存储革命----体全息存储技术

存储革命----体全息存储技术

体全息存储技术

导读二维面存储技术如磁存储、传统光盘存储和半导体存储等仍在不断地改进以满足对存储系统更大和更快等要求,然而这些存储手段正逐步接近其物理极限。为了寻求更能满足人们需求的存储技术，三维存储技术出现了。其中广受欢迎的就是体全息存储。大家对于'全息照相'应该还有些印象吧？这种技术利用了人类掌握的激光技术，让用户拍摄出完整的三维影像成为可能，真实反映了拍摄物体的全部信息，而不是过去只体现物体一面的二维数据。在基础原理上，全息存储与全息照相完全相同，同样是利用了光的干涉原理。与其它存储技术不同，全息存储技术并不仅仅利用介质表面，它通过在整个存储介质内记录干涉图案来存储数据，这些干涉图案是由两束激光在某种晶体上相交来改变材料的光学特性所形成。发展历史

40年代末，Dennis Gabor发明了全息术,并将其应用于X光图像的放大处理。60年代初，激光的出现使全息术有望应用于图像的存储和读出，此时Van Heerden提出了全息数据存储的概念。早在70年代,人们就已设计出许多有潜力的全息存储系统。鉴于当时的技术状况，全息存储器的实用化进程较为迟缓。进入上世纪90年度，特别是从1995年到2000

年，全息存储迎来了研究热潮，进入实验室密集研究阶段。巨量高速存储及光计算研究的兴起，使全息存储再次成为研究热点。伴随着新型优良体全息记录材料以及相关光电子元器件的发展，体全息存储技术的研究面临着重大突破。在美国国家存储工业联合会主持下，由美国DARPA、IBM、斯坦福大学等共12个单位联合成立了协作组织，实施了两个全息数据存储项目，随后，许多体全息存储与应用系统先后问世。全世界研究所、高校纷纷开展研究，发表论文无数，并出版专著。2000年以后，体全息开始迈向实用化和商用化研究阶段。美国通用、日本索尼、日立等大公司纷纷开展体全息商用化的研究，欧美日也先后出现了以体全息存储为核心技术的商业化公司，如美国的InPhase（现在为Akonia Holographics），日本的Optware等，并推出了原理样机。

基本原理

前面说过，全息存储与全息照相原理类似，是一种光波记录方法，涉及两个过程和两路光波。两个过程为干涉记录与衍射读取，两路光波为参考光和信号光。在磁存储和传统的光盘存储中，一个信息位是由介质表面物理性质的改变，如消融的凹点或磁畴的翻转等来表示的。而在体全息存储中一个信息位分布在整个记录体中。在记录介质上没有同信息位一一对应的微小元素。一整页的信息是以光学干涉图样的形式一次记录在厚的感光光学材料中的。这个干涉图样是由两束

相干激光束在存储材料中相遇形成。通常这两束光是由一束激光分离而成,第一束称为物光（信号光），携带有欲存储的信息。第二束称为参考光，要求简单易于复制,一般采用传播中没有汇聚和发散的平面波。光学干涉图样引起感光材料发生化学或物理变化。感光材料在吸收率、折射率或厚度上相应的变化就作为干涉图样的复制品存储起来，这种记录结构包含记录时物光和参考光的幅度和相位信息。记录时，参考光与待记录的信号光在存储介质中相遇并发生干涉，改变介质的光学性质，比如折射率分布，形成相位调制体光栅，从而将信号记录在介质中。读取时，利用之前记录的参考光照射存储介质，由于相位调制体光栅的衍射效应，在原信号光方向获取再现出的信号光，完成数据的读取。利用体光栅的布拉格选择性，可以在存储介质的同一位置利用不同的参考光存储多幅数据，而且每个数据页都可以独立读出，实现存储空间的复用。

体全息存储技术原理图(左图为数据记录过程：参考光Reference与物光Object在存储介质Holographic Media中相遇干涉，改变介质光学特性，完成数据记录。右图为数据读取过程，参考光照射存储介质，基于衍射原理读出之前记录的物光信息。参考光的角度可以变化，实现复用)技术特色

体全息存储技术有以下特点：（1）立体式存储，存储密度高，其理论体存储密度可达V/l3量级，其中V为存储介质的体

积，λ为记录光波波长。对于1 mm厚的材料，其等效面存储密度可达40 Tb/in2。（2）并行读写，传输速度快。信息以数据页（data page）为单位进行读写，因而具有极高的数据传输率，其极限值主要由电光与光电转换器件（SLM及CCD）来决定，数据传输率将有望超过1 GB/sec。传统的二维面存储可以采用多层的方式向三维体存储迈进，但读取方式很难实现向二维的迈进，这是体全息存储相比其他存储技术的显著优点。（3）相关寻址，读出的信号光强度与读写使用的光场的相关性成比例，可用于图像相关检索、地形匹配、图像识别等领域。国内方面，清华大学从90年代开始持续跟进，研究了多种原理样机，发表大量高水平论文。于此同时，北京工业大学也持续开展了相关研究，取得了显著的进展，研究了多种原理样机，出版了体全息存储专著。近几年，北京理工大学在同轴全息存储技术发明人谭小地的带领下，持续开展了全息存储技术的研究工作，并提出基于相位与振幅编码的同轴体全息存储系统，如下图所示。现阶发展

伴随数据时代的到来，社会对存储能力的需求越来越高，而与此同时硬盘技术也遭遇了技术瓶颈，存储密度不断提升的摩尔定律也失效，给体全息存储的复兴带来了曙光。Facebook 公司对目前多种存储技术的对比研究也表明光存储在数据

长期保存成本和能耗方面最具优势，于2016年1月宣布与日本松下合作研发光存储技术，存储长期不用并很少访问的

数据（冷数据），以降低海量数据的存储成本。目前，体全息存储试验样机演示的最大存储密度大致为2.4 Tb/in2（1 mm厚存储材料），该值比理论极限值40 Tb/in2小一个数量级，如何在现有角度复用、移位复用等技术的基础上进一步增加可存储变量的自由度是当前一个研究热点，主要采用的思路是利用光波的相位特性和偏振特性。虽然使用相位和偏振能够增加体全息存储的操控维度，带来一些独特特性，但是使用相位与偏振特性能够增加存储密度，解决存储密度瓶颈问题，还有待进一步研究。存在问题

体全息存储技术的存储容量，存储和读出速率,器件的简洁性,存储数据的稳定性，用户误码率，所有这些特性在很大程度上都受到存储材料性能的限制。必须要在可利用的材料及最忧性能间进行折衷。所以体全息存储的中心问题是开发合适的材料。再一个核心问题就是噪声，因此，材料的散射噪声也是一个不可忽视的问题。任何新的存储技术都必须同市场上已经成熟的技术进行竞争。大数据的存储呼唤新的存储技术，体全息存储技术经过半个多世纪的发展，技术持续创新，使在一张光盘上存储数TB数据的梦想距离现实又近了一步，这种前所未有的数据存储技术优势，将为电子信息产业带来质的飞跃。参考文献：[1] 李伟,谢长生,裴先登. 体全息存储技术[J].光学技术，2001, 27(3):283-288[2] 李建华,刘金鹏,林枭,刘佳琪,谭小地. 体全息存储研究现状及发展趋