光电工程  2019, Vol. 46 Issue (3): 180642      DOI: 10.12086/oee.2019.180642     
光全息数据存储——新发展时机已至
林枭1,2 , 郝建颖1 , 郑明杰1,3 , 戴天贵1,3 , 李晖1,2 , 任宇红1     
1. 福建师范大学光电与信息工程学院,福建 福州 350117;
2. 福建省光子技术重点实验室,福建 福州 350117;
3. 医学光电科学与技术教育部重点实验室,福建 福州 350117
摘要:本文对过去50年中光全息数据存储技术的发展进行了综述。随着关键器件和材料的不断发展,光全息数据存储技术也日臻成熟。当下正值大数据时代,对数据存储密度和数据存取速度的需求比以往任何时候都要大,光全息数据存储以其超大存储容量、超快读取速度、超长保存寿命等优势,成为下一代数据存储技术的有力候选者。其中同轴全息存储系统以其结构紧凑、操作简单、兼容性强等特点将成为全息存储技术进一步实用化的基石。同时新型的相位调制光全息数据存储系统正成为研究热点,新一轮的飞速发展时机已至。
关键词光全息    数据存储    大数据    相位调制    
Optical holographic data storage—The time for new development
Lin Xiao1,2, Hao Jianying1, Zheng Mingjie1,3, Dai Tiangui1,3, Li Hui1,2, Ren Yuhong1     
1. College of Photonic and Electronic Engineering, Fujian Normal University, Fuzhou, Fujian 350117, China;
2. Fujian Provincial Key Laboratory of Photonics Technology, Fuzhou, Fujian 350117, China;
3. Fujian Provincial Engineering Technology Research Center of Photoelectric Sensing Application, Fuzhou, Fujian 350117, China
Abstract: The development of optical holographic data storage technology in the past 50 years is reviewed in this paper. With the continuous development of key devices and materials, optical holographic data storage technology is becoming more and more mature. At present, in the era of Big Data, the demands for data storage density and data transfer rate are greater than ever before. Optical holographic data storage has become a potential candidate for the next generation of data storage technology because of its advantages of superhigh storage capacity, superfast data transfer rate, and superlong storage life. The coaxial holographic storage system will become the cornerstone of further practicality of holographic storage technology because of its compact structure, simple operation and strong compatibility. Meanwhile, new phase modulated holographic data storage system is becoming the research hotspot. The new round of rapid development has arrived.
Keywords: optical holography    data storage    big data    phase modulation    

1 应对爆炸式增长数据量的数据存储方案及其限制

随着信息科技的不断发展,信息早已被视为一种重要资源。对信息的保护、挖掘和数据存储等技术显得尤为重要。2012年被称为大数据元年,全球数据产生量呈爆炸式增长,大数据时代的来临使数据存储面临的压力骤增。国际数据公司(International Data Corporation,IDC)的研究结果显示,在2010年全球产生的数据总量为1.2 ZB(1 ZB=103 EB=106 PB=109 TB),2013年数据量为4 ZB,2018年数据量为33 ZB。IDC公司最新预测,到2025年,全球数据总量将突破175 ZB。

如今的数据存储技术仍然以磁存储为主,典型的磁存储技术为硬盘存储和磁带存储。磁存储虽然发展成熟,但是其数据存储能力每年只提高20%左右,远远跟不上数据增长的速度。在存储方式上,磁存储仍脱离不了二维面存储的限制,如果想要进一步提高磁存储密度,就必然要不断减小记录磁性颗粒的尺寸。然而当磁性颗足够小时,就会受到超顺磁效应的影响,使得记录颗粒即使在常温状态下,也很难保持磁性的稳定。传统磁存储密度已经接近理论极限。在实际应用中,为了保证数据的冗余性,一般需要三个硬盘同时备份一份数据,而且每一个硬盘中的数据每4、5年就需要转移到新的硬盘中,否则信息将很可能会永久丢失。专业保存的磁带存储也需要每10年左右转移一次来避免数据的丢失。因此像Google等拥有大型数据中心的公司,其需要的服务器规模是相当庞大的,每年花费在数据转存方面的成本巨大,约占数据存储总成本的1/3。不仅如此,磁存储在数据的写入和读取过程中,驱动会散发大量的热,对服务器散热所耗费的电量也是惊人的,电力花费也占总成本的1/3左右。因而磁存储技术的数据保存成本与数据增长量是同步的,都是呈爆炸式增长,磁存储技术面临的压力越来越大。

光存储也是一种重要的数据存储技术,目前最为常见的光存储技术就是光盘,如果用波长为λ的光作为数据存储的光源,则其理论存储面密度约为1/λ2。从最早的CD,到VCD、DVD再到现在的蓝光BD光盘,光盘存储的密度也在不断增大。然而目前的光盘存储仍是按位存储的二维面存储(尽管有的光盘可以实现多层存储,但层数有限),每一个记录位都只表示0或1的状态,其存储密度受记录位的尺寸的限制,记录位的尺寸越小则数据存储密度越大。每一个记录位都是由激光光能汇聚刻蚀而成,想要得到更小的记录位尺寸就必须增大记录物镜的数值孔径以及尽可能用更短波长的激光器作为记录光源。目前最先进的蓝光光盘,数据记录物镜的数值孔径已经达到了0.85左右,激光器波长也已缩短至405 nm。现在一张单面单层记录的蓝光光盘可以拥有25 GB的存储容量,而双面四层的蓝光光盘即可达到200 GB的存储容量。因此著名数据公司Facebook于2014开始就着手建造总容量可以存储1000 PB的蓝光光盘数据库,其数据存取能耗比磁存储的硬盘要低80%,且蓝光光盘的保存时间可达30年~50年,数据转存的成本被大大降低。Facebook的这套存储系统采用十分经济高效的冗余备份方式,可以以低于2的系数实现数据的备份冗余,保证了数据安全,而且不会因为随着规模扩大而导致性能下降。

尽管光盘存储的发展迅速,但目前仍是二维面按位存储,如果想进一步提高存储密度,就需要进一步提高记录物镜的数值孔径和进一步缩短记录光波长。但物镜的数值孔径在空气中理论值是小于等于1的,如果需要产生大于1的数值孔径,只能采用浸液的手段,其应用环境是受限的,实现成本会非常高,并且随着数值孔径的增大,光盘表面的保护层需要越来越薄,最终会失去保护作用。而记录光波长目前已经接近不可见光的范围,采用紫光或极紫外光激光器的成本也是非常高的。因此传统的光盘存储很难再次大幅提高存储密度,按照现在一张蓝光光盘200 GB的数据存储容量来计算,到2020年时,存储全球数据需要的光盘将超过5000亿张,其厚度加起来超过地球到月球的距离,叠起来存放可以绕地球13周。因此传统光盘存储也已经无法满足大数据存储增长的需要。新技术的发现和发展迫在眉睫。

2 光全息数据存储技术——历久弥新的数据存储方案

光全息数据存储是利用全息原理进行数据存储和再现的光学存储技术。光全息存储最大的特点是突破了传统光盘存储的二维面存储模式,采用三维体存储模式,其理论存储密度为1/λ3。由于存储密度提升了一个维度,因此可以将现有的光存储密度提升几个数量级。

光全息数据存储技术主要利用全息拍摄原理,将物的振幅和相位信息以全息图的形式记录在全息材料中。如图 1所示,在记录过程中,光经过空间光调制器(一种二维光学元件,可以显示想要上载的二维图案),携带上二维图案的信息称之为物光。物光与另一束已知光场的光(参考光)在全息材料中进行干涉,形成复杂的光场分布,全息材料对不同强度的光场进行相应的响应,产生材料的变化并最终形成某种稳定结构,称之为全息图。这样就将物光信息记录在了全息材料中。在读取过程中,只需要利用同一束参考光以与记录时同状态的方式照射材料中的全息图,就会通过全息图的结构对参考光的耦合作用,将光能耦合到物光光场中,发生光的衍射。衍射出的光又称为重建光,重建光实际上与原始物光场的分布是一致的,因此就读出了物光信息。

图 1 全息存储技术原理图 Fig. 1 Schematic diagram of holographic data storage technology

光全息存储可以摆脱按位存储的一维数据存储限制,每一个记录位置代表的都是一幅二维编码图案,如图 2所示。并且由于全息存储具有可复用记录的特点,因此记录位与记录位区域可以互相叠加,全息存储的记录密度可达TB/in2(1 in=2.54 cm)量级。同时因读取的每个记录位置都是二维编码图案,数据读取转换速率也可达到10 GB/s量级。现在全息存储的材料性能也大幅提高,从早期的光折变晶体到现在的光致聚合物,材料的制备更容易,成本更低,保存数据寿命可达50年之久。因此,全息存储被认为是最有潜力的光存储技术,也是适应大数据时代的关键存储技术。

图 2 传统存储(a)与光全息存储(b)的比较 Fig. 2 The comparison between conventional storage (a) and optical holographic data storage (b)
3 光全息存储的发展 3.1 理论发展最初阶段

早在1948年,Gabor就提出了全息术的概念,当时只是涉及到了波前重建的方法,并没有将全息与数据存储联系起来,而是将全息技术用于X光成像的放大[1-2]。最初的主要问题是没有良好的相干光源,因此同轴的波前重建系统都会出现共轭像,尽管Gabor[3]和其他一些科学家如Kirkpatrick和ElSum[4-5]、Baez[6]和Rogers[7]等都在参与解决这一问题,但始终没有得到很好的结果。随着20世纪60年代初激光器的问世,一个良好的相干光源被找到,全息术开始进入高速发展阶段,这时已经可以实现清晰的图像记录和重建,而且由于光源相干性很好,Leith等人提出参考光离轴的全息记录系统[8-9],这样就避免了Gabor全息图中重建出的共轭像混叠在一处的情况。在1963年,Van Heerden正式提出了全息数据存储这一概念[10]。他将全息数据存储归于三维固态光信息存储,并估算出其存储密度极限为V/λ3(V是记录材料的体积,λ是记录光波长)。随后,van Heerden还讨论了在全息数据存储中利用参考光角度进行复用和利用波长进行复用的可能性。Leith等人也在全息数据存储的发展早期,提出并验证了记录盘体旋转复用的技术[11]。此时的全息技术已经颇具雏形,但是缺少有效的记录材料,关于全息数据存储大多停留在方法的讨论上。1966年,贝尔实验室的Ashkin等人在用铌酸锂晶体进行倍频实验时,意外地发现了光折变效应[12]。从而,铌酸锂晶体作为一种光折变晶体被广泛研究并运用到全息数据存储中[13-16],使得三维体全息数据存储再度成为了研究热点。由于材料的发展,一系列关于全息数据存储的验证实验被发表,更多的复用技术得到了研究。

3.2 各种验证系统纷至沓来

1973年,美国RCA公司的研究人员设计并验证了一款可以读写106 bit数据的全息存储器[17]。1973年,日本NEC公司提出一个只读全息编码盘的全息数据存储系统,但是是在二维进行存储,在128 mm×128 mm表面,以1 line/mm的分辨率达到2.5×105 bits的存储容量[18]。1973年,Huignard等人首次证明了角度复用的规律,提出在一个位置记录100幅全息图可以达到1011 bits的总存储容量[20],并在随后实验演示了角度复用方案,在掺铁铌酸锂晶体中角度复用了10幅全息图[21]。1975年,RCA公司的Amodei和Sraebler等人首次实现了在1 cm3的掺铁铌酸锂晶体中记录500幅全息图[22]。1976年Mikaeliane描述了一个基于掺铁铌酸锂晶体的可重复写入的全息存储系统[23]。1976年,日本日立公司报道了一个全息存储的视频光盘,在300 mm直径的光盘中存储了一段30 min的彩色视频,每个全息图的直径为1 mm,共在光盘上记录54000幅全息图[24]。1980年,NEC公司的Kubota等人描述了一种一维傅里叶变换全息图的全息光盘,用于记录音频信息,可以实现256 Mbit/s的数据转换速率[25]

尽管在70年代全息存储理论获得了飞速发展,但是仍然受限于当时的记录材料、调制器和探测器等参数落后的影响,早期的工作并不能获得令人满意的存储密度。

3.3 光全息存储飞速发展的十年

直到90年代初,随着记录材料、空间光调制器、CCD探测器等关键材料和器件的发展,使全息数据存储系统的存储密度可以大幅提高,由此光全息数据存储进入了飞速发展的时期,在整机系统、材料研究和复用理论方面有了全面的提高。

3.3.1 系统发展

1991年,Mok等人在1 cm3的掺铁铌酸锂晶体中存储了500幅军用车辆外形的全息图[26]。而且仅过两年,Mok等人就实现了在1 cm3掺铁铌酸锂晶体中存储5000幅图像的实验,存储容量提升了10倍[27]。1994年,斯坦福大学的Hesselink等人展示了一个图像和视频转换为多幅数据页的全数字全息存储系统,误码率可以达到10-6[28]。1994年,由IBM公司、斯坦福大学等七家公司和大学研究小组在美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)的部分赞助下,组成联合机构,主要研究光折变信息存储材料(optical refraction information storage material, PRISM),将材料用于全息存储当中,以期待在5年之内开发出具有1013 bit存储容量和1 Gb/s数据转换速率的全息数据存储系统。材料的测试系统由IBM公司提供,该系统不仅能存储和重建大数据页的全息图,而且能对重建结果进行误码率分析[29]。世界上第一个完整的全息数据存储系统由斯坦福大学、Siros、IBM[30]和Rockwell、Thousand Oaks[31]等公司联合建立。同时加州理工大学和Lucent公司的研究人员也完成了类似的系统演示[32]

1997年,CIT的Pu和Psaltis使用球面参考光通过移位复用在1 mm厚的掺铁铌酸锂晶体上获得面密度为100 bits/μm2的体全息存储[33]。1998年Bell实验室的Curtis等人利用相关复用技术在掺铁铌酸锂中的存储面密度超过了350 bits/μm2[34]

3.3.2 材料发展

在记录材料方面,除了早在70年代就开始研究的光折变材料外[21, 23, 35],1994年,美国的DuPont公司开发出一种自由基聚合型光致聚合物(Photopolymer)[36]。Curtis等人对这种光致聚合物材料产品的全息存储特性进行了深入研究,应用环周复用和角度复用技术进行了全息存储实验。随后,Pu等人将这种材料制成全息光盘,在每个平面单元区域内复用存储了32幅全息图,获得了109 bit/cm2的存储面密度[37]。光敏聚合物的敏感度比光折变晶体要高一到两个数量级,但材料的收缩问题也比较严重,因此要在材料动态响应范围和材料收缩之间寻找一个平衡点。Bieringer[38]对此做了较为详细的解释。Polaroid公司和贝尔实验室的研究人员在材料研究问题上采取了不同的方案,Polaroid公司采用基于阳离子开环材料做了实验验证[39-40],贝尔实验室和Lucent公司则基于自由辐射介质做了实验验证[34]。后来,斯坦福大学和Aprilis公司(继Polaroid后继续开发)用阳离子开环材料实现了DVD大小盘体上记录250 GB容量的信息,并且数据传输速率达到10 Gb/s。2003年,Waldman等人用400 μm厚的Aprilis公司制造的光致聚合物材料HMD-050-G-C-400实现了大于100 bits/μm2的全息存储面密度[41]

在2002年,Suzuki等人首次将TiO2纳米颗粒掺杂入甲基丙烯酸酯光致聚合物薄膜中,研究发现全息曝光过程中材料的体积皱缩现象得到了抑制[42]。这之后,纳米颗粒掺杂对材料进行改性的方法一直得到众多研究者们的关注重点,在2008年,Goldenberg等人研究了金属纳米颗粒的掺杂,将经过修饰的金纳米颗粒与羧基官能团丙烯酸酯单体混合,证明了纳米颗粒能够影响材料结构,抑制收缩,使材料更稳定[43]。2010年Omura和Tomita在404 nm激光下研究了ZrO2纳米颗粒聚合物复合薄膜的性质,提出由于凝胶点的增加,材料的皱缩得到抑制[44]。2011年,Hata等将硫代烯单体引入二氧化硅纳米颗粒聚合物复合材料中,考察了其光聚合动力学和体积全息记录特性,发现材料皱缩与热稳定性得到了极大改善[45]。2014年,李承明月等人的研究组提出了一种全息动力学模型来定量地表示体金纳米粒子(NPs)掺杂光聚合物中混合体光栅的动力学,描述了金纳米颗粒在聚合和多组分扩散过程中的行为,之后在制备的金纳米颗粒掺杂的PQ/PMMA(polymethyl methacrylate)光致聚合物中实现了混合圆偏振-角度的体全息多路复用记录[46-47]。2016年,Tomita等人引入具有超高折射率的超支化聚合物作为有机纳米颗粒,制备了纳米颗粒—聚合物复合体全息光栅,实现了折射率调制度的大幅提升,在532 nm波长下衍射效率接近100%[48]。在2018年,Liu等人的研究组将银纳米柱分散在光致聚合混合物中制备了新型材料,并在超快纳秒激光器曝光下,展示了此纳米柱掺杂聚合物复合材料的光栅形成,这项工作通过掺杂银纳米粒子分析了互易失败的原因和聚合物全息特性的改善,优化的聚合物的衍射效率高达51.4%[49]

除了在光致聚合物中掺入纳米颗粒外,还对光致聚合物体系进行了许多优化尝试。2012年,Ortuño等人针对于大部分光致聚合物组分具有毒性和它们的低环境相容性,开发了一种称为生物光电子的新的干光致聚合物,其具有低毒性和高厚度,非常适合全息数据存储应用[50]。随后,在2013年,Ortuño等人还提出一种新的链转移剂4, 4' 偶氮-双-(4-氰基戊酸)(ACPA),聚乙烯醇/丙烯酰胺光致聚合物(PVA/AA)的性能能够通过引发剂ACPA得到改善[51]。2016年,Cody等人研究了一种低毒、水溶性全息光聚合物的新型组合物,得到了记录衍射效率高达50%的明亮反射光栅[52]。其后,范凤兰等人的研究组提出用化学方法修饰材料组份,制备了PQ负载双单体的光致聚合物材料,提升了光引发剂在光致聚合物中的溶解度,进而实现材料光学特性的提升[53]。在2018年,Liu等人提出了一种新型光敏剂掺杂的光致聚合物,并研究和描述了一种优化的三步热聚合的制备方法,详细研究了具有不同浓度的热引发剂和光引发剂的光致聚合物的特性[54]

通过纳米颗粒掺杂和优化聚合手段,目前的记录材料已经可以较好地适应光全息数据存储的需求,下一步需要在兼顾材料稳定性和高响应速率的情况下稳步提高衍射效率,进一步提高数据存储密度。

3.3.3 复用理论发展

体全息存储的最大优势在于可以运用各种复用技术来提高存储密度。在20世纪90年,代体全息存储的复用技术方面也得到了很好的发展[28, 55-56]

角度复用是离轴全息数据存储系统运用较多的一种,利用了同一波长的平面波作为参考光,以不同角度入射在同一区域形成多幅全息图。以1 cm厚的铌酸锂晶体作为记录材料来说,500 nm波长的激光作为记录和读取光,那么角度选择性大约是50 μrad,因此在参考光角度复用30°范围内可以记录10000幅全息图。

波长复用是利用不同波长的平面波作为参考光以同一角度入射形成多幅全息图的复用技术[57]。波长复用通常比较适合于无机光折变晶体材料,而有机光致聚合物材料对不同波长的敏感程度不同,而且响应不是简单的线性关系。

相位编码复用是利用对复用全息图的参考光进行相位编码,使之最大限度地不互相发生串扰,尤其是参考光正交相位复用能有效地抑制页间串扰。而且相位调制的引入对提高信噪比也有增益[58-59]

位移复用是将不同全息图在空间上部分分开进行复用,即在某处记录一幅全息图后,移动一定距离再记录下一幅全息图。利用了Bragg失配后衍射效率急剧下降这一条件,使各个全息图读取时不互相影响。位移复用技术多用于有机光致聚合物材料,与光盘式全息数据存储系统可以很好的配合,是兼容性很高的一种复用方式。位移距离越小复用数越高[60-62]。以上是主要的几种光全息存储地复用方式,还有的系统运用了随机相位复用以及一些混合方式的复用等[63-65]

3.4 光全息数据存储产品化的尝试

光全息数据存储技术于2000年后尝试走出实验室,走向市场。2000年,斯坦福大学研制出HDSS (holographic data storage system)盘式存储系统[60]。其存储面密度为70 bits/μm2,通过不断改进数据传输速率达到10 Gb/s[66]。美国Aprilis公司在此基础上深入研究材料,在2002年研制出存储容量达200 GB的光致聚合物光盘,于2003年推出了VulcanTMDHD驱动器样机,但传输速率仅为75 Mb/s[41]。2005年日本Optware公司提出了同轴全息数据存储的方案[67-70]。利用对记录材料敏感的绿光作为记录读取光,而对材料不敏感的红光作为寻址光[71],改进了读写的光路使之更加简便,并引入伺服系统,使整个全息数据存储系统与人们接受的光驱CD系统更加兼容。该系统在CD尺寸相仿的聚合物光盘上存储了100 GB容量的数据。2006年,从贝尔实验室脱离出来的美国InPhase公司推出了首个商品化全息数据存储系统TapestryTMHDS-300R[72-73]。与之相配的是三种不同容量和不同数据传输速率的光致聚合物光盘HVD (holographic versatile disc)[74-75],参数分别为:存储容量300 GB、传输速率20 MB/s; 容量800 GB、传输速率80 MB/s; 容量1.6 TB、传输速率120 MB/s。在存储方式上采用离轴的独创性的“Polytopic”方式[76]。自此形成了以Optware公司为代表的同轴全息数据存储系统和以InPhase公司为代表的离轴全息数据存储系统并行的市场化探索格局。

3.5 国内对光全息存储的研究进展

国内对于光全息存储的研究也有一些基础,尤其在90年代光全息飞速发展的十年间,国内学者也紧跟步伐,成果斐然。陶世荃等人从记录材料铌酸锂晶体的研究入手,对光折变晶体的盘式全息存储做了很多工作,并提出了能较好地记录和重建信息的可行性方案[77-80]。郭亚军等人对不同掺杂比例的铌酸锂晶体的记录特性进行了比较研究,优化了光折变晶体记录材料[81]。刘友文和周常河等人对双掺杂和三掺杂的铌酸锂晶体进行研究[82]。干福熹团队则对光致聚合物材料进行了大量研究[83-86],该材料相对于光折变晶体更易制备、成本更低且光敏感度更高。金国藩等人对全息存储的系统问题进行了很多研究,如空间光调制器(spatial light modulator,SLM)与CCD之间的像素配准问题[87]、系统小型化问题[88]、SLM和CCD器件性能对页内噪声的影响问题[89]、在离轴全息存储系统的参考光处加入位移散斑器实现动态散斑复用,可以抑制多纵模激光带来的串扰噪声[90]等,主要侧重离轴全息系统的研究。李建华等人提出正交参考光位移复用法,减小了页间串扰[91]。顾华荣等人对记录光阑的几何形状进行优化,获得了更低的误码率[92]。魏浩云等人提出基于偏振全息图特性的双通道全息存储方案,数据传输速度提高了2倍[93]。孙庆成等人则侧重同轴全息系统的研究,提出随机相位复用和透镜阵列调制的方案[94-95],同时总结出同轴全息存储的点扩散函数[96]

但是国内在光全息存储方向的研究随着InPhase公司和Optware公司相继倒闭后遭遇了低潮,也说明当时的技术还不够成熟,尤其在材料方面仍无法令人满意。光折变晶体有着边记录边擦写的特点,不能长期记录与保存,而有机光致聚合物的皱缩问题和效率问题有待解决。另一方面在存储方式上仍是以振幅为主,没有发挥全息存储全部的优势。还有一方面很重要,那就是当时的数据存储需求并不很大,硬盘等成熟技术可以覆盖当时的存储需求。

2012年后,大数据时代来临,数据存储的市场急剧增大。有机光致聚合物材料的制备经过近些年的发展也有了长足进步。谭小地团队提出相位型全息数据存储方式,并进行了大量相关研究[97-100]。相位型全息数据存储因其具有更高的存储容量、更高的信噪比,正在成为研究热点。

4 两种典型光全息数据存储方案

光全息数据存储发展至今,大致形成了以InPhase公司为代表的离轴全息数据存储系统和Optware公司为代表的同轴全息数据存储系统并行发展的格局。实际上是根据参考光和物光光路是否共轴来进行分类。

4.1 离轴全息数据存储系统

离轴式系统通常采用角度复用的方式,通过控制参考光的入射角度,在记录材料的同一位置记录多幅物光信息,以此提高存储密度。典型的离轴全息存储系统可以参考InPhase公司的系统,如图 3所示。

图 3 振幅式离轴全息存储系统示意图 Fig. 3 Illustration of amplitude-modulated off-axis holographic data storage system

图 3中PBS(polarizing beam splitter mirror)表示偏振分束镜,SLM表示空间光调制器。经过SLM的一束光为信息光,另一束从分光镜分出的光为参考光,该两束光在光盘材料上某一区域进行干涉。参考光路中的振镜可以控制参考光的角度,来实施角度复用。当读取时,利用参考光的共轭光(图中浅绿色光路)对全息图进行读取,产生重建光,由于重建光再次经过四分之一波片,等效为信息光经过了一个半波片,因此s偏振光变为p偏振光,透过偏振分束器到达相机中。虽然在SLM前使用了相位板,但其目的是利用相位调制使得材料中的能量分布更均匀,获得高信噪比的全息图,相位在读取后的重建光中仍被忽略,因此本质仍然是振幅式系统。

离轴系统的特点在于参考光与信息光不在同一光轴上,且二者的夹角比较大,因此角度复用带来的失配量就会导致衍射效率急剧降低,其角度选择性非常敏感。但是光学系统较为复杂,不但在记录时要准确控制每一次的复用角度偏移,也要在读取过程中准确地对记录位置进行寻址,这对于器件的控制精度要求很高。而且为了保证这样的控制精度,在每一次复用时,都需要通过机械控制停留一段时间,因此记录时间会相应增加。

4.2 同轴全息数据存储系统

同轴式系统的实用化方案由Optware公司提出的,利用同一个SLM来同时显示参考光和信息光,如图 4所示。参考光在外圈,而信息光在中心,二者是空间分开的。然后用一个透镜将参考光和信息光同时汇聚到记录材料中,此时信息光的傅里叶变换和参考光的傅里叶变换形成了全息图被记录在材料中。在读取过程中,只需要在SLM上加载外圈参考光的图案,照射在全息图后,会在中心区域衍射出信息光,而参考光造成的零级衍射仍然会沿着外圈光路返回,这时只要用光阑将中心衍射的信息光过滤出来即可。

图 4 同轴全息存储方案记录和读取过程的示意图 Fig. 4 Illustration of writing process and reading process in collinear holographic data storage

这套同轴全息存储方案很巧妙地避免了同轴全息容易出现的零级和1级混叠的问题。但实际上,在透镜后面,参考光与信息光仍然是需要有一定夹角,这个角度越大,1级与零级越不容易混叠,且1级衍射重建光中的信噪比越高,因此往往透镜需要用一个大数值孔径的物镜,其数值孔径通常为0.65左右。

整体的同轴全息存储系统如图 5所示。图中绿光为记录和读取光路,而红光为伺服系统光路。系统利用了记录材料对红光不敏感的特性,用红色激光作为伺服系统光源使用,其具体作用为定位全息图的记录位置并实时监测记录材料的动态,如果材料发生离焦、倾斜、平移等现象,则可根据光电探测器通过捕捉红光反射光来确定这些非理想的状态,并通过反馈控制物镜处的光学头的上下左右变换来进行补偿,保证了数据存储和数据读取的精确性。事实上,伺服技术已经广泛用于现在的光盘存储中。由于同轴式全息存储的复用方式是位移复用,与现在普通光盘的位移方式是一致的,因此其兼容性更强,能直接和伺服技术等成熟技术相结合。相比之下,离轴式的全息存储系统则无法方便地使用伺服系统。

图 5 振幅式同轴全息存储系统示意图 Fig. 5 Illustration of amplitude-modulated collinear holographic data storage system
4.3 离轴与同轴全息数据存储系统的比较

离轴全息存储系统与同轴全息存储系统的比较示意图如图 6所示。从系统光路的复杂程度上来看,同轴式系统更为简单且紧凑,离轴参考光路相对比较复杂。从复用方式上看,离轴式系统通常采用角度复用,该方式会造成记录材料的部分浪费,而且每次角度控制后都需要静止一段时间,因此属于静态读写。而同轴式系统通常采用位移复用,造成更少的记录材料浪费,而且记录过程中材料一直在运动,属于动态读写。由于同轴式系统能与伺服系统结合,使同轴式全息存储系统的兼容性和振动抗性也更强。因此作者认为同轴全息存储系统以其结构紧凑、操作简单、兼容性强等特点将成为全息存储技术进一步实用化和产品化的最佳方案。

图 6 离轴全息存储(a)与同轴全息存储(b)系统的比较示意图 Fig. 6 The comparison between off-axis holographic data storage system (a) and collinear holographic data storage system (b)
5 相位型光全息数据存储系统

传统的光全息数据存储技术是针对于振幅进行调制的,因为探测器可以直接探测到振幅的分布。但传统的振幅调制系统有着两大缺点。首先,振幅编码的编码率相对较低,从目前采用的方法来看,振幅编码的编码率最大是1,但是由于过多的像素使用将带来更大的误码率和材料消耗,因此一些经典的振幅编码,如3:16编码(即16个编码像素作为一个单元,一个单元内只有3个像素是亮的,其余像素是暗的)通过3个亮像素的不同位置组合可以在一个单元内存储8 bit信息,其编码率为0.5[101]。其次,记录材料往往是放在记录物镜的后焦面附近,以提高记录密度,但是振幅编码在经过物镜聚焦后,其中心强度在后焦面上过于集中,会导致超出材料的动态响应范围而产生强度响应饱和现象,不仅使信噪比变低,而且消耗材料也更多,无法在同一位置附近复用更多的全息图。为了解决振幅调制出现的能量过于集中的问题,一种方法是将记录材料离焦的方法[102-103],但该方法会导致记录密度降低。另一种方法是将相位调制加入到振幅调制中,通常是在振幅调制后加入一个随机相位板,可以使材料中的能量从中心集中状态变为均匀分布状态,大大提高了信噪比,即提高了存储密度[104-106]。但是这仍然无法解决振幅编码率低的问题,而且虽然在全息存储系统中用到了相位调制,但是相位信息具体是什么并没有去探测。这样也就忽略了相位一维信息,探测器探测的仍然只是振幅信息。

既然相位信息已经可以被记录,但是没有被读出,那么是否可以通过读出相位信息来提高记录密度呢?由此相位型光全息数据存储方案被提出,如图 7所示。相位作为信息编码比振幅编码具有更大的优势。因为相位编码本身就是相位调制,不需要再加入随机相位板,这样系统更简单,也具有很高的信噪比。相位编码的编码率比振幅编码的编码率大幅提高,其编码率可以很容易突破1的限制。从实现方式上看,利用相位进行编码也比以前更加容易。在硬件方面,自2000年以来,纯相位的空间光调制器件发展很快,液晶型的空间光调制器刷新速度不断加快,像素尺寸不断减小,而且相位调制深度不断加大。这就为相位编码提供了很好的支撑。与传统的振幅编码相比,一个4阶相位编码的编码率可以达到振幅编码的4倍,8阶相位编码的编码率可以达到振幅编码的6倍。这都说明了,相位编码可以进一步提高全息存储的存储密度和数据转换速率。

图 7 相位型全息数据存储方案 Fig. 7 Phase-modulated holographic data storage method

然而,相位编码也存在着一些劣势。最大的问题就是目前相位无法被探测器直接探测到。对于相位型光全息数据存储系统,通常需要对读出光再次进行干涉,才能将相位信息转换成强度信息,用探测器捕获。再由相位与强度之间的余弦关系,推知相位信息。而干涉过程本身就是一个很敏感的过程,波长量级导致的相位差的改变都可能使强度发生变化。因此干涉系统的稳定性较差,系统容忍度较差。还有一点不足是,相位是以2π为周期周期性变化的,而相位与强度的关系又是余弦关系,因此在干涉光相位差不稳定时,经常会出现两个不同相位对应同一个强度值的现象,此时就无法正确读出相位。为了弥补这个缺点,通常人们运用相移干涉法进行相位读取,即用几个不同相位的参考光与读出光进行干涉,这样就得到了多个方程,通过解方程组将正确的相位解出。在要求相位精度比较高的情况下,一般至少需要三次相移干涉才可以满足要求[107-109]。这显然大大增大了数据读取的成本,降低了数据转换速率。

为弥补相位读取过程中的不足,Horimai等人提出了同轴相位锁定方法,实现了仅一次干涉就可将相位解出[110]。该方法是将另一束平面波也记录在材料中,然后也以重建光的形式出现,这一束光我们叫做相位读取光。在读取时,利用记录参考光将相位读取光和信息光同时再现出来,这时两束光就自发地进行干涉,干涉结果可以直接被CCD捕获。由于相位读取光和信息重建光都通过完全相同的光路,光程相等,因此在理想情况下,可以认为它们的相位差为0,而且干涉结果更为稳定。虽然这种方法在实验中被验证可行,但是仍然有一些缺点。首先,相位读取光本身是不带有信息的,因此每读取一幅信息光,都需要额外消耗一幅全息图的材料,存储密度会降低一半。其次,将参考光分区分别与相位读取光和信息光对应,而且是以在同一位置复用的形式进行记录,会导致重建信息光的衍射效率降低以及信噪比降低。

谭小地等人提出的利用相位编码对方法进行单次干涉相位读取[111]。其实是将相移干涉所需的相位差编码到一张数据页上,因此只需要一次干涉,却可以产生两种不同的结果,体现在一对像素的不同强度上。通过设置一些标准对,计算标准对与待测对之间的方差,来比较得到待测对的相位值。这种方法一定程度解决了相位读取复杂的问题。但仍无法避免干涉条纹抗干扰能力差、编码率降低一半等问题。

综上,既要发挥相位型光全息数据存储高编码率、高信噪比优势,又要兼顾相位读取的精度和速度,那么是否可以借鉴非干涉相位重建的方法将相位读出呢?

非干涉相位重建算法有很多,例如基于GS算法的迭代傅里叶变换算法[112-114]、PIE算法[115-116]、TIE算法等[117-119]。从系统简单和操作简单的角度来看,迭代傅里叶变换算法更加适合全息数据存储,因为它只需要得到读出光的傅里叶变换的强度分布,就可以利用算法恢复读出光的相位[97, 120]。最简单的系统是在读出光后加一个透镜即可,这样的非干涉系统既简单又稳定。传统该方法的最大问题在于需要计算的循环次数过多,这样会导致数据转换速率降低。但在全息存储中,可以通过在编码数据页中加入一些已知的嵌入数据来增强相位重建的约束条件,极大地缩短循环次数,快速完成相位重建。这样可以理解成数据流的一个总体延时,并不会影响数据转换速率。非干涉相位重建系统示意图如图 8所示。

图 8 非干涉迭代傅里叶变换法相位重建系统示意图 Fig. 8 Illustration of non-interferometric iterative Fourier transform algorithm phase retrieval system
6 对未来的展望

光全息数据存储技术发展了50多年,理论已较为完备,随着关键器件和材料的不断发展,实践也日渐成熟。现在正处于数据爆炸式增长的大数据时代,海量的数据存储需求以及5G高速数据通讯的需求都给光全息数据存储技术带来了新的发展契机,可以说该技术早已汲取足够养分,马上就要破土而出了。不久的将来,同轴光全息数据存储技术将会迎来更大的舞台,而相位型全息存储理论与同轴系统的结合也必将产生更为广阔的发展空间。

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