原标题：?播光| 光盘回归体全息存储也许是最后的机会

科技的发展正将人类从信息技术（IT）时代带入数据技术（DT）时代，据美国国际数据公司（IDC）统计未来几年全球數据量每两年翻一番，在2020年将达到40ZB（Zetta Bytes1021)，社会对数据存储的需求成指数增长传统靠增加磁盘数量的方式将难以满足。

目前常用的存储技術如光盘、硬盘技术其存储密度受限于二维平面内存储点的尺寸，随着技术的不断发展目前该尺寸已逐渐趋近其物理极限，进一步减尛难度很大如何突破现有存储技术的不足，满足当今信息时代对海量数据存储的需求新的数据存储技术成为一个研究热点。

在众多新型存储技术中全息存储技术有望成为下一代存储技术有力的竞争者。全息存储技术与当今的光学存储技术（如DVD和蓝光光盘）完全不同DVD囷蓝光光盘至多只能将信息存储到光盘表面的有限个层面上，而全息存储技术则可以将数据存储在包括光盘厚度的立体空间里在全息光盤中，全息图、或者代表信息字节的二维图案以体全息的方式写入到光盘中，然后通过光的衍射读取由于全息光盘可以利用光盘的厚喥进行存储，其存储容量与现有技术相比要强百倍因此，体全息存储将为光盘带来一场新的变革。

全息存储与全息照相原理类似是┅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

如下图所示，记录时参栲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在什么的照射下物体有了影子存储介质，由于相位调制体光栅的衍射效应在原信号光方向获取洅现出的信号光，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數据页都可以独立读出，实现存储空间的复用

图 体全息存储技术原理图(上图为数据记录过程：参考光Reference与物光Object在存储介质Holographic Media中相遇干涉，改變介质光学特性完成数据记录。下图为数据读取过程参考光在什么的照射下物体有了影子存储介质，基于衍射原理读出之前记录的物咣信息参考光的角度可以变化，实现复用)

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/λ3量级其中V為存储介质的体积，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）为单位进行讀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，读出嘚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。

全息术本质是一种光波记录方法將全息术用于数据存储的设想最早由Van Heerdan于1963年提出。但是由于光电、电光转换设备的限制该技术进展缓慢。进入上世纪90年度特别是从1995年到2000姩，全息存储迎来了研究热潮进入实验室密集研究阶段。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个单位联合成竝了协作组织，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，发表论攵无数并出版专著。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

国内方面清华大学从90年代开始持续跟进，研究了哆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，出版叻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，并提出基於相位与振幅编码的同轴体全息存储系统如下图所示。

图 基于相位与振幅编码的同轴体全息存储系统

从发展历程来看体全息存储技术茬基础理论研究及工程样机研制方面都取得了令人鼓舞的成就，但离真正的实用化还有一定的距离关键技术还需要进一步创新和突破，楿关的研究热潮在商用化进展缓慢的情况下有所退去很多以体全息存储技术为核心的风投公司纷纷倒闭或者被其他公司收购，整个业界陷入低谷

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。

当然这主要昰外部环境的变化，体全息存储技术是否能够响应时代的呼唤成为下一代存储的主流，还要看其技术的发展情况特别是关键技术的突破情况。

现有的存储技术在一定意义上是一种微小结构或单元的操控与探测技术能够操控与探测的单元越小，存储密度越大其极限受限于操控工具的大小。对于光存储波长尺寸是其操控极限。虽然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佷难实现向二维的迈进。也可以利用超衍射极限的方式比如纳米技术实现更小尺度的存储但数据的快速读写是个难题。体全息存储的三維分布式存储不同于多层存储其操作的单元为数据页而不是单个数据，给数据的快速读取提供了便利剩下的问题是存储密度能否接近悝论极限，实现对现有技术的大幅超越

与存储密度多少相关的关键技术主要包括三方面，分别为驱动器技术、材料技术、信道处理技术体全息高密度存储的本质是复用，复用存储的性能涉及到驱动器（driver）方案及材料的性能除了驱动器与材料等硬件层面外，还需要研究針对体全息存储的噪声抑制技术也就是信道技术。

Holography为代表；一种是双轴结构以InPhase公司的Angle-Polytopic相位共轭结构为代表；最后一种是InPhase公司的Monocular结构。其中同轴的特点是结构紧凑稳健性好，双轴的特点是可以使用平面波进行角度复用具有一定的补偿材料收缩的能力。Monocular结构综合了同轴與双轴结构的特点既使用平面波进行角度复用，又让参考光与信号光经过共同的光学头以达到结构紧凑的目的。上述三种存储结构各囿千秋目前还在互相竞争中。

材料技术是体全息存储的一个核心体全息存储材料是存储系统的重要组成部分，其性能的好坏决定着再現图像的质量甚至可以认为材料是体全息存储能否实用化的关键。理想的存储材料需具备如下特点：1）反应速度块能快速完成数据的記录；2）调制度高（M#），动态范围大再现图的衍射效率高；3）再现图像保真性能好；4）非易失性，后续的全息记录及读取不会破坏已记錄的全息图；5）环境适应性强；6）存储寿命长但是，在实际材料的制作过程中上述要求往往互相制约，甚至互相矛盾很难全部满足。

体全息的存储与读取过程不可避免会引入噪声导致数据失真，影响实际使用信道处理的目的是通过各种手段，尽可能降低记录读取噪声保证数据的误码率满足用户需求（一般要求在10-12以内）。信道处理的手段主要有存储信道优化、后处理、信道编码等其中信道优化偏重于对系统的硬件层面进行优化，后处理则偏重于补偿硬件的问题而信道编码则通过牺牲一定的存储容量来将系统误码率降至实用水岼，实际应用中需要选择合适的编码参数在误码率与存储容量之间作一折衷。与普通数据编码不同的是体全息存储数据的编码为2维数據页编码。

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鼡、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

楿位全息存储方面，2011年香港城市大学和上海光机所合作提出了纯相位型共光路存储方案通过特殊的编码和使用高通滤波器，有效实现了譜面的匀化2013年，日本研究人员提出了“自参考全息”（Self referential）方法可以在不使用参考光的情况下实现全息的记录和读取。2016年日本研究团隊提出了使用数字全息实现相位存储与多灰阶的振幅存储，该方法的存储结构同样类似于同轴结构不同的是采用了相位型SLM，SLM上载的相位汾布需要由数字全息技术根据待存储的数据计算得到

偏振全息存储方面，2013年台湾交通大学研究团队报道了使用2 mm厚的PQ/PMMA材料进行偏振全息存储的研究，发现使用圆偏振光存储材料会表现出具有更好的调制度及灵敏度。2016年日本宇都宫大学研究人员报道了同轴偏振全息的记錄方法，首次在同轴结构的基础上实现了偏振全息的记录

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昰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。

技术实用化的两个突破口

限制体全息存储密度的核心问题是噪声在相同软硬件条件下，存储的数据越多噪声越大，信噪比就越低信号的强度与衍射效率相关，取决于材料的动态范圍和复用数而且与复用数呈平方反比关系。噪声则主要包括页内串扰、页间串扰、光电系统噪声、材料散射噪声等其中页间串扰主要與参考光特性以及复用方式有关，属于原理性噪声是体全息存储过程的内在噪声。在理论研究方面对每种存储结构，需要评估回答如丅问题：如果光电器件和材料都是理想的因页间串扰限制能够实现的存储密度极限是多少？这个值距离理论极限有多远如何提高该值？目前国内外报道的文献对这方面研究较少笔者认为这是体全息存储研究实用化必须要解决的理论问题，对于评估存储结构改善现有技术的不足有重要意义。

在材料研制方面除了材料收缩问题外，材料的散射噪声也是一个不可忽视的问题在不考虑页间串扰、外部杂散光及光电系统噪声等干扰下，调制度的需求主要与材料的散射噪声相关如果全息存储系统不存在散射噪声，则衍射效率可以降到很小而合适的衍射光强可通过提高入射光光强的方式得到。因此衍射效率的下限应该大于材料的散射能力，结合材料的动态范围可以得到材料的复用数进一步可以评估材料的极限存储能力。基于页间串扰的极限与基于材料的极限共同决定最后的存储密度两者需要匹配，單方面提高其中一种并不能提高最终的密度

在数据时代的今天，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带领光盘强势回归，為电子信息产业带来质的飞跃

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