Holodisk klaar voor gebruik

Lichtgevoelig plastic als driedimensionale datadrager

Terwijl de blauwe-lasergeneratie al staat te dringen om de dvd op te volgen, ziet een compleet nieuwe generatie dit jaar al het levenslicht. Holografische opslag is sneller, biedt veel meer capaciteit en zal naar verwachting relatief goedkoper worden dan hd-dvd, blu-ray en tapestreamers.

Holografie is niet nieuw. De techniek bestaat al ruim veertig jaar en doet al lang de ronde als ideaal model voor dataopslag. Vanwege technische obstakels is het nog nooit van de grond gekomen, maar dankzij intensief onderzoek en de opkomst van betaalbare componenten is het de laatste jaren in een stroomversnelling geraakt. Bij een holografische schijf is er niet sprake van één of meer lagen, zoals bij dvd, maar van een veel dikkere datalaag die driedimensionaal benut wordt. Door twee laserstralen te gebruiken, een informatie- en een referentiestraal, wordt een 3D beeld geprojecteerd op het punt waar de stralen elkaar kruisen. Dit patroon wordt vervolgens opgeslagen in een laag van fotogevoelig polymeer. Deze methode heeft niet alleen als voordeel dat er meer data kan worden opgeslagen, maar werkt ook nog eens een stuk sneller dan het bit-voor-bit schrijven, zoals bestaande optische media dat toepassen. Omdat bij traditionele optische media op een vlak spoor putjes achter elkaar worden gebrand, is de doorvoersnelheid medeafhankelijk van de snelheid van de draaiing van de schijf. Een holografische schijf hoeft dankzij de 3D-methode niet te draaien, behalve om van positie te wisselen als de schijf in een cartridge zit. Door deze alternatieve methode is het ook niet nodig om een traditionele ronde schijf te gebruiken: een rechthoekig creditcard-formaat functioneert net zo goed. Er zijn al werkende prototypes van een 30GB-model ter grootte van een credit card en een 300GB-versie in de vorm van een 130 mm schijf (een cm groter dan een cd). Er zijn zowel plannen voor schijven in 5,25-inch als in kaartvorm.

Twee kampen

Zoals wel vaker bij nieuwe technieken en de vorming van standaarden, zijn meningsverschillen en eigenbelangen aan de orde van de dag. De strijd om de blauwe laser door blu-ray en hd-dvd is daar het bekendste voorbeeld van, maar ook bij de vorming van andere standaarden zien we dat terug. Dat geldt ook voor holografische opslag, ondanks de vorming van de Holographic Versatile Disc (HVD) alliantie, begin 2005. Dit consortium van bedrijven wordt getrokken door het Japanse Optware en kent prominente leden als Fujifilm, Lite-On, CMC, Mitsubishi Kagaku Media, Pulstec en Konica Minolta. De alliantie richt zich op het ontwikkelen en promoten van een holografische drager, de standaardisatie van producten en het certificeren van media, spelers en recorders. De deelnemende bedrijven hebben samen de specificaties bepaald voor de HVD (en de kaartversie HVC) en een aantal technische knopen doorgehakt. Hierdoor wijkt de uiteindelijke versie af van een ander ontwerp, dat door het Amerikaanse InPhase en Japanse Hitachi Maxell productierijp wordt gemaakt. InPhase is een spin-off van Lucent, dat weer voortgekomen is uit AT&T en Bell Laboratories. Experts van Bell Labs, een bedrijf dat faam verwierf door de uitvinding van de transistor, de programmeertaal C(++) en het besturingssysteem Unix, is al bijna tien jaar bezig met onderzoek naar holografische opslag. In 2000 leidde dat tot de oprichting van InPhase, dat de opdracht meekreeg om de techniek commercieel te exploiteren. Dankzij samenwerking met investeerder Hitachi Maxell heeft dat in 2004 geleid tot het eerste prototype; het Holographic Data System (HDS). In september 2005 lieten InPhase en Maxell weten in de tweede helft van 2006 de eerste producten op de markt te brengen. Ook het Japanse Optware demonstreerde in 2004 het eerste – overigens niet werkende – prototype, maar heeft de lancering van commerciële HVD-producten pas in 2007 op de planning staan.

Holografische techniek

Iets dat de vercommercialisering lange tijd heeft tegengehouden was het gebrek aan laserdiodes. De rode laser van de cd en dvd voldeed niet en tot voor kort was het produceren van groene en blauwe lasers vrijwel onbetaalbaar. Met de komst van blu-ray en hd-dvd is daar verandering in gekomen, omdat dezelfde lasers ook voor holografische dataopslag gebruikt kunnen worden. Ook de golflengte van de blauwe laser, 400 tot 410 nm, komt overeen. Om data driedimensionaal te kunnen wegschrijven wordt een even ingenieus als complex spiegelsysteem gebruikt. In het kort komt het er op neer dat de laserstraal gesplitst wordt door middel van een half doorlatende spiegel. De ene helft, de referentiestraal, wordt dan via een andere spiegel onder een schuine hoek richting de datalaag gestuurd, terwijl de signaalstraal, die de data bevat, via een zogenaamde Spatial Light Module (SLM) bij de beschrijfbare laag uitkomt. De SLM vertaalt de elektronische data van nullen en enen in een optisch schaakbordpatroon van donkere en lichte delen. Wanneer de lichte delen van deze datastraal de referentiestraal kruisen ontstaat een driedimensionaal holografisch beeld dat door een chemische reactie van het polymeer wordt opgeslagen. Door de golflengte van de laser, de hoek van de referentiestraal, of de positie van het medium te veranderen, kunnen meerdere hologrammen in hetzelfde deel worden opgeslagen. Een enkel schaakbordpatroon van nullen en enen, wordt ook wel een pagina genoemd. Iedere pagina kan ruim een miljoen bits bevatten, afhankelijk van de resolutie van de SLM. Doordat met een enkele lichtpuls miljoenen bits tegelijk kunnen worden weggeschreven is de methode vele malen sneller dan de bit-voor-bit techniek die vandaag de dag gebruikelijk is bij roterende media. Een holografische schijf biedt doorgaans een doorvoersnelheid van 160 Mbit/s, resulterend in 20 MB aan data per seconde. Dit is vele malen sneller dan blu-ray en hd-dvd die het met 36 Mbit/s moeten doen. De toegangstijd bedraagt ongeveer 250 ms, waardoor de data op de schijf ook snel benaderbaar is. Bovendien is dit nog maar het begin. Met de introductie van 800 GB en 1,6 TB schijven, is het volgens InPhase en Optware de bedoeling om op een doorvoersnelheid van 1 Gbit/s uit te komen. Door het schrijfproces te verkleinen kan een grotere opslagcapaciteit behaald worden. Dit is vergelijkbaar met de stap van cd naar dvd (beide op basis van een rode laser) dat resulteerde in 700 procent meer opslagcapaciteit. Het maximaal haalbare van holografische schijven op basis van een blauwe laser is vastgesteld op 3,9 terabyte. Een 1,6 TB versie wordt al in dit decennium verwacht.

Verschil van inzicht

Hoewel beide kampen in de basis dezelfde holografische techniek gebruiken, is de uitwerking anders. Zo bevat de schijf van de HVD Alliantie een ingebouwde reflectielaag, zoals dat ook bij bestaande optische media gebruikelijk is. De schijf van Hitachi Maxell en InPhase is transparant. Aan de onderkant van de schijf, tegenover de laserdiode, zit een detectorveld die de holografische data uitleest door middel van een cmos sensor – dezelfde sensor die ook in digitale camera’s gebruikt wordt. In het ontwerp van de HVD Alliantie zit deze cmos sensor juist aan de bovenkant van de schijf, waar de reflecterende straal via een spiegel naar de sensor wordt geprojecteerd. Het reguliere datasignaal wordt in dit model dan ook niet gesplitst, maar er wordt gebruikt gemaakt van een traditionele rode laser voor de juiste positionering. Deze techniek wordt ook wel co-lineaire holografie genoemd. De reden voor deze alternatieve constructie is dat de traditionele methode die InPhase gebruikt, op basis van twee assen, volgens Optware te complex en gevoelig voor fouten is. Door vibraties zou de minste of geringste afwijking van de referentiestraal al voor schrijf- en leesfouten kunnen zorgen. Volgens InPhase voldoet de methode echter prima, mede dankzij anti-vibratietechnieken en uitgebreide foutcorrectie, en is de media goedkoper te produceren dan de HVD-variant. Een pluspunt voor HVD is dat het geheel vanwege de co-lineaire constructie compacter is. Feit is ook dat de HVD-alliantie de steun heeft van de Europese standaardenorganisatie ECMA. Op productievlak hebben InPhase en Hitachi Maxell momenteel een lichte voorsprong. InPhase levert in kleine hoeveelheden al holografische producten onder de naam Tapestry, op basis van groene en blauwe lasers en acht de techniek eind 2006 al rijp voor productie op grotere schaal.

Tapestreamer de deur uit?

Over de potentie van holografische opslag zijn Optware, InPhase en andere partners het roerend eens. Holografische schijven lenen zich dankzij hun enorme capaciteit bij uitstek voor het archiveren van digitale data, maar het medium is ook uitermate geschikt voor videocontent en entertainment. Voor professionele video- en tv producenten, zou de holografische schijf ideaal zijn om archieven aan te leggen, maar er zijn ook serieuze plannen voor het aanbieden van content in de vorm van hdtv films en games. Hoewel de focus eerst op de enterprise-markt ligt, is het de verwachting dat de consument binnen enkele jaren ook de vruchten van de technologie zal plukken.

Een holografische schijf van 300 GB staat gelijk aan 430 cd’s, 64 dvd’s of 20 hd-dvd’s. Op een enkele schijf zou 88 uur film in dvd-kwaliteit passen, of 15 uur hdtv. Een holodisk zou daarmee op papier ook een uitstekend alternatief zijn voor tapestreamers. Volgens de marketeers van InPhase biedt een holografische schijf een zeven keer langere levensduur (van 50 jaar) dan tape, neemt de opslag 70 procent minder ruimte in beslag en kunnen de kosten uiteindelijk 90 procent lager uitvallen. Een belangrijke bottleneck voor backups is echter dat holodisks momenteel slechts eenmaal beschrijfbaar zijn – Write-Once-Read-Many (WORM). Aan een herschrijfbare variant wordt gewerkt, maar er zijn zover bekend nog geen prototypes van. Met een vermoedelijke introductieprijs van zo’n 100 dollar per schijf (300 GB) biedt een holodisk een beduidend betere prijs-prestatieverhouding ten opzichte van de komende hd-dvd en blu-ray generatie. De kostprijs van een holografische brander zal echter beduidend hoger uitvallen, richting enkele duizenden dollars per stuk. Daarbij is het apparaat momenteel nog gehuisvest in een pompeuze systeemkast en zal het nog even duren voor dit in een 5,25-inch slot zal passen.

n