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1、全息技术及其应用全息技术及其应用 摘要：全息光存储技术是以全息图的形式将数据信息记录到存储材料中的一种新兴存储技术。由全息方法本身的物理特性所决定,它不仅保存了物光的振幅信息,而且还保存了其完整的空间位相信息。全息光存储虽然具有高存储容量、高读写速率、高可靠性等优点，但选用兼具性能、容量和价格综合优势的存储材料,实现合适的性能价格比仍是全息光存储技术大规模推广应用巫待解决的问题。本文介绍了全息光存储技术的研究历史与相关技术背景,对全息光存储的发展状况和应用潜力作简单的介绍，并对全息光存储技术的基本存储原理、系统构成、存储材料、复用方法和编码方式等方面做比较详细的阐述，并对几种具有代表性的全息光
2、存储系统进行了评述.关键词:全息光存储,存储材料，复用方法，编码方式引言随着信息技术的不断进步,人们所能获取并使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。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们对存储容量和速率等的要求,但这些存储手段正逐渐接近其物理极限。由于传统光盘存储受衍射分辨率极限的限制，既使采用更大数值孔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
3、度，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。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。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童、高存储密度、高信息存储冗余度和超快存取速度等优点一直为人们所重视。20世纪40年代末,英国科学家Denis Gabor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，激光器的出现使全息术应用于图像存储成为可能，激光因其良
4、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Van Heerden提出了全息数据存储的概念。20世纪70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著的进步，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巨大变革，同时也由于光电器件（如CCD
5、）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，该实验表明了用现成元件搭建数字全息光存储系统的可行性。1997年，美国加州理工学院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1mm厚的掺铁铌酸锂晶体中获得了密度为100bit/平方微米实验室利用相关复用技术在Fe:Linbo3晶体中实现了密度超过350bit/平方微米的全息存储.2001年IBM公司进行了存储密度为400bit/平方微米的实验.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
6、的Tatapstry追记型全息记录介质播放系统，该系统可以容纳30 min的非压缩数字HDTV视频内容，数据传输速率达160BIT/s。2007年1月 ，InPhase公司与德国厂商DSM签订了OEM协议，由后者制造其存储容量达300GB的Tatapstry300R全息存储驱动器。本文将对全息光存储的发展状况和应用潜力作简单的介绍，并对其基本存储原理、系统构成、存储材料、复用方法和编码方式等方面做比较详细的阐述。一 全息光存储技术的基本原理1.1基本物理原理 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(Spatial Light Modulator ,SL
7、M）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。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。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
8、。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；高动态范围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.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。1.2技术实现方法 全息光存储系统的主要组成部分包括光源、空间光调制器（SLM）、探测器阵列,以及变换透镜和相应的光学元件
9、等。系统的性能与这些组成部分的性能密切相关。另外还有复杂的光学系统，访问其它存储体的机械部件,控制系统的电子设备和实现编解码处理的存储通道等。全息光存储系统的组成：1、激光光源;2、SLM；3、光学整形元件；4、存储材料;5、探测器阵列；6光学变换透镜。光源：用于全息光存储系统的光源必须具有高度的空间和时间相干性，以便在要求的空间形成干涉图样,并在曝光时间内保持干涉图样的稳定，因此一般都采用激光作为光源.早期一般都使用体积庞大的气体激光器,其波长为514.5nm，输出功率高达5W。随着存储材料所需记录功率的下降,以及全息技术商品化的需要，人们逐渐使用微型LD双频泵浦全固体ND:YAG绿光激光器
10、,其波长为532nm，输出功率在100nW左右.空间光调制器：用于全息光存储系统的空间光调制器必须是二维的，但并不一定需要是彩色的。此外，对空间光调制器还要求其具有高对比度和快速转换能力。一般对比度能达到5:1就可以接受，越高当然越好.而帧转换速度则要求能够达到1000帧/s(,这样才能够达到100MB/s的数据传输率。探测器阵列：它是全息光存储系统的一个重要组成部件,用于接收读出的图像并生成相应电信号进入取阑、纠错和解调电路。目前，所有全息光存储系统中采用的都是CCD光电转换元件。CCD有线阵和面阵两种结构，在全息光存储系统中一般使用面阵结构的CCD器件，其主要的性能指标有：电荷转移效率、工
11、作频率、噪声、暗电流、光灵敏度、量子效率、分辨率和动态范围。此外，还需要考虑CCD器件和SLM之间的像素匹配程度，即如果SLM具有个像素，像素尺寸是m,那么理想情况下希望CCD器件也具有个像素,且像素尺寸为m。控制电路：驱动光学部件的复杂电路,以及编解码、纠错等电通道处理环节这些部分在整个全息光存储系统中起着不可替代的重要作用。在信源方面,需要存储的数字信息必须经过调制编码才能形成二维的数据页。而在系统的另一端，CCD器件探测到的图像信号只是伪数字信号,必须取闭值变为二值数据,再经过解调和纠错方能为人们所用。此外，在记录和读出时还要求计算、控制激光的功率、复用情况、曝光时间、对图像的处理以及纠
12、正图像失真等。这些都需要由控制电路加以快速、准确地控制，从而实现对数字信息的存储和准确读出。1。3关键技术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。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；高动态范围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和重铬酸盐明胶。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
13、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。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
14、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
15、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。二 全息光存储技术的研究进展 1.1技术进展美国斯坦福大学的HDSSWORN演示平台2000年,美国斯坦福大学为DAPRA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.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.利用脉冲倍频激光器（波长为532）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完成角度寻址，通过利用分辨率达25的平移台来
16、移动装有光盘的轴承，以对光盘的不同半径位置进行读写.同步系统使光盘不同角度位置重复寻址的精度超过10，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。1）傅里叶变换透镜，使像素的图像从SLM传送到CCD时失真小于1.5，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。光学设计以完全对称的方式进行，这样能获得最小的图像失真.系统的全息信道解码传输速率可达Gbits/s，使用次写入多次读取（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
17、（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移位复用技术。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Demetri Psaltis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（）作为介质，实现的全息存储具有选择性擦除和重写能力。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。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有几十微
18、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.IBM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
19、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平台能够在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。DEMON 1平台使用透射型SLM，采用812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
20、个缩小的像,这个SLM的像位于傅里叶变换透镜的前焦面上。DEMON 1平台使用反射式液晶，具有个像素，物光在进入SLM前首先要经过一对柱面光学元件进行切趾。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O3作为记录介质存储视频，并在DEMON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。1.2各种技术之间的比较1.3商业化前景目前，要真正实现全息光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
21、息光存储则不然。由于它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在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。三 未来的显示技术 基于有机电致发光(Organic Light Emitting Diode ,简称OEL）技术的显示器具有轻薄、可挠曲、自发光、高画质、省电等优点，它将成为未来高清显示器的发展的新趋势. 分为两种: 一种是（有机发光二极管）。基于
22、技术的显示器与相比较有一系列优点：如超轻、超薄(厚度低于毫米）、高亮度、广视角、自发光不需要背光源、响应速度快(是液晶的倍）、高清晰、低功耗、低温特性优良、制造成本低、可以实现柔软显示等，它将成为未来高清显示器发展的新趋势。以后的显示屏就能像纸一样轻薄柔软，卷起来带走，使用笔卷式的显示器将不再是好莱坞电影中的科幻情节了。 另一种是（,聚合物发光二极管)。摩天大楼的外墙用高清电视来装饰，家里的整面墙都用来欣赏电影和OLED想比,在超大尺寸、低成本上占有更大的技术优势。基于PLED的高分子材料有良好的热稳定性与机械性质，可以使材料完美得均匀分布于超大面积基板上，制造出大尺寸的显示器，只要喷印技术和
23、面板尺寸许可，显示器尺寸之大让现有的显示器望尘莫及。并且高分子PLED有着更低的驱动电压,其功耗非常低。 这里我们不能断定OEL就是未来显示技术的主流，但可以肯定的是，它表现出的薄膜化、可弯曲、低能耗、多功能等优越特性僵尸未来显示技术发展的方向.四 结论与当前的硬盘、光盘存储以及下一代的高密度光存储技术相比，全息光存储的巨大竞争力体现在它所具有的超大存储容量、超高存储密度和越快的存取速度等方面。全息光存储的研制目标就是希望能够实现TB量级的存储容量和1Gbps的数据传输率。随着人们在关键器件研发和新型存储材料研制方面取得的巨大进步，这一目标的实现并非遥不可及。事实上，Inphase公司和Opt
24、ware公司已经在这一领域中迈出了坚实的步伐，取得了令人瞩目的成就，同时更在全息光存储商品化的进程中取得了极大的进展. 当然，全息光存储的发展也还存在着诸多的难题，首当其冲的就是必须寻找一种同时兼具性能、容量和价格方面综合优势的存储材料，这也是全息光存储发展过程中必须解决的关键问题之一。其次，从加工生产方面来看，如何以较低的生产成本实现加工，特别是有关激光、空；和光调制器和探测器阵列的对准,对于工程人员来说依然是一个巨大的挑战。最后，要实现合适的性能价格比,全息光存储如果不够便宜，就难以找到市场，普通的PC机用户不会为了性能上一定的改善而付出高额的费用.因此，全息光存储只有在其价格降到一个合理
25、的水准，才能够在竞争激烈的市场上站住脚. 我们相信随着技术的发展，在不久的将来，人们终究会找到解决这些问题的方法，全息光存储也会走进千家万户，满足人们对于信息存储容量永无止境的需求。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计算机应用研究，2002,（4）：14162刘继桥，刘之景，王克逸近场光学高密度存储研究进展自然杂志，2002，24（6):330-3343郑光昭光信息科学与技术应用北京：电子工业出版社，2002：2762844吕乃光傅里叶光学北京：机械工业出版社，2006：288-2905陶世荃等编著全息存储北京：北京工业大学出版社,19986干福熹等编著数字光盘存储技术。北京：北京科学出版社,19986