体全息存储技术

第27卷第3期2001年5月 光学技术O PT IC AL T ECHN IQ U EV o l.27No.3M a y　2001 文章编号:1002-1582(2001)03-0283-06体全息存储技术李伟,谢长生,裴先登(华中科技大学外存储系统国家专业实验室,武汉　430074)摘要:体全息存储技术以其存储密度和数据读出率高及相关内容寻址等特点而具有广阔的应用前景。

但体全息存储技术要同其它已经成熟的技术竞争,以在存储市场上占有一席之地,就必须注重发挥自己的优势。

另外体全息存储技术要实现商品化,还有两个重要的问题需要解决。

一是以较低的价格实现激光、空间光调制器和探测器阵列的对准。

其次是要寻找合适的存储材料。

对体全息存储来说寻找合适的存储材料仍是一个尚待解决的问题,至今还没有一种材料具有性能、容量和价格的综合优势。

关键词:体全息存储;存储材料;复用技术中图分类号:T P333.4+2 文献标识码:AVolume holographic storageLI Wei,XIE Chang-seng,PEI Xian-d eng(N atio na l Labo rato ry of Sto rag e Sy stem,Hua Zhong U niv er sity of Science&T echnolog y,Wuhan　430074,China)Abstract:V o lume ho lo g raphic sto rag e o ffers high density,fast data r ea do ut,and asso ciativ e co ntent addressa ble sto rag e.In o rder to co ntend with mature da ta sto ra ge technologies for the data sto rag e ma rket,ho lo g raphic sto rag e sh ould a ttempt to capitalize o n so me o f the unique a ttributes of ho lo g raphy.M o reov er,the re a re two major pro blems with the comme rcializatio n o f v olume ho log r aphic sto rag e sy stem need to be solv ed.Firstly,it is a cha lleng e to alig n the la se r,SLM and CCD a t low co st.Seco ndly,the central issue is to find a suitable ma teria l.Until no w,there is no t a sin-gle mate rial satisfied the integ ra ted r equirement in perfo rma nce,capacity and price.Key words:v o lume ho log r aphic sto rag e;stora ge ma teria ls;multiplexing1　引　言二维面存储技术如磁存储、传统光盘存储和半导体存储等仍在不断地改进以满足对存储系统更大和更快等要求,然而这些存储手段正逐步接近其物理极限。

目前正在迅速发展的一种有别于传统技术的方法就是三维存储技术,如体全息存储等。

体全息存储具有存储密度大、读出率高及相关内容寻址等优点。

近些年来,国外一些技术发达国家,如美国、日本和英国等均相继投入了大量的人力和物力对其加以重点研究,国内仅有少数几个单位正在开展该项技术的若干前期研究工作。

在做课题研究的过程中看到文献[1],很有价值,将其译出,加上自己的一些想法,力求对体全息存储的优点、现状、关键技术、材料、应用潜力等进行较全面的介绍。

2　体全息存储技术的研究现状40年代末,Dennis Gabo r发明了全息术,并将其应用于X 光图像的放大处理[2]。

60年代初,激光的出现使全息术有望应用于图像的存储和读出,此时V an Heerden提出了全息数据存储的概念[3]。

早在70年代,人们就已设计出许多有潜力的全息存储系统。

鉴于当时的技术状况,全息存储器的实用化进程较为迟缓。

近年来,巨量高速存储及光计算研究的兴起,使全息存储再次成为研究热点.伴随着新型优良体全息记录材料,如光折变晶体及光聚合物等的研制,以及相关光电子元器件,如高密度高速率空间光调制器SLM和CCD光电探测阵列制造技术的进步,体全息存储技术的研究面临着重大突破。

1991年美国军方研究机构已能够在1cm3掺铁的铌酸锂晶体中存储并高保真再现500幅高分辨率军用车辆全息图[4]。

1995年仅美国战略领先计划(DA RP A)就投资约7000万美元[5-7],在美国国家存储工业联合会(N SIC)组织下,形成了一个包括大学、工业部门及政府机构等12个单位参加的联合研究体,实施“光折变信息存储材料(P RISM)”和“全息数据存储系统(HDSS)”这两个研究项目,从存储材料、关键器件、光学系统结构、信号处理等几方面对体全息存储技术展开有序的全方位研究。

预期在5年内开发出具有容量为1万亿位数据、存取速率为100M B/s的一次写入或可重复写入的体全息数据存储系统。

同时组织专家对体全息存储技术可能的应用领域进行需求分析,力争抢占这一新兴的高技术领域。

该计划已实现在铌酸锂晶体中记录160000幅全息图[8],并能够将数字化的压缩图像和视频数据存储在体全息存储器中,而图像质量无显著下降。

该计划的初步研究结果表明,其存储密度能达到40-100GB/in2,在一立方厘米晶体上能存储上万幅数字图像,比目前光盘容量提高几个数量级。

283收稿日期:2000-08-14;收到修改稿日期:2000-10-24 基金项目:国家“973”高技术项目,课题编号G1999030106作者简介:李伟(1968-),女,河北人,华中理工大学讲师,硕士,从事光存储技术研究。

DOI:10.13741/ k i.11-1879/o4.2001.03.031目前,高效优质体全息存储材料的研究日益深入,这些材料包括光折变晶体、半导体材料、光致聚合物、光致二向色性材料等。

研究重点集中在扩展敏感波长、降低噪声、缩短响应时间、延长保存时间及相应的锁定技术上。

我国在光折变非线性光学材料与效应的基础研究中也已取得一些成果,非线性光学晶体的生长技术在国际上已占有一席之地。

在空间-角度复用、光折变光栅的布喇格偏移和全息图像灰度保真度的定量研究等方面已具有世界水平。

2.1　体全息存储的原理在磁存储和传统的光盘存储中,一个信息位是由介质表面物理性质的改变,如消融的凹点或磁畴的翻转等来表示的。

而在体全息存储中一个信息位分布在整个记录体中。

在记录介质上没有同信息位一一对应的微小元素。

一整页的信息是以光学干涉图样的形式一次记录在厚的感光光学材料中的。

这个干涉图样是由两束相干激光束在存储材料中相遇形成。

通常这两束光是由一束激光分离而成,第一束称为物光,携带有欲存储的信息。

第二束称为参考光,要求简单易于复制,一般采用传播中没有汇聚和发散的平面波。

光学干涉图样引起感光材料发生化学或物理变化。

感光材料在吸收率、折射率或厚度上相应的变化就作为干涉图样的复制品存储起来,这种记录结构包含记录时物光和参考光的幅度和相位信息。

用同存储时两束光中任一束相同的光照射干涉光栅时,部分入射光与存储光栅产生衍射就能正确地恢复出另一束波前。

图1　全息存储基本原理物光与参考光在存储材料中相遇形成干涉图样,干涉图样引起感光材料发生化学或物理变化。

感光材料在吸收率、折射率或厚度上相应的变化就作为干涉图样的复制品存储起来。

图2　全息存储读出基本原理用同存储时两束光中任一束相同的光照射干涉光栅时,部分入射光与存储光栅产生衍射就能正确地恢复出另一束波前。

当全息图被存储在薄的材料中时,用不同于记录时所用参考光的光束也可以读出信息。

而当全息图被存储在厚的材料中时,能否读出信息依赖于读出光束与记录时所用参考光的相似度。

读出光无论是在角度或波长上同记录时所用参考光有微小的差别就可能导致欲读出的信息完全消失。

读出过程对这些微小变化的敏感性几乎随着材料厚度线性增加。

这如同一个可调的结构,当用与存储时所用参考光相同的光束照射时,读出的全息图效率最高。

随着读出光角度或波长的改变,全息图的效率逐渐下降,最后变为零。

角度或波长的改变为多少时全息图的衍射效率为零,同存储材料的厚度有关。

存储材料的厚度越厚,记录结构越可调,稍微改变角度或波长就可以存储另一幅全息图,这样就可以利用对读出光波长或角度的敏感性在同一体积内存储很多独立的全息图,从而显著增加有效存储密度提高存储容量。

这种技术称为角度和波长复用。

这容易产生误解,认为全息图在存储体中有不同的深度,而事实上每一全息图是同其它全息图混杂在一起的。

能以最小的页间串扰恢复单一全息图要归功于存储材料的体积特性。

例如,以0.025°的改变量就可以在1mm 厚的存储材料上存储多幅全息图。

使用角度复用,在6m m 厚铌酸锂晶体的一个位置上已经存储了10000幅全息图[9]。

在100μm(1mm )厚存储材料上对波长的灵敏度是9.5nm (0.95nm )。

波长复用比较容易实现,但在很大程度上依赖于激光波长的可调范围,如今激光波长可实现的调制范围是20nm,这一范围太小不能存储太多的全息图,而角度复用需要复杂的光学系统。

已经有系统同时混合使用角度复用和波长复用技术。

另一种复用技术是相位复用,它是用不同的参考光相位角记录不同的全息图[10]。

这种方式相当具有吸引力。

因为改变光束的相位既快又简单。

同时还有一些其它的复用技术,这些技术一般是通过旋转或平移存储材料实现存储的。

通过使用各种复用技术,可以增加存储密度,显著提高整体存储容量,这正是体全息存储区别于传统存储技术之处。

在传统的全息术中,从三维的景物或物体散射出的光被记录下来,随后能被读出并进行观察。

而体全息数字数据存储技术利用的是从一个非常特殊的称为空间光调制器SL M (spatial ligh t mo dulato r)的二维物体发出的光。

如图3所示,SL M 像一些开或关的快门一样,用二维的`0’和`1’组成的二值数据页代图3　二维数据页表欲存储的信息。

由于干涉图是三维的,所以代表每一数据位的信息分布在整个存储体内,这样减小了对材料缺陷的敏感性,材料缺陷只是稍微降低了存储体中所有数据的信噪比。