高密度数字全息存储方案的比较

高密度数字全息存储方案的比较

黄明举，徐国定，顾玉宗，毛艳丽，丁菲

（河南大学物理系，河南开封475001）

摘要：介绍了全息存储的基本原理，总结了多种实现高密度海量全息存储的复用方案，对这些方案进行了比较与评价.

关键词：全息术；高密度全息存储；复用技术

中图分类号：0438.1文献标识码：A 文章编号：1003-4978（2001）01-0006-04

收稿日期：2000-03-20

作者简介：黄明举（1965-），男，河南西峡人，河南大学副教授，在读博士.

The Schemes of High Density Digital Holographic Storage

HUANG Ming-ju,XU Guo-ding,GU Yu-zong,MA0Yan-Ii,DING fei

(Department of Physics,Henan Uniuersity,Kaifeng 475001,Henan,China )

Abstract:The schemes of high density hoIographic storage are systematicaIIy reviewed,with the comparison and comment on the advantages and probIems of these schemes.

Key words:hoIographic storageg high densityg muItipIexing method

0引言

随着计算机技术的飞速发展，人们越来越需要具有超大容量和超高速寻址能力的存储器，但在接近物理极限的情况下，现有的磁存储技术和光盘存储技术都不能满足人们的需要，全息技术由于其固有的可用多种复用技术实现海量存储和可并行读写实现超高速传输而引起了人们极大的兴趣，而其中存储方案的选择和

设计自然成为这方面研究的重点［1，2］.为了提高存储密度，

存储方案的设计和研究成为该项研究的最主要方面，人们根据全息存储的基本原理提出了多种方案［3-6］.本文系统的总结了这些存储方案各自的特点和使

用范围，指出了各个方案的优缺点及选择存储方案时应注意的主要问题.

1数字全息存储的基本原理

全息存储是基于全息理论的光学信息存储技术，全息技术的原理包含两个物理光学过程，即用干涉方法实现的波前记录和用衍射的方法实现的波前再现.波前记录即将激光照射于物体上，使其衍射光（物光或信号光S ）与另一束被称做参考光（R ）的相干光束相互干涉，然后用照相的方法将干涉花样记录于全息记录介质上，使之成为复杂的包含了记录光所有光学信息的光栅（称全息光栅），该过程在全息存储过程中通常叫做数据的记录或写入（Writing or Recording ）；波前再现即用记录时所用的参考光或其他适宜光波照射记录形成的全息光栅，光线通过全息光栅时的衍射或衍射光之间的干涉形成与物光相同或相似的光波，即实现了物光

的波前再现，重构了物体的再现像，这个过程又叫数据的读出（Readout ）

或取出.其基本原理光路图如图1所示.

图中Laser 是激光光源，BS 是激光分束器，SLM 是空间光调制器，CCD 是电荷耦合器件阵列，M 是反射镜，L 是傅立叶透镜，f 是透镜的焦距，D 是存储介质.记录过程即将SLM 产生的二进制光学图象数据页用全息技术存放于存储介质上；读出即用CCD 接受由介质衍射形成的原记录数据的过程.

第31卷第1期河南大学学报（自然科学版）VoI.31No.12001年3月JournaI of Henan University （NaturaI Science ）!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Mar.2001

黄明举等：高密度数字全息存储方案的比较7

2存储方案的原理与比较

虽然高密度全息存储的容量是海量的，但若无各种复用技术，仅靠傅里叶变换的“缩微”性质，其存储密度是不可能太高的，也不可能制造出海量存储器，为此人们根据全息存贮的基本原理，尤其是体全息的布拉格条件提出了各种复用技术———存储方案，这些复用技术一些是在同一部分介质存储多重全息图，大大增加了存储的密度，如角度复用技术和波长复用技术等，另一些允许充分利用存储介质的厚度、长度等几何尺寸进行多层全息存储或移位全息存储，如空间复用技术及移位复用技术等，这些方法增加了体材料的存储容量.

2.1空间复用技术

空间复用技术是为了增加体材料的容量，人们提出最早的复用技术是将数据页的傅里叶全息图记录在存储介质的不同空间区域，具体实现方法有两种：一种是将存储材料如晶体等的有效存储空间分成层状，如图2所示，然后可固定晶体用光偏转器（Deflectore）使光束在各层间偏转移动进行记录和读出，也可以使用移动晶体、固定光束的办法进行记录或读出［1］；另一种方法是针对盘状（Disk Type）存储材料，用旋转盘片（存储介质）的方法移位复用盘上的存储空间，如图3所示，当用于读写的光学装置（光学读写头）可相对盘片做径向移动时，则完全象现代光盘一样在盘状介质上实现读写，此时这种方法又叫移位复用技术［2］.

空间复用的优点是相邻全息图在空间不重叠，再现时数据页之间的串扰噪音可被避免，每个全息图的衍射效率均可以达到单个全息图存储所能达到的饱和（最大）衍射效率，另外这种方法光路简单，能充分利用存储介质的有效存储空间.我国研制的图书档案全息存储系统即采用了这种技术.其缺点是单独使用这种方法，不能增加介质的存储密度，影响容量，因此，现在的高密度全息存储往往是将空间复用技术与其它复用技术（如角度复用技术、波长复用技术、相位复用技术等）联合使用.

2.2角度复用技术

角度复用技术是基于布拉格条件提出的，根据布拉格条件，体全息光栅的衍射对角度具有严格的选择性，因此对厚全息图，人们在1975年就提出并实现了角度复用技术，经20多年的发展已经比较成熟.

角度复用技术即根据上述理论用改变参考光入射角度的方法在存储介质的同一空间区域上记录许多不同信息数据页面的全息图，当读出时，仍然通过改变参考光的角度来实现页面寻址和读出，其参考光角度的调整方法主要使用旋转反射镜或声光偏转器AOD（Acousto Optic Deflector），还有一些实验是通过机械的方法转动存储晶体而不改变物光和参考光的传播方向来实现角度复用，显然这种方法使物光和参考光相对存储