „Die hochgradig lokalisierten, präzisen Nanostrukturen ermöglichen eine höhere Datenkapazität, da mehr Voxel in eine Volumeneinheit geschrieben werden können. Außerdem wird durch die Verwendung von gepulstem Licht die zum Schreiben benötigte Energie reduziert.“

Die Forscher nutzten ihre neue Methode, um 5 Gigabyte Textdaten mit nahezu 100%iger Auslesegenauigkeit auf eine Quarzglasscheibe von der Größe einer herkömmlichen Compact Disc zu schreiben. Jedes Voxel enthielt vier Bit an Informationen, und jeweils zwei Voxel entsprachen einem Textzeichen. Mit der Schreibdichte, die das Verfahren bietet, könnte die Scheibe 500 Terabyte an Daten speichern. Mit Upgrades des Systems, die ein paralleles Schreiben ermöglichen, sollte es laut den Forschern möglich sein, diese Datenmenge in etwa 60 Tagen zu schreiben.

Auch hinsichtlich praktikabler Anwendbarkeit sind die Wissenschaftler zuversichtlich. „Der von uns verwendete physikalische Mechanismus ist generisch“, sagt Lei. „Daher gehen wir davon aus, dass diese energieeffiziente Schreibmethode auch für die schnelle Nanostrukturierung in transparenten Materialien für Anwendungen in der integrierten 3D-Optik und Mikrofluidik verwendet werden könnte.“

Aktuelle kommerzielle optische Laufwerke sind der neuen Technik hinsichtlich Schreibgeschwindigkeit natürlich derzeit weit überlegen: Die minimale Geschwindigkeit, mit der BD-Roms beschrieben werden können, liegt bei 4,5 MByte pro Sekunde.

Die aktuelle Studie zu dem Datenträger und der neuen Beschreibmethode ist unter dem Titel „High speed ultrafast laser anisotropic nanostructuring by energy deposition control via near-field enhancement" im Fachblatt Optica erschienen und frei einsehbar.

Dieser Beitrag stammt von unserem Schwesterportal Elektronikpraxis.

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