专题亮点 | 多维调制全息存储 —— “可纳百川”的新方案

《光学学报》于2023年43卷第15期推出“北京理工大学光电学院70周年庆”专题，其中，福建师范大学谭小地教授的特邀综述“多维调制全息数据存储研究进展”被选为本期亮点文章。

《光学学报》2023年第15期亮点文章 | 谭小地, 林枭, 臧金亮, 范凤兰, 刘金鹏, 任宇红, 郝建颖. 多维调制全息数据存储研究进展[J]. 光学学报, 2023, 43(15): 1500004.

  导读  

本文以谭小地团队在北京理工大学期间开展的多维调制全息数据存储技术研究为基础，从多维调制机理出发，综述了不同调制方法的理论基础和应用实例，并介绍了提高全息存储材料性能的有效手段。相关研究加速了全息存储技术应用的产业化步伐，为大数据存储提供了有效解决方案。

  1.

    研究背景

当前全球信息量爆炸式增长，对信息的挖掘、存储和保护越来越重要。传统存储技术能耗高、寿命短、存储容量有限，已经难以适用于大数据的长期存储。与传统存储介质按位读取方式相比，全息存储三维存储和二维读取的方式可以达到更高的存储密度和更快的数据传输速度。并且光存储成本低、掉电保存时间长，非常适合海量数据的长期保存。

20世纪60年代，由于记录材料的限制，全息光存储只能停留在概念研究上。进入21世纪，以美国InPhase和Aprilis为代表的公司提出了光致聚合物（Photopolymer）作为全息光存储材料，其数据保存寿命可达50年。同时，InPhase公司积极推进角度复用的离轴全息存储技术的实用化研究。日本Optware公司也提出独特的同轴全息存储方式，可以有效地避免环境震动的干扰，这也将全息存储技术向产品化推进了一大步。虽然Akonia Holographic公司和Hitachi公司在2016年已经达到了相当高的存储密度，但由于仅利用了传统振幅调制，使得全息存储技术的实际记录密度与理论值之间仍然存在很大差距。通过利用光的各个参量进行多维度调制，可进一步提高全息光存储的记录密度，充分发挥全息光存储的存储潜力。

自2012年开始，谭小地团队便在北京理工大学开展了全息光存储研究，并提出了将光的振幅、相位和偏振同时作为调制变量的多维调制全息数据存储技术，其相关研究成果已在世界同行中处于领先水平。因此，该团队从光的振幅、相位和偏振调制机理出发，综述了不同调制方法的理论基础和应用实例，并介绍了提高全息存储材料性能的有效手段。相关研究加速了全息存储技术应用的产业化步伐，为大数据存储提供了有效的解决方案。

  2.

    全息存储技术与应用

全息存储的原理如图1所示。在记录时，物光经过空间光调制器上载编码信息，与参考光在全息材料中进行干涉，将全息图记录在材料中。读取时，利用同一束参考光照射材料中的全息图会衍射出重建光，其光场信息与原始物光信息基本一致，即实现了信息读取。

图1 全息存储原理图

为实现更高存储密度的多灰阶相位调制全息存储，团队首先提出基于嵌入式数据的迭代傅里叶变换算法，如图2所示。在计算时，将探测器拍摄重建光的傅里叶变换强度图作为频谱面约束条件，嵌入式数据作为物面约束条件，以傅里叶面的强度分布误差作为判断条件，最终收敛输出相位计算值，实现相位的快速迭代重建。

图2 嵌入式数据的迭代傅里叶变换相位重建方案

为进一步提高数据传输速率，研究人员提出图3所示基于深度学习的无透镜相位重建系统，利用卷积神经网络建立重建光近场衍射图像与相位数据编码页的关系，通过深度学习实现单幅近场衍射图像直接重建相位编码数据页。

图3 深度学习相位重建实验系统图

复用技术是提高全息记录密度的关键技术之一，通过偏光全息的理论，团队发现线偏振光记录的偏光全息具有强烈的偏振敏感特性，利用这种敏感特性可以实现四通道偏振复用的全息方案，将偏光全息的记录密度扩大到四倍。实验验证结果如图4所示，可以看到偏光全息可以实现在记录材料的同一个位置正确记录和重建四个通道的全部信息。

图4 四通道偏振复用全息记录实验结果。(a)-(d)为全息记录之前，图像直接在CMOS相机上的成像图，作为原始信号；(e)-(h)为全息记录后，用不同偏振读取光进行全息重建的图像

振幅、相位和偏振的调制理论均需要存储介质进行验证。团队在传统材料的研究基础上，对材料的偏振特性进行了研究。光致聚合物材料成本低廉、易于制备、组分选择灵活且具备可设计性，是适合进行一次写入永久读取的信息存储材料；其不仅具有高折射率调制度和衍射效率，还能通过掺杂改善性能，在全息存储领域非常具有优势。该团队在材料的制备工艺、纳米掺杂、基质探索等方面开展了大量研究，制备出国内首张全息存储光盘（图5所示），材料衍射效率可达78%，并具备抗皱缩能力，经老化实验验证，光盘寿命超过50年。

图5 团队自主研发的首张全息光盘

 3.

    未来展望

多维调制全息存储技术充分发挥了全息对光的振幅、相位和偏振信息的存储能力，有效提高了全息存储的记录密度和数据传输速率。但是要从根本上克服再现噪声对全息存储密度的影响，缩小实际全息存储密度与理论值的差距，还需要对多维调制高密度全息存储技术开展进一步研究，开发具有我国自主知识产权的光致聚合物全息存储材料，尤其是可以同时记录光的振幅、相位和偏振信息的偏光全息材料。相信随着对偏光全息张量理论和深度学习应用研究的进一步深入，研究人员在多维调制、深度学习快速读取和复合材料方面会不断取得创新性成果，多维调制全息存储技术研究的新时代或许将很快到来。

科学校对 | 郝建颖；谭小地

编辑 | 李笑玲

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