全息储存技术原理解析

全息存储在存储容量方面具有巨大的优 势，原因是：

(1)全息存储具有存储容量大的优势。用感光干板作为普通照相记录信息时， 信息存储密度的数量级一般为 105bit/mm2；用平面全息图存储信息时，存储密度 一般可提高一个数量级达 106bit/mm2；如果用体全息图存储信息时，存储密度可 高达 1013bit/mm2。

(2)全息存储具有极大的冗余性，存储介质的局部缺陷和损伤不会引起信息 丢失。

(3)全息存储具有读取速率高和能并行读取的特点，每个数据页可包含达 1Mbit 的信息，写人一页的时间在 100ms 左右，读信息的时间可以小于 100s， 而磁盘的寻址时间至少需要 10ms。

全息存储是受全息照相的启发而研制的， 当你明白全息照相的技术原理，对于全 息存储就可以更好地理解。我们在拍摄 全息照片时，对应的拍摄设备并不是普 通照相机，而是一台激光器。该激光器 产生的激光束被分光镜一分为二，其中 一束被命名为“物光束”，直接照射到 被拍摄的物体，另一束则被称为“参考 光束”，直接照射到感光胶片上。 当物光束照射到所摄物体之后，形 成的反射光束同样会照射到胶片上， 此时物体的完整信息就能被胶片记 录下来，全息照相的摄制过程就这 样完成了。乍看过去，全息照片上 只有一些乱七八糟的条纹，但当我 们使用一束激光去照射这张照片时， 真实的原始立体图像就会栩栩如生 地展现出来。

全息存储技术同样需要激光束的帮 忙，研发人员要为它配备一套高效 率的全息照相系统。首先利用一束 激光照射晶体内部不透明的小方格， 记录成为原始图案后，再使用一束 激光聚焦形成信号源，另外还需要 一束参考激光作为校准。当信号源 光束和参考光束在晶体中相遇后， 晶体中就会展现出多折射角度的图 案，这样在晶体中就形成了光栅。 一个光栅可以储存一批数据，称为一页。 我们把使用全息存储技术制成的存储器 称为全息存储器，全息存储器在存储和 读取数据时都是以页为单位。

尽管全息存储技术尚未步入应用阶段，但它的光明前景毋庸置疑，未来 10 年它将取代目前磁存储和光存储的主流地位。 面对如此诱人的一块大蛋糕， 息 全 存储技术领域的各大厂商早已摩拳擦掌，而在这一争夺战中，美国的 InPhase 公司和日本的 Optware 公司扮演了先行者 的角色。

1.Optware——实用化的领先者

早在 2003 年的 ODS(光存储系统会议)会议上， Optware 就向外界公布了对全 息光盘的测试数据。在测试过程中 Optware 首次使用了 能够商用化的全息存储 系统。进入 2004 年，Optware 便将这套系统命名为 HVD(Holographic Versatile Disc，全息通用光盘)。根据 HVD 的最新标准，使用全息记录技术的 HVD 光盘(直 径为 12cm)的容量可提升至 1TB，这将是目前 DVD 标准容量 (4.7GB)的 200 倍。 而且在数据传输率方面，也将到达 1GB/s，远高于现有的水平，是目前 DVD 主流速度(16×，约 22MB/s)的 40 倍。Optware 表示未来还可进一步提升 HVD 的 存储容量和速度。

Optware 的全息产品广泛应用了一种称为同线全息存储技术的关键(实际上 就是在一个光束中整合了一束参考激光与一束信号激光)。借助这项技 术， Optware 可以大大简化全息成像系统的设计难度和体积，并进一步实现 HVD 驱动 器与 DVD 和 CD 的兼容。

现阶段 Optware 已经开始向商业用户销售 200GB 容量 HVD 产品， 并表示在短 期内还将把存储容量提升到 1TB。不过，初期 HVD 产品的售 价也高得惊人—— 一部 HVD 驱动器的价格在 2 万美元左右，每张光盘的成本则为 100 美元!不过， 随着技术的成熟和生产规模不断扩大，到 2007 年以 后，HVD 驱动器的成本会迅 速下降。

2.InPhase——高容量的追求者

相对于 Optware 快速的全息商品化步伐， 来自美国的 InPhase 公司也毫不示 弱。在 2005 年 4 月的 NAB2005 展会 上，InPhase 公司首次展出了其商品化的全 息驱动器。相对于 HVD 来说，InPhase 的产品被称作全息卡可能更为合适。HVD 的外形和一张 DVD 无 异，但是 InPhase 的全息光盘产品则在光盘外面多了个长 方形的保护盒，使得产品的外观和我们曾经使用的 MO 有几分相似。

为了和 Optware 一较高下，在 2005 年 4 月的展会上，InPhase 就联合万胜 公司拿出了单次可写入的全息光盘产品。相对于 Optware 在实现写入方面遇到 的困难，InPhase 似乎有更多的优势。在实现写入的同时，InPhase 还同时将旗 下全息光盘的存储密度提升到 200Gbit/平方英寸。这一存储密度已经超过了包 含硬盘在内的现有存储介质。而在此密度下，InPhase 推出的第一代全息存储设 备单光盘的容量成功 地达到了 300GB， Optware 第一代产品多出了整整 100GB。 比 尽管容量提升，但 InPhase 的全息方案在读取速度方面却遇到了一些困扰。数据 传输速度目前在投产时将达到 160Mb/s(即 20MB/s)左右。

尽管有比较明显的容量领先优势，但 InPhase 没有停止在容量方面的探索。 2006 年 3 月 27 日， InPhase 宣布成功进行了存储密度达 515Gbit/平方英寸的全 息光存储演示，这意味着 InPhase 可以在 12cm 的光盘上实现超过 1.6TB 的存储 容量。要知道目前最高容量硬盘的存储 密度也仅为 214Gbit/平方英寸。

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。