全息光存储技术研究进展

全息光存储技术研究进展 全息光存储技术研究进展 黄可,马廷灿,冯瑞华,姜山 (中国科学院武汉文献情报中心,湖北武汉430012) 【摘要】全息光存储技术是一种极具发展潜力的信息存储技术,因其具有高信息 冗余度,高存储容量和高存 取速率等优点而日益受到关注本文介绍了全息光存储技术的研究历史与现状,并 对几种具有代表性的全息 光存储系统进行了评述 ;双掺杂;同轴 关键词:全息光存储;复用技术 中图分类号:TP333.42 DevelopmentofHolographicOpticalStorageTechnology HUANGKe,MATing—can,FENGRui—hua,JIANGShan (WuhanBranchoftheNationalScienceLibrary,ChineseAcademyofSciences,Wuhan4300 12,China) Abstract:Holographicopticalstm.agetechnologyisapromisingtechnology,whichattractsi ncreasinglyconeemdue toitsadvantages,suchashighinformationredundancy,highmemory. capacityandhightransferrate.Thepaper describesthehistoryandcurrentstatusofthetechnology,andalsoreviewssometypicalhologr aphicopticalsystems. Keywords:holographicopticalstorage;multiplexingtechnology;doubledoped;collinear 1引言 随着社会的发展和技术的进步.人们对信息的 需求不断增加,对信息数据存储的要求也越来越高: 特别是对存储容量和速率无止境的需求,促进了各 种存储技术的发展.现有的存储技术,如磁存储和 半导体存储等虽然仍在不断地改进以满足人ff1对存 储容量和速率等的要求,但这些存储手段正逐渐接 鱼 近其物理极限….由于传统光盘存储受衍射分辨率极 限的限制,既使采用更大数值孑L径的聚焦镜和更短 的波长,也很难进一步提高存储密度:而近场光存 储技术虽然突破了衍射分辨极限,可以获得较高的 存储密度t21.但是需要光学头和盘面之间有很近的距 离,光学头需要相对记录介质作机械运动,导致光 机系统比较复杂.全息光存储技术可以不用机械的 方法操作光束移动而利用激光束无惯性电子控制 对数据进行并行读写,缩短了存取时间口1.由于采用 复用技术大幅提高了存储容量,因此在许多领域具 有广阔的应用前景[41 2全息光存储的基本原理及关键技术 全息光存储的基本原理如图1所示.首先将需 要存储的数据信息经编码后形成二进制数据流,并 以页为单位映射到空间光调制器(SpatialLight Modulator,SLM)上.从激光器发出的激光经分束 器分离成两束相干光,一束光经SLM后携带了数据 信息,这样形成的物光进入存储介质中:另一束没 有调制的参考光直接照射到介质上,物光和参考光 由于干涉而形成的图样记录在存储介质中.利用各 种复用技术,可在介质的同一位置记录不同的数据 信息.读出时,采用与记录信息时相同的参考光照 射存储介质,将衍射光成像到探测器(例如CCD) 表面,探测器阵列根据各像素所接收到的光强大小 将光信号转变为电信号. SLM存储介质探测器阵列 参考光 图1全息光存储原理图 全息光存储系统的存储容量,传输速度和系统 体积都与存储介质密切相关,因此存储介质是全息 光存储的一项关键技术[51.用于全息光存储系统的存 储介质需要具备高光学质量,高动态范围,高光敏 性和高稳定性的特点.高光学质量能使携带数据信 息的物光波前不失真,降低误码率:高动态范同能 够保证复用更多的全息图,从而提高存储容量;高 光敏性可提高介质的反应速度:而高稳定性可避免 存储数据的损坏和丢失.早期的全息存储介质采用 的是卤化银敏化明胶(SHSG)和重铬酸盐明胶 (DCG).目前广泛使用的主要介质包括:光折变晶 体(如铌酸锂和钽酸锂等),光致聚合物,光折变聚 合物和光致变色材料,实验室中使用最多的是掺铁 铌酸锂晶体(Fe:LiNbO).从目前的研究情况看,光 折变材料(包括光折变晶体和光折变聚合物)非常 适用于全息光存储. 全息光存储系统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.常 见的几种复用技术包括:空间复用,体积复用(包 括角度复用,位相编码复用,波长复用)和混合复 用等.空间复用是将不同的全息图(数据页)存储 在记录介质的不同区域,物光和参考光的位移依靠 声光偏转器件(AOD)或电光偏转器件(EOD)实 现,它是最早发展起来的复用技术;角度复用是全 息光存储中得到最充分研究的复用技术.基本思路 是每当记录完一个全息图后,使参考光的入射角改 变一个角度再存储另一幅全息图,但随着全息图数 目的增加,平均衍射效率会降低,影响了存储容量: 在位相复用中一般使用正交位相编码,参考光的波 长和光束角度都是固定的,有利于全息图的快速随 机读写,提高全息图的衍射效率,增加读出数据的 信噪比:波长复用中每一幅全息图与一个特定波长 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:而混合复用技术只不过是上述几种复 用技术的组合,其目的也是为了进一步增大存储容 量.随着全息光存储技术的不断发展,将会出现更 多的新的复用技术. 在全息光存储系统中,采用有效的信号处理方 法能抑制记录通道中存在的各种噪声,减少数据的 误码率,通常采用纠错编码,交错和调制编码相结 合的方式来对数据进行编码.此外,激光光源和其 它光电器件(如SLM和CCD等)性能的优劣对全 息光存储系统也有直接的影响. 3全息光存储技术的研究历史与现状 20世纪40年代末.英国科学家DennisGabor 提出了全息术的设想,并于1948年获得了第1张全 息图及其再现的图像.20世纪60年代初,激光器 www.1aserbtb.tom Nov.2007 27 的出现使全息术应用于图像存储成为可能,激光因 其良好的单色性理所当然地成为制作全息图最理想 的光源.随后,美国Polaroid公司的VanHeerden 提出了全息数据存储的概念.20世纪70年代初, 光折变材料因其潜在的高存储容量而受到科学家的 关注和研究,并被应用于全息数据存储系统,但鉴 于当时的技术基础,全息光存储的实用化进程一直 比较缓慢.20世纪80年代中期,为了避免因光盘 存取速度而影响计算机性能,美国微电子与计算机 技术公司(MCC)和斯坦福大学的研究人员开始试 验全息光存储系统.他们的努力使存储系统及其组 成部件有了显着的进步,但影响系统的关键仍然是 记录材料 进入20世纪90年代,计算机和互联网技术的 发展引起了人类社会的Ij大变革.同时也由丁j匕电 器件(如CCD)和全息记录材料领域取得的突破性 进展,再次使全息光存储成为高密度光存储领域的 研究热点.1994年,美国斯坦福大学演示了首个数 字全息光存储系统,该文验表明用现成元件搭建 数字全息光存储系统的可行性. 1995年,美国国防岛级研究署(DARPA) 投资约7000万美元,开始实施"光折变信息储 材料(PRISM)"和"全息数据存储系统(HDSS1" 2个项目.其中PRISM项目侧重于研究基本记录材 料,而HDSS则侧重于研究和开发新的光学和电子 元件以及数字全息存储系统.这2个项目由IBM公 司的Almaden研究中心,Rockwell科学中心,加州 理工学院和斯坦福大学等机构共同负责. 1997年,美国加州理工学院由DemetriPsaltis 教授领导的光信息处理研究小组使用球面参考光通 过移位复用在1H1H1厚的掺铁铌酸锂晶体(Fe:LiN— b0)中获得r密度为100bits@m.的全息存储.1998 年.朗讯科技公司贝尔实验室利用相关复用技术在 Fe:LiNbO3晶体中实现了密度超过350bits/~m的全 息存储.2001年,IBM公司进行了存储密度为 250Gbits/inf约400bjts/m的实验. 璺 2002年4月,在美国广播协会(NAB)展会上, 美国InPhase公司展示了记录容量达到100GB的 Tapestry追记型全息记录介质播放系统,该系统可 以容纳30rain的非压缩数字HDTV视频内容,数据 传输速率达160Mbits/s.2002年10月,美国Aprilis 公司推了大容量,高性能的全息存储介质,可在 直径为120H1H1的标准盘片上实现200GB的存储容 量和200MB/s的数据传输速度. 与此同时,13本Optware公司在全息光存储领 域也取得了重要成果.2000年,该公司成功地将偏 振同轴(polarizedcollinear)技术用于全息光存储, 并存2004年的光存储系统会议(ODS)上首次展示 了使用全息光盘的记录播放装置和相应的激光头等. 欧洲计算机制造商协会fECMA)将以13本Optware 公司的同轴技术为基础制定全息存储系统的标准. 2006年3月,美国InPhase公司宣布成功进行 了存储密度达515Gbits/in(约850bits/m2)的全息 j匕存储演示.2007年1月,InPhase公司与德国厂 商DSM签订lrOEM,由后者制造其存储容量 达300GB的Tapestry300R全息存储驱动器. 目前,要真正实现全息此存储技术的商业化还 有许多难题需要解决.磁存储和传统光盘存储所涉 及的各项技术已经基本成熟,而全息光存储则不然. 由于岜不仅依赖光全息技术,还依赖存储介质,复 用技术,激光光源,SLM和探测器阵列等技术的突 破,而这些技术现在的发展水平还不能满足全息光 存储低成本商业化的需要.同时,全息光存储技术 的潜存优势还不足以吸引厂商在这些技术的研发上 进行重大投资,相关技术的发展主要是由电子消费 和娱乐行业等其它领域进行驱动,这些都是全息光 存储技术当前面临的困难 4典型的全息光存储系统 以下几种典型的全息光存储系统都来自当今在 该项技术中处于世界领先地位的研究机构和公司. 他们代表了全皂,光存储的发展方向. 爨黼豳 4.1美国斯坦福大学的HDSSW0RM演示平台 2000年,美国斯坦福大学为DARPA投资实施 的HDSS项目开发了高传输速率,高容量的全息光 盘存储系统,如图2所示.该系统采用了IBM公司 的铁电液晶空间光调制器(FLCSLM)记录二维数 据,最高分辨率为l024x1024像素,采用Kodak 公司的CCD作为探测器,其分辨率与SLM匹配, 最大帧数为l000fps.利用脉冲倍频Nd:YAG激光 器(波长为532nm)进行记录和读出,光盘安装在 精密的空气静压轴承上,使用精密光电轴角编码器 光电轴角 编码器 JsLM1驱动器 脉冲 激光器 SLM 平移台 空 轴承l 偏振分光镜 (PBS) 完成角度寻址,通过利用分辨率达25nm的平移台 来移动装有光盘的轴承,以对光盘的不同半径位置 进行读写[61.同步系统使光盘不同角度位置重复寻址 的精度超过-+10m,从而增加了脉冲激光器所记录的 全息图数目.该平台使用了定制的短焦距(17.1ram)傅 里叶变换透镜,使lM像素的图像从SLM传送到 CCD时失真小于?1.5m,系统成像的数值孔径为 0.36.物光和参考光束通过同一套光学系统,使整 个系统的尺寸达到最小.光学以完全对称的方 式进行,这样能获得最小的图像失真. 光致聚合物 存储介质 傅里叶 变换透镜 解码器 数据输出 CCD]计算机 同步系统 图2美国斯坦福大学的HDSSWORM演示平台系统示意图 系统的全息信道解码传输速率可达lGbits/s, 使用1次写入多次读取(WORM)的光致聚合物作 为存储介质,容量为120GB.由于较厚的介质(如 LiNbO晶体)的存储容量受到介质动态范围和噪声 的影响要多于复用技术,而较薄的介质(如光致聚 合物)则不然,所能存储全息图的数量在很大程度 上由复用技术决定.经常在较厚介质中使用的角度 复用技术在这里效果不大,需要使用其它复用技术, 例如移位或旋转复用技术,该系统采用的是散斑一 移位复用技术. 4.2美国加州理工学院的双掺杂晶体介质存储实验 系统 美国加州理工学院DemetriPsaltis教授的光信 息处理研究小组已经开发出多种全息材料和技术. 他们利用掺锰掺铁铌酸锂晶体(LiNbO:Fe:Mn)作为 介质,实现的全息存储具有选择性擦除和重写能力[7】. 在这种双掺杂晶体中进行记录时需要同时存在参考 光束(记录光束)和敏化光束,由敏化光束确定记 录的范围.图3中敏化和参考光束通过柱面镜聚焦 到存储介质,敏化光束在焦深内使晶体产生厚度只 参考光和敏化光 物光 :::冀 图3双掺杂铌酸锂晶体记录示意图 www.1aserbtb.corn Nov.2007 有几十微米的薄片层,当参考光束和敏化光束移到 相邻位置时即完成了复用.读出的时候,敏化光束 不再存在,只有参考光束来完成非破坏性再现.在 Bragg条件下参考光束的光强可增大至2倍.选择性 擦除可通过只用敏化光束照射希望擦除的区域来实 现.在这套实验系统中.参考光束和敏化光束一起 传播并聚焦到晶体中.局部全息图由光强相等的参 考光和信号光记录以增大记录斜率.从而使每幅全 息图的记录时间达到最短 43IBM公司Almaden研究中心的全息材料和 系统测试平台 IBM公司Almaden研究中心研制的全息光存储 测试平台分别是PRISM和DEMON.其中PRISM测 试平台主要用来进行全息数据存储材料的定量测试. 高质量的存储材料应该遵循以下原则:优良的光学 性能,高记录保真度,大动态范围,低散射,高灵 敏度和非易失性.PRISM平台能够存这些标准的基 础上评价期望的存储材料.范围从光致聚合物到无 机光折变材料.根据测试仪器接收的由记录材料传 递到探测器的数据页图像误码率(BER)以及材料 中全息记录再现时产生的页误码率等数据.可以量 化各种材料的光学性能和记录保真度等参数. DEMON平台在LiNbO晶体中利用角度复用实 现了全息图叠加,其特点包括高分辨率,SLM和 CCD阵列之间的像素匹配,读出过程中的准视频帧 速率.并且使用自行开发的样机和纠错编码技术. DEMONI平台使用透射型SLM,采用8,12像素调 制编码技术.它通过由5个透镜组成的变焦镜头成 一 个缩小的像,这个SLM的像位于傅里叶变换透镜 的前焦面上.DEMONII平台使用反射式液晶SLM. 具有1024xl024个像素.物光在进入SLM前首先 要经过一对柱面光学元件进行切趾[Sl.记录时所用的 傅里叶透镜为短焦距透镜系统,能够通过大的光场 范围修正失真(特别是扭曲). 这些实验平台都可用来研究编码技术和全息系 统在各种条件下的性能.例如IBM公司利用LiNbO , 作为记录介质存储视频.并在DEMONII平台上实 现了高数据存储密度,同时开发了重要的光学技术 以实现图像信号光束的平顶光强分布. 44日本Optware公司的同轴式全息光盘数据存储 系统 日本Optware公司于2004年8月正式发布了同 轴式全息光存储系统(CollinearHolographicInfor- mationStorageSystem).它的最大特点是激光器发出 的光经SLM调制成沿同一光轴传播的物光和参考光 束,如图4所示. 这套系统使用了2种波长不同的激光器.其中 数字微小反 射镜装置 (DMD) 扩拳镜 反射镜 偏振分光 镜(PBS) 中继透镜光阑成像透镜罔像 物光接收器 参号光(CMOS) 霆撵反射镜 (PBS 一) 光电探测器 图4日本Optware公司的同轴式伞息光盘数据存储系统 光路示意 波长为532nm的绿激光器川于全息图的写入和读 出[91.写入时,它发的激光经扩束后投射到作为空 间光调制器的数字微小反射镜装置(DigitalMi. cromirrorDevice.DM)上,DMD上显示的图案是 需要存储的数字信息经过编码后组成的二维数据页, 激光经图案调制成既有物光又有参考光的光束(参 考光环绕在物光周围),并沿同一光轴传播.通过偏 振分光镜(PolarizationBeamSplitter,PBS),中继透 镜(relaylens)以及h/4波片变成圆偏振光.最后 通过显微物镜(objectivelens)聚焦在光盘上.读L叶J 时,激光经DMD后调制成仅保留参考光的光束, 通过和写入时相同的路径聚焦在光盘上再现信息图 案,经反射层返回显微物镜,并依次通过h/4波片 和平移透镜,最后被偏振分光镜反射到图像接收器 (CMOS)中,参考光被成像透镜前的光阑遮挡,未 能进入图像接收器中. 在写入和读出过程中,波长为650nm的红光激 光器用于记录和再现过程中伺服系统控制和全息图 定位.它发出的红色激光经过二色分光镜(dichroic beamsplitter,DBS)与绿色激光一起到达光盘. 光盘采用反射式结构,共有6层构成,依次为 基板,间隔层1,二色分光反射层,间隔层2,有机 记录材料层和保护层.基板顶部有预制的沟槽,凸 起的地方镀铝反射膜.如图5所示.二色分光反射 层能够让红光透过并到达基板沟槽表面而使绿光直 接反射,避免了沟槽对携带记录信息的绿光产生的 衍射影响.红光到达沟槽后,在镀有铝反射膜的地 方反射,从而为记录和再现的数据进行定位.这种 结构能使系统大为简化,并且解决了与现有光盘存 储系统的兼容问题. 保护层 有机记录材料层 间隔层2 二色分光反射层 间隔层1 基板 网5反射式光盘结构,下惹图 使用现有的光盘伺服控制技术可有效保持聚焦 透镜与光盘间距的精确定位,能够将全息图准确地 记录在存储介质中,并准确无误地再现而不受外界 振动的影响.Optware公司开发的这种光盘结构简 化了系统并解决了与现有光盘存储系统的兼容问 题. 4.5美国InPhase技术公司的Tapestry介质存储 系统和ZeroWave制造工艺 美国InPhase技术公司于2000年12月由朗讯 科技公司贝尔实验室分离成立,通过由贝尔实验室 科学家组成的研究小组开发的技术,解决了与全息 存储相关的几个基本问题,包括存储介质的制作和 全息图的记录等.InPhase公司(包括其前身)对全 息存储进行了10多年的研究,Tapestry介质存储系 统是其取得的重大成果.该系统的一个重大突破是 采用了性能优良的光致聚合物作为存储介质[1ol,这也 是全息光存储系统需要解决的一个关键技术. 普通记录材料只使用一种光致聚合物发生化学 反应形成基质并完成全息图的记录,一并控制记录 特征,机械和制造等参数.Tapestry介质存储系统 的记录材料由2种性质上既相互独立又相互兼容的 聚合物组成.一种用来作为基质,控制机械,制造 和使用寿命等参数;另一种具有光敏特性,用于全 息记录过程中.这2种聚合物发生的化学反应彼此 没有相互作用或干扰[111.双化学反应的方法使存储 介质具有大动态范围,高感光灵敏度,极低的收缩 性和高图像质量等优点,并与目前光盘的制造方法 相一致.InPhase公司目前开发的Tapestry介质记录 材料是一次写入,多次读出型,能工作在蓝,绿和 红光条件下 InPhase公司开发的ZeroWave制造工艺能够以 较低成本制作高质量的光学介质,该工艺将记录材 料填充到2层基片中形成类似DVD盘片的夹层,配 合Tapestry介质可实现全息光存储技术的商业化. 5结束语 全息光存储技术的发展还存在许多瓶颈,存储 介质,复用技术,编码技术以及光电器件这些关键 技术依然是研究人员所面临的巨大挑战.要想使全 息光存储实现低成本的商业化还有很长的路要走. 但人们相信随着技术的不断发展.这些问题必将得 到解决,全息光存储技术最终将会满足人们对信息 数据存储的要求.(No.31 WWW.1aserbtb.COIII NOV.2007 35 参考文献 [1]李伟,谢长生,裴先登.全息存储——下一代存储解决方案[J].计算机应用研 究,2002,(4):14—16. 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