全息光存储概况

      全息存储技术是在50年前由一位匈牙利物理学家发明的，直到今天它才真正变成了现实。2005年4月举行的拉斯维加斯美国传播媒体展（NAB）上，美国Inphase科技公司就展示了其Tapestry驱动器及全息存储碟片的原型（图1）。

图1 光盘尺寸5.25英寸，容量300GB，数据传输率20MB/s

      全球首款全息光存储驱动器Tapestry 300R将于2007年年中量产，这款产品的应用领域定位在娱乐、科学、政府和医学机构等需要进行长期、高容量数据归档的客户。该公司已经向MSM交付了首个商用全息存储驱动器，被用于DSM的光盘点播系统。

      全息光存储技术的两种方案

      目前在全息存储技术上出现了两种技术方案，一种方案由Inphase提供，采存储介质为两层光敏聚合物，介质厚度为1.5毫米，并被安置在了全息碟片的两层塑料外壳中间。

      InPhase还研究了一种先进的多点记录技术，通过重叠数据的“书” 而不是重叠数据的页来创造更大的数据密度。InPhase的多点记录技术消除了数据卷，因此增加了数据密度。读取光头采用波长407nm的蓝色激光。

      另一方案是日本企业Optware公司研发的同线全息技术（Collinear holography），其读写速度比传统DVD要高出40倍。Optware计划于2006年6月推出容量达200GB的企业级可移动磁盘，初期的目标用户是医疗保健机构。目前，Optware、FujiFilm和CMC Magnetics等厂商组建了一个全息多功能磁盘联盟，目的就是要实现该技术的标准化。

      全息摄影术

      所谓的全息存储技术，实质上还是一种光盘存储技术。“全息”这一概念产生于1947年，当时匈牙利物理学家、诺贝尔物理学奖获得者丹尼斯·嘉柏(Dennis Gabor)为提高电子显微镜的分辨率提出了全息摄影术（holography）。“全息”意思是摄影时除记录波长和强度以外，还记录物光的相位、物光的全部信息。所以，全息摄影能使物体产生极其逼真的立体感觉，立体电影就是在全息摄影技术的基础上发展而来的。

Dennis Gabor（1900～1979）

      全息摄影利用有四个镜头的特殊照相机，照相机的镜头能对准拍摄目标从不同角度进行拍摄，得到景物的立体照片。全息摄影术能获得景物的每个细节辐射或反射光波的全部信息，拍出的照片任何一个局部都可以复现原照片的所有信息。也就是说，即便把一张照片撕成碎片，只要有一个碎片，就可以复原原照片的整个图像。因此，在那个时代，全息摄影术被称为“我们这个时代最伟大的发明之一”。

      具有实用价值的全息摄影是在美国物理学家雷夫和于帕特倪克斯发明了激光后才得到实际应用。高速全息摄影最快的每秒钟能拍40000张照片，能记录气体爆炸、内燃机点火等高速动作。美国柯达公司和史宾物理公司合作研制出一种世界高速影像记录分析系统SP－－2000。它可以每秒拍成12000张照片，不但可拍摄到发射中的子弹的行进过程，甚至对蜂鸟的拍翼情景也能清晰记录下来。可以说，全息摄影是照相技术和激光技术结合的产物。

      全息光存储原理

      60年代初，随着激光器的出现，Van Heerden提出了全息数据存储的概念。在全息光存储中，数据信息是以全息图的形式被记录在存储材料中。与目前其它光存储方法所不同的是，由于全息存储材料上保存数据信息的全息图所记录的是物光和参考光的干涉图样，因此它不仅保存了物光的振幅信息，而且还保存了其完整的空间位相信息，这是由全息方法本身的物理特性所决定的。

      下面，我们先介绍一下全息图记录与再现的基本原理。如图2所示，来自物方携带有调制信号（欲实现存储的信息）的光称为物光，另一束光称为参考光。物光和参考光是由同一激光器输出的激光束经分光镜而得到的，因此满足形成干涉所需的相干条件。当物光和参考光相遇时就会产生干涉，从而在空间形成光的干涉图样。令物光和参考光在全息光存储材料中相遇并发生干涉，干涉图样会使存储材料的化学或物理特性发生改变，存储材料在折射率或者吸收率上的相应变化就作为干涉图样的复制品而存储下来。存储下来的干涉图样就是全息图，它保存了物光的全部信息（包括振幅和位相信息）。

图2 全息图的记录与再现

      普通全息存储中存储和再现的是事物本身的全息图像，这是一种模拟存储方式，并非数字式存储。而全息光盘存储则是数字存储方式：需要存储的数字信息经过编码后组成二维数据页，并被送到车间光调制器（Spatial Light Modulator，缩写为SLM）中。组成M维数据页的"0"和"1"分别对应SLM像素阵列上的亮点和暗点，从而在SLM的像素阵列上形成了一幅二维数据页的图像（图3（a））。从激光器发出的激光穿过SLM而被二维数据页的图像所调制，并在存储材料中和参考光相遇，实现对数字信息的存储。采用不同角度的参考光可以在同一存储材料的同一位置存储另外一幅完全不同的全息图，这就是全息光存储的一个重要技术特征——复用技术。

      在复用情况下，一个角度的参考光对于一幅全息图。当读出数据页时，用和存储该数据页所用参考光相间的光照射存储材料，光束与存储材料中的干涉图样（全息图）发生衍射，衍射光成像于光电探测器阵列上并被转变为电信号，通过电通道传输到后续处理环节。每一数据页都可以使用与记录时所用参考光相同的光准确地再现出来。

（a）SLM上的二维数据页 （b）数据信息的记录 （c）数据信息的读出
图3  全息数字式光存储中的二维数据页、数据信息的记录和读出

      要确保可靠地存储数据以及准确地读出数据，必须要有高质量的成像系统引导复杂的波前贯穿存储材料，以备读出时恢复并成像到CCD上。CCD上的数据页图像质量必须近乎理想，成像系统的任何光学像、色差或CCD的散焦都将使一个像素上的能量扩散到邻近的像素上。光学失真或放大倍率错误也将使像素成像偏离预定的接受无件，从而导致读出的数据发生错误。

      全息光存储系统的组成

      全息光存储系统的主要组成部分包括光源、空间光调制器（SL）、探测器阵列，以及变换透镜和相应的光学元件等。系统的性能与这些组成部分的性能密切相关。图5所示只是全息光存储系统的部分组件，另外还有复杂的光学系统，访问其它存储体的机械部件，控制系统的电子设备和实现编解码处理的存储通道等。

图4 全息光存储系统的组成

      1、激光光源；2、SLM；3、光学整形元件；4、存储材料；5、探测器阵列；6、光学变换透镜

      光源：用于全息光存储系统的光源必须具有高度的空间和时间相干性，以便在要求的空间形成干涉图样，并在曝光时间内保持干涉图样的稳定，因此一般都采用激光作为光源。早期一般都使用体积庞大的Ar+气体激光器，其波长为514.5nm，输出功率高达5W。随着存储材料所需记录功率的下降，以及全息技术商品化的需要，人们逐渐使用微型LD双频泵浦全固体ND：YAG绿光激光器，其波长为532nm，输出功率在100mw左右。据报道，在Optware和Inphase最新展示的系统中，则采用了新型的氮化镓（GaN）蓝光半导体激光器，其波长为405nm，输出功率可达30mw。

      空间光调制器（SLM）：用于全息光存储系统的空间光调制器必须是二维的，但并不一定需要是彩色的。此外，对空间光调制器还要求其具有高对比度和快速转换能力。一般对比度能达到5：1就可以接受，越高当然越好。而帧转换速度则要求能够达到1000帧/s，这样才能够达到100MB／s的数据传输率。

      探测器阵列：它是全息光存储系统的一个重要组成部件，用于接收读出的图像并牛成相应电信号进入取阈、纠错和解调电路。目前，所有全息光存储系统中采用的都是CCD光电转换元件。CCD有线阵和面阵两种结构，在全息光存储系统中一段使用面阵结构的CCD器件，其主要的性能指标有：电荷转移效率、工作频率、噪声、暗电流、光灵敏度、量子效率、分辨率和动态范围。此外，还需要考虑CCD器件和SLM之间的像素匹配程度，即如果SLM具有1024*1024个像素，像素尺寸是12.8μm，那么理想情况下希望 CCD器件也具有1024*1024个像素，且像素尺寸为12μm。

      控制电路：图4中没有表示出驱动光学部件的复杂电路，以及编解码、纠错等电通道处理环节，但是这些部分在整个全息光存储系统中起着不可替代的重要作用。在信源方面，需要存储的数字信息必须经过调制编码才能形成二维的数据页。而在系统的另一端，CCD器件探测到的图像信号只是伪数字信号，必须取阈值变为二值数据，再经过解调和纠错方能为人们所用。此外，在记录和读出时还要求计算、控制激光的功率、复用情况。曝光时间、对图像的处理以及纠正图像失真等。这些都需要由控制电路加以快速、准确地控制，从而实现对数字信息的存储和准确读出。

      全息存储中的复用技术

      存储中的复用技术是全息光存储所特有的技术特征，采用合理的复用技术可以有效地增加系统的存储容量，提高存储系统的性能。全息光存储中的复用技术主要包括空间复用、体积复用和混合复用三大类。

      空间复用技术是将记录介质的二维平面划分成不同的区域，在每一个区域中单独存储一幅全息图。空间复用技术是发展得最早的复用技术，主要适合于平面型记录材料，存储材料中的存储格式类似于硬盘和光盘。空间复用技术的优点是：由于相邻的全息图在空间并不重叠，因此再现出的页面之间可以完全避免串扰噪声，每个全息图的衍射效率也都可以达到单个全息图所能达到的最大衍射效率。此外，由于存储的所有全息图都可以采用相同的参考光角度，因此系统的光路设计和构架相对简单。单纯空间复用技术的主要缺点是不能充分利用存储材料的厚度来增加系统的存储容量，因此没有充分利用全息存储技术的潜力实现最大存储容量。

      为了弥补空间复用技术的缺陷，人们提出了体积复用技术。体积复用技术分为三种：角度复用、位相复用和波长复用。下面我们分别进行介绍。

      角度复用：这是一种使用最早，研究最为充分的复用技术，它利用了体积全息图的角度选择性，使不同的信息页面可以互不相干地叠加在同一个空间区域内。每幅全息图在记录和读出时所采用的物光和参考光的夹角都各不相同，但采用的激光波长是固定的。对角度的调整可以通过旋转反光镜或声光偏转器来实现。角度复用技术可以有效地增大存储容量，提高存储密度。但角度复用存储的全息图数目越多，平均衍射效率就越低，并且由于串抗干扰的叠加将导致读出数据的信噪比下降，这些因素也影响和限制了角度复用技术可以实现的存储容量。

      位相复用：为了克服角度复用技术串扰噪声较大的缺点，人们又提出了正交位相编码复用技术。在这种复用技术中，参考光的波长和光束角度都是固定的，而位相编码一般使用确定性位相编码中的正交位相编码。正交位相编码的概念是——每个全息图的参考光都是由一组平面波束的集合组成，对其中每个光束都进行纯位相调制，即相对位相延迟非0即π。每组这样的光束集合代表一个存储图像的地址，且和其它所有地址都正交。读出信息时，只有该地址参考光束对应的全息图的衍射效率最大，而对于其它全息图则是相消干涉，理论上其衍射效率均为零。因此，位相复用技术可以提高读出过程中全息图的衍射效率，增加读出数据的信噪比，并且可以使对存储数据的寻址通过改变光束的位相而不是改变光束的方向来实现，从而使寻址过程更快。

      波长复用：由于全息图的再现对读出光的波长也十分敏感，所以波长复用也是全息光存储的主要复用方式之一。波长复用也是基于全息光存储所具有的布喇格角选择性，只是此时每幅存储的全息图是与一个特定的光源波长相对应，记录和读出过程中参考光和物光之间的夹角保持不变。

      最后，谈谈混合复用技术。混合复用技术就是将上述几种复用方法结合使用，以便充分利用各种复用方法的优点，提高系统的存储容量。主要的几种混合复用技术包括稀疏波长—角度复用、空间—角度复用以及空间—位相复用等等，在此不再赘述。

      此外，随着技术的发展，人们又提出了一些新型的复用技术。例如，1999年V．Markov等人提出的静态散斑复用技术；2001年，清华大学提出了利用全息光存储系统中随机相位极自身位移产生的动态散斑实现的动态散斑复用技术等。相信随着科技的不断进步，会有更多优秀的复用技术得到开发和应用，从而可以更加充分地发掘全息光存储的存储潜力，实现大容量、高密度的数字存储。