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500 TERABYE AUF EINER GLASSCHEIBE IM CD-FORMAT

Forscher der Universität Southampton haben ein Laserschreibverfahren zur Herstellung von hochdichten Nanostrukturen in Quarzglas entwickelt. Die winzigen Strukturen dienen einer langfristigen 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 Datenträgergeneration vorgestellt: Einen per Femtosekunden-Laser beschreibbaren 5D-Datenspeicher in Quarzglas mit einer Speicherdichte von bis zu 500 TB pro Datenträger.

Der Ansatz kann mit einer Geschwindigkeit von 1.000.000 Voxeln pro Sekunde schreiben, was einer Datenaufzeichnung von etwa 230 KB pro Sekunde entspricht. Ein mit dieser Methode beschriebener Quarzglas-Datenträger in Größe einer optischen Blu-ray-Disc hätte ein Speichervolumen von 500 TB, das 10.000-fache einer BR Disc. Darüber hinaus versprechen die 5G-Quarzglas-Datenträger eine nahezu unendliche Lebensdauer von ca. 13,8 Mrd. Jahre. Das schlägt andere optische Datenträger um Längen – eine BR Disc erreicht nur 80-85 Jahre.

Schnelle und effiziente Laser-Schreibmethode

Die optische 5D-Datenspeicherung in transparenten Materialien ist nicht ganz neu: Das ORC-Team präsentierte bereits 2013 einen Prototypen des 5D-Quarzkristallglas-Speichers und beschrieb 2016 in einer Studie einen Datenträger mit einem Fassungsvermögen von bis zu 320 TB. Allerdings war es bislang eine Herausforderung, Daten schnell genug und mit einer für praktische Anwendungen ausreichenden Dichte zu schreiben. Um diese Hürde zu überwinden, wurde ein Femtosekunden-Laser mit hoher Wiederholrate eingesetzt, um winzige Vertiefungen zu erzeugen, die eine einzelne nanolamellenähnliche Struktur mit einer Größe von jeweils 500 x 50 nm enthalten.

Anstatt mit dem Femtosekunden-Laser direkt in das Glas zu schreiben, nutzten die Forscher das Licht, um ein optisches Phänomen zu erzeugen; die sog. „Nahfeldverstärkung“. Hierbei entsteht eine nanolamellenartige Struktur durch einige schwache Lichtpulse aus einem isotropen Nanovoid, das durch eine Mikroexplosion mit einem einzigen Puls erzeugt wird. Durch den Einsatz der Nahfeldverstärkung zur Herstellung der Nanostrukturen wurde die thermische Schädigung minimiert, die bei anderen Ansätzen mit Lasern mit hoher Wiederholrate problematisch war.

Ein 500 Terabyte in 60 Tagen

„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. „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 die Methode, um 5 GB Textdaten mit fast 100%iger Auslesegenauigkeit auf eine Quarzglasscheibe im Format einer Compact Disc zu schreiben. Jedes Voxel enthielt vier Bit an Informationen (jeweils zwei Voxel entsprachen einem Textzeichen). Mit der Schreibdichte, die das Verfahren bietet, könnte die Scheibe ein Datenvolumen von 500 TB speichern. Mit einem System-Upgrade, das ein paralleles Schreiben ermöglicht, wäre es möglich, diese Datenmenge in 60 Tagen zu schreiben.

Hinsichtlich Schreibgeschwindigkeit sind aktuelle, kommerzielle optische Laufwerke der neuen Technik derzeit noch weit überlegen: Die minimale Geschwindigkeit, mit der BD-Roms beschrieben werden können, liegt bei 4,5 MB pro Sekunde.

08.12.2021