全息儲存技術原理解析

全息存儲在存儲容量方面具有巨大的優 勢，原因是：

(1)全息存儲具有存儲容量大的優勢。用感光干板作為普通照相記錄信息時， 信息存儲密度的數量級一般為 105bit/mm2；用平面全息圖存儲信息時，存儲密度 一般可提高一個數量級達 106bit/mm2；如果用體全息圖存儲信息時，存儲密度可 高達 1013bit/mm2。

(2)全息存儲具有極大的冗余性，存儲介質的局部缺陷和損傷不會引起信息 丟失。

(3)全息存儲具有讀取速率高和能并行讀取的特點，每個數據頁可包含達 1Mbit 的信息，寫人一頁的時間在 100ms 左右，讀信息的時間可以小于 100s， 而磁盤的尋址時間至少需要 10ms。

全息存儲是受全息照相的啟發而研制的， 當你明白全息照相的技術原理，對于全 息存儲就可以更好地理解。我們在拍攝 全息照片時，對應的拍攝設備并不是普 通照相機，而是一臺激光器。該激光器 產生的激光束被分光鏡一分為二，其中 一束被命名為“物光束”，直接照射到 被拍攝的物體，另一束則被稱為“參考 光束”，直接照射到感光膠片上。 當物光束照射到所攝物體之后，形 成的反射光束同樣會照射到膠片上， 此時物體的完整信息就能被膠片記 錄下來，全息照相的攝制過程就這 樣完成了。乍看過去，全息照片上 只有一些亂七八糟的條紋，但當我 們使用一束激光去照射這張照片時， 真實的原始立體圖像就會栩栩如生 地展現出來。

全息存儲技術同樣需要激光束的幫 忙，研發人員要為它配備一套高效 率的全息照相系統。首先利用一束 激光照射晶體內部不透明的小方格， 記錄成為原始圖案后，再使用一束 激光聚焦形成信號源，另外還需要 一束參考激光作為校準。當信號源 光束和參考光束在晶體中相遇后， 晶體中就會展現出多折射角度的圖 案，這樣在晶體中就形成了光柵。 一個光柵可以儲存一批數據，稱為一頁。 我們把使用全息存儲技術制成的存儲器 稱為全息存儲器，全息存儲器在存儲和 讀取數據時都是以頁為單位。

盡管全息存儲技術尚未步入應用階段，但它的光明前景毋庸置疑，未來 10 年它將取代目前磁存儲和光存儲的主流地位。 面對如此誘人的一塊大蛋糕， 息 全 存儲技術領域的各大廠商早已摩拳擦掌，而在這一爭奪戰中，美國的 InPhase 公司和日本的 Optware 公司扮演了先行者 的角色。

1.Optware——實用化的領先者

早在 2003 年的 ODS(光存儲系統會議)會議上， Optware 就向外界公布了對全 息光盤的測試數據。在測試過程中 Optware 首次使用了 能夠商用化的全息存儲 系統。進入 2004 年，Optware 便將這套系統命名為 HVD(Holographic Versatile Disc，全息通用光盤)。根據 HVD 的最新標準，使用全息記錄技術的 HVD 光盤(直 徑為 12cm)的容量可提升至 1TB，這將是目前 DVD 標準容量 (4.7GB)的 200 倍。 而且在數據傳輸率方面，也將到達 1GB/s，遠高于現有的水平，是目前 DVD 主流速度(16×，約 22MB/s)的 40 倍。Optware 表示未來還可進一步提升 HVD 的 存儲容量和速度。

Optware 的全息產品廣泛應用了一種稱為同線全息存儲技術的關鍵(實際上 就是在一個光束中整合了一束參考激光與一束信號激光)。借助這項技 術， Optware 可以大大簡化全息成像系統的設計難度和體積，并進一步實現 HVD 驅動 器與 DVD 和 CD 的兼容。

現階段 Optware 已經開始向商業用戶銷售 200GB 容量 HVD 產品， 并表示在短 期內還將把存儲容量提升到 1TB。不過，初期 HVD 產品的售 價也高得驚人—— 一部 HVD 驅動器的價格在 2 萬美元左右，每張光盤的成本則為 100 美元!不過， 隨著技術的成熟和生產規模不斷擴大，到 2007 年以 后，HVD 驅動器的成本會迅 速下降。

2.InPhase——高容量的追求者

相對于 Optware 快速的全息商品化步伐， 來自美國的 InPhase 公司也毫不示 弱。在 2005 年 4 月的 NAB2005 展會 上，InPhase 公司首次展出了其商品化的全 息驅動器。相對于 HVD 來說，InPhase 的產品被稱作全息卡可能更為合適。HVD 的外形和一張 DVD 無 異，但是 InPhase 的全息光盤產品則在光盤外面多了個長 方形的保護盒，使得產品的外觀和我們曾經使用的 MO 有幾分相似。

為了和 Optware 一較高下，在 2005 年 4 月的展會上，InPhase 就聯合萬勝 公司拿出了單次可寫入的全息光盤產品。相對于 Optware 在實現寫入方面遇到 的困難，InPhase 似乎有更多的優勢。在實現寫入的同時，InPhase 還同時將旗 下全息光盤的存儲密度提升到 200Gbit/平方英寸。這一存儲密度已經超過了包 含硬盤在內的現有存儲介質。而在此密度下，InPhase 推出的第一代全息存儲設 備單光盤的容量成功 地達到了 300GB， Optware 第一代產品多出了整整 100GB。 比 盡管容量提升，但 InPhase 的全息方案在讀取速度方面卻遇到了一些困擾。數據 傳輸速度目前在投產時將達到 160Mb/s(即 20MB/s)左右。

盡管有比較明顯的容量領先優勢，但 InPhase 沒有停止在容量方面的探索。 2006 年 3 月 27 日， InPhase 宣布成功進行了存儲密度達 515Gbit/平方英寸的全 息光存儲演示，這意味著 InPhase 可以在 12cm 的光盤上實現超過 1.6TB 的存儲 容量。要知道目前最高容量硬盤的存儲 密度也僅為 214Gbit/平方英寸。

存儲中的復用技術是全息光存儲所特有的技術特征，采用合理的復用技術可以有效地增加系統的存儲容量，提高存儲系統的性能。全息光存儲中的復用技術主要包括空間復用、體積復用和混合復用三大類。

空間復用技術是將記錄介質的二維平面劃分成不同的區域，在每一個區域中單獨存儲一幅全息圖?？臻g復用技術是發展得最早的復用技術，主要適合于平面型記錄材料，存儲材料中的存儲格式類似于硬盤和光盤?？臻g復用技術的優點是：由于相鄰的全息圖在空間并不重疊，因此再現出的頁面之間可以完全避免串擾噪聲，每個全息圖的衍射效率也都可以達到單個全息圖所能達到的最大衍射效率。此外，由于存儲的所有全息圖都可以采用相同的參考光角度，因此系統的光路設計和構架相對簡單。單純空間復用技術的主要缺點是不能充分利用存儲材料的厚度來增加系統的存儲容量，因此沒有充分利用全息存儲技術的潛力實現最大存儲容量。

為了彌補空間復用技術的缺陷，人們提出了體積復用技術。體積復用技術分為三種：角度復用、位相復用和波長復用。下面我們分別進行介紹。

角度復用：這是一種使用最早，研究最為充分的復用技術，它利用了體積全息圖的角度選擇性，使不同的信息頁面可以互不相干地疊加在同一個空間區域內。每幅全息圖在記錄和讀出時所采用的物光和參考光的夾角都各不相同，但采用的激光波長是固定的。對角度的調整可以通過旋轉反光鏡或聲光偏轉器來實現。角度復用技術可以有效地增大存儲容量，提高存儲密度。但角度復用存儲的全息圖數目越多，平均衍射效率就越低，并且由于串抗干擾的疊加將導致讀出數據的信噪比下降，這些因素也影響和限制了角度復用技術可以實現的存儲容量。

位相復用：為了克服角度復用技術串擾噪聲較大的缺點，人們又提出了正交位相編碼復用技術。在這種復用技術中，參考光的波長和光束角度都是固定的，而位相編碼一般使用確定性位相編碼中的正交位相編碼。正交位相編碼的概念是——每個全息圖的參考光都是由一組平面波束的集合組成，對其中每個光束都進行純位相調制，即相對位相延遲非0即π。每組這樣的光束集合代表一個存儲圖像的地址，且和其它所有地址都正交。讀出信息時，只有該地址參考光束對應的全息圖的衍射效率最大，而對于其它全息圖則是相消干涉，理論上其衍射效率均為零。因此，位相復用技術可以提高讀出過程中全息圖的衍射效率，增加讀出數據的信噪比，并且可以使對存儲數據的尋址通過改變光束的位相而不是改變光束的方向來實現，從而使尋址過程更快。

波長復用：由于全息圖的再現對讀出光的波長也十分敏感，所以波長復用也是全息光存儲的主要復用方式之一。波長復用也是基于全息光存儲所具有的布喇格角選擇性，只是此時每幅存儲的全息圖是與一個特定的波長相對應，記錄和讀出過程中參考光和物光之間的夾角保持不變。

最后，談談混合復用技術?；旌蠌陀眉夹g就是將上述幾種復用方法結合使用，以便充分利用各種復用方法的優點，提高系統的存儲容量。主要的幾種混合復用技術包括稀疏波長—角度復用、空間—角度復用以及空間—位相復用等等，在此不再贅述。

此外，隨著技術的發展，人們又提出了一些新型的復用技術。例如，1999年V．Markov等人提出的靜態散斑復用技術；2001年，清華大學提出了利用全息光存儲系統中隨機相位極自身位移產生的動態散斑實現的動態散斑復用技術等。相信隨著科技的不斷進步，會有更多優秀的復用技術得到開發和應用，從而可以更加充分地發掘全息光存儲的存儲潛力，實現大容量、高密度的數字存儲。