复用技术

光信息存储中的复用技术
摘要：随着信息技术的不断进步，人们所能获取并便用的数据和信息急剧增长，这使得人们对于信息的载体--存储技术提出了更高的要求: 更大的存储容量、更高的存储密度和更快的存取速度。

当然，这也是从事存储研究和生产的诸多研究人员和工程师们不断追求的目标。

随着信息技术的不断进步，人们所能获取并便用的数据和信息急剧增长，这使得人们对于信息的载体--存储技术提出了更高的要求: 更大的存储容量、更高的存储密度和更快的存取速度。

在各种未来高密度光存储技术中，全息光存储以其所具有的高存储容量、高存储密度、高信息存储冗余度和赶快存取速度等优点一直为人们所重视。

全息存储中的复用技术:
储中的复用技术是全息光存储所特有的技术特征，采用合理的复用技术可以有效地增加系统的存空间复用技术是将记录介质的二维平面划分成不同的区域，在每一个区域中单独存储一幅全息图。

空间复用技术是发展得最早的复用技术，主要适合于平面型记录材料，存储材料中的存储格式类似于硬盘和光盘。

空间复用技术的优点是：由于相邻的全息图在空间并不重叠，因此再现出的页面之间可以完全避免串扰噪声，每个全息图的衍射效率也都可以达到单个全息图所能达到的最大衍射效率。

单纯空间复用技术的主要缺点是不能充分利用存储材料的厚度来增加系统的存储容量，因此没有充分利用全
息存储技术的潜力实现最大存储容量，提高存储系统的性能。

方法1：固定读写光路，移动记录材料；方法2：固定记录材料，采用光束偏转器件和精心设计的光学系统，使物光和参考光同步地沿材料表面移动。

平面全息图的存储容量与其填充因子F成正比，且F的最大值为1，故其存储密度的最大值仍为1/ 2。

平面全息图的空间复用技术并不能提高存储密度。

但实际上，记录材料的面积往往大于单个全息图所需要的空间尺寸，采用空间复用技术能使填充因子F尽可能接近1，从而有效地提高存储容量。

空间复用技术是将记录介质的二维平面划分成不同的区域，在每一个区域中单独存储一幅全息图。

空间复用技术是发展得最早的复用技术，主要适合于平面型记录材料，存储材料中的存储格式类似于硬盘和光盘。

为了弥补空间复用技术的缺陷，人们提出了体积复用技术。

共同体积复用技术指的是在材料的同一体积中进行多重存储的技术。

全息存储的共同体积复用就是全息图K空间的复用。

复用技术的目的就是在波矢k空间中容纳尽可能多的光栅K矢量。

不同长度或不同方向的K矢量代表不同间距或不同取向的光栅。

厚的体积型记录材料，光栅的选择性较好，K矢量的空间不确定性较小，有可能存储较多的全息图。

体积复用技术分为三种：角度复用、位相复用和波长复用。

角度复用：体积全息图的角度选择性使不同的信息页面可以非相干地叠加在同一空间区域，存储在材料的共同体积中，相互之间用不同的参考光角度加以区别，这种复用方式称为角度复用。

记录时的物光可以是页面的傅立叶变换，也可以是成像光束。

每个全息图用各自不同的物光和参考光夹角写入和读出，但都采用固定的波长。

这是一种使用最早，研究最为充分的复用技术，它利用了体积全息图的角度选择性，使不同的信息页面可以互不相干地叠加在同一个空间区域内。

每幅全息图在记录和读出时所采用的物光和参考光的夹角都各不相同，但采用的激光波长是固定的。

对角度的调整可以通过旋转反光镜或声光偏转器来实现。

角度复用技术可以有效地增大存储容量，提高存储密度。

但角度复用存储的全息图数目越多，平均衍射效率就越低，并且由于串抗干扰的叠加将导致读出数据的信噪比下降，这些因素也影响和限制了角度复用技术可以实现的存储容量
角度寻址方式：
1使物光和参考光同步地相对记录材料的表面法线而变化；
2将两写入射光束之间的夹角固定而依次相对写入光束旋转记录材料
3固定一个光束的方向，依次改变另一个光束的方向
角度复用的存储容量：对于角度复用，按位计算的存储容量为每个全息图中存储的像素数目Mp与在共同体积中的角度复用方法所重叠的全息图数目Mang之积。

将Mang称为角度复用度。

根据体光栅的角度选择性，对于纯相位光栅，角度复用度的数量级为Mang=nd/ 。

实际中对存储容量的限制主要在于记录材料折射率调制度的有限动态范围和有限的参考光角度调节范围。

位相复用：为了克服角度复用技术串扰噪声较大的缺点，人们又提出了正交位相编码复用技术。

在这种复用技术中，参考光的波长和光束角度都是固定的，而位相编码一般使用确定性位相编码中的正交位相编码。

正交位相编码的概念是——每个全息图的参考光都是由一组平面波束的集合组成，对其中每个光束都进行纯位相调制，即相
对位相延迟非0即π。

每组这样的光束集合代表一个存储图像的地址，且和其它所有地址都正交。

读出信息时，只有该地址参考光束对应的全息图的衍射效率最大，而对于其它全息图则是相消干涉，理论上其衍射效率均为零。

因此，位相复用技术可以提高读出过程中全息图的衍射效率，增加读出数据的信噪比，并且可以使对存储数据的寻址通过改变光束的位相而不是改变光束的方向来实现，从而使寻址过程更快。

波长复用：由于全息图的再现对读出光的波长也十分敏感，所以波长复用也是全息光存储的主要复用方式之一。

波长复用也是基于全息光存储所具有的布喇格角选择性，只是此时每幅存储的全息图是与一个特定的光源波长相对应，记录和读出过程中参考光和物光之间的夹角保持不变。

体积全息图的波长选择性使不同的信息页面可以非相干地叠加在同一空间区域，存储在材料的共同体积中，相互之间用不同波长的参考光加以区别。

波长复用不考虑记录材料谱线的非均匀加宽，因而介质的全部激发中心对给定波长有均匀一致的响应，全息图对不同波长的鉴别来源于体全息的波长选择性。

对于绝大多数可以实现的几何配置，物光和参考光在介质内的折射角都小于45o。

此时反射全息图的波长选择性明显优于透射全息图，并且对写入光束角度的变化不很敏感。

为了获得较好的波长选择性，波长复用的体积全息存储适宜采用反射全息的光路。

在波长复用中，更多的是采用两写入光束接近相向入射的反射全息光路配置，称为正交波长复用。

在这种配置下，全息图不仅可得到最小的光谱带宽，
而且具有最优良的噪声特性。

相位编码复用：确定性位相编码是按照一定的方式编码(正交位相)。

参考光束有N个子光束组成，相互间的角度间隔大于布拉格选择角，用来记录所有的N个图像。

让物光束同时与所有N个参考光束相干涉，不过，每个图像的子参考光束和物光束之间的相对位相(0或 )要加以改变，位相的组合就代表这个图像的地址，这些二元位相码是正交的。

再现时，用携带有相对于给定图像地址的位相码的整个参考光束集来读出这些全息图，于是已存储的每一个全息图都有N 个再现光束，它们互相干涉。

相应于此给定图像的所有再现光束相涨干涉，得到最大的衍射效率；而其它图像会由于相消干涉而得到衍射效率极小值。

混合复用技术：实际可实现的存储容量除了受到记录材料有限动态范围的限制和噪声的限制外，还受到各种复用技术所要求条件的限制。

如：角度复用技术受到可实现的角度调节范围的限制；位相复用技术受到位相编码器件中可分辨像元数的限制（相邻像元在系统中对应的角间隔须不小于全息图的选择角）；波长复用技术受到可实现
的波长调谐范围的限制。

将任意两种或多种复用技术相结合成为混合的复用技术。

可分为共同体积的混合复用和大面积材料的混合复用
参考文献：
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王也;高密度体全息存储器的光学系统设计[D];北京工业大学;2006年
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张友宝;体全息存储系统的研究[D];哈尔滨理工大学;2006年
陶世荃王大勇江竹青等.光全息存储[M].北京：北京工业大学出版社,1998.157-164。