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1、基于多物光的体全息存储技术基于多物光的体全息存储技术吴俊杰 王之元 董 勇 杨学军 冯权友 张百达（国防科学技术大学计算机学院 长沙 410073）（）A Volume Holographic Storage technology Based on Multi-Object-BeamWu Junjie, Wang Zhiyuan, Dong Yong, Yang Xuejun, Feng Quanyou, Zhang Baida（School of Computer Science, National University of Defense Technology, Changsha 410
2、073）摘摘 要要 三维体全息存储具有容量大、带宽高、可靠性高及内容寻址等优点。为了挖掘体全息存储的性能，人们使用各种各样的复用技术。不同于通过增加记录图像数目来提高记录密度的各种现有复用技术，这篇文章从提高记录每幅图像的数据量出发，提出了一种多物光体全息存储技术，以提高存储容量和存储带宽，发挥体全息存储的优势。文章从理论上分析推导出双物光体全息存储技术的正确性条件，并通过一个双物光体全息存储系统的例子验证和表现多物光体全息存储技术的价值。最后，文章分析讨论了多物光体全息存储技术与现有体全息复用技术的不同，讨论了多物光体全息存储技术提高体全息存储性能的本质。关键词关键词 体全息 多物光 双物光
3、 复用Abstract There are many advantages in the 3-D volume holographic storage technology, such as large capacity, wide bandwidth,high reliability and content addressability. We use many varied multiplexing to improve the performance of volume holographicstorage. Different from the current multiplexing
4、, which is based on increasing the amount of images stored, multi-object-beamtechnology proposed by this paper is based on enhancing the data size of every image. This paper analyzes the validity of double-object-beam technology in theory, and gives an example to show the value of multi-object-beam
5、technology. Finally, this paperanalyzes the difference between multi-object-beam technology and current multiplexing technology, explaining how to improve theperformance of volume holographic storage by the multi-object-beam technology.Key words volume holographic storage, multi-object-beam, double-
6、object-beam, multiplexing中图法分类号中图法分类号 TP333.4+21 引言引言当今是一个信息爆炸的时代，数据作为信息的载 体变得越来越庞大。伴随数据量的增加，数据存储技 术面临着诸多新的挑战，包括存储容量、存储带宽等 若干方面。二维面存储技术（如磁存储、传统光盘存 储和半导体存储等）仍在不断改进，以满足对存储系 统容量更大和访问更快等应用需求。不过，上述存储 技术正逐步接近其物理极限。因此，人们开始寻求解 决数据存储问题的新技术，体全息存储作为一种新型 的三维存储技术以其容量大、带宽高、可靠性高及具 有内容寻址等优点逐渐受到人们的重视，技术发展十 分迅速。体全息存储
7、技术是一种超越现有串行面式存储技 术的并行体式存储技术。该技术以激光器为相干光 源，以光折变材料作为记录介质，信息记录过程如图 1，读取过程如图 2。 记录数据时，包含信息的数据被调制在空间光调 制器（spatial light modulator，SLM）上，由一束激光 照射 SLM，产生包含数据的物光光束，物光光束与 同一激光源产生的参考光光束在记录介质中发生干 涉，形成体全息图并被记录下来。采用角度复用、波 长复用、位移复用等各种复用方法，可以在一个公共 体积内记录很多幅全息图，使之具有非常高的数据存 储密度。当需要读出某幅存储信息页时，用适当的参 考光照射全息记录介质，根据布拉格衍射定
8、理，衍射 光将以物光的强度和方向成像于探测器阵列表面，信息则被读出。laserobject beamReferenc beamSLMfourier lensfourier lensrecord mediumFig.1 Information recording of holographic storage图 1 全息存储的信息记录过程laserObject beamreference beamfourier lensfourier beamrecord mediumdetectorFig.2 Information reading of holographic storage图 2 全息存储的
9、信息读取过程近几年，体全息存储技术开始迈向商业化。2002 年，美国 InPhase 公司开发出直径为 12cm、容量为 100GB 的有机盘片3，2003 年该公司又推出数据传输 速率为 20MB/s、存储容量为 200GB 的存储器 Tapestry4。2002 年，美国 Aprilis 公司开发出直径为 12cm、存储容量为 200GB 的有机盘片，2003 年该公 司又推出数据传输速率为 75MB/s 的 Vulcan DHD 驱 动器5。2004 年，日本 Optware 公司基于现有 CD 和 DVD 存储技术，采用有机盘片材料，研制出大容量 的全息光盘（HVD）6。可以预计，在未
10、来 23 年内， 全息光盘的面密度有望提高到 1Tb/in2，数据传输速率 达到 200300MB/s。 除了使用各种现有复用方法在体全息存储材料中 记录多幅图像以外，增大存储每幅图像的数据量也是 挖掘体全息存储潜力的方法之一。本文提出一种基于 多物光的体全息存储技术，用于提高体全息存储每一 幅记录图像的数据量，在增加存储带宽的同时也极大 地增加了存储容量，有效发挥体全息存储的优势。 本文第二部分介绍多物光体全息存储技术；第三 部分给出双物光体全息存储的理论分析，验证多物光 体全息存储技术的可行性；第四部分介绍一个双物光 体全息存储的例子，验证和表现多物光体全息存储的 价值；第五部分研究比较多
11、物光技术与现有复用技术 的不同；文章最后分析了多物光存储技术的本质以及面临的技术难题，提出了解决思路。2 多物光体全息存储技术多物光体全息存储技术多物光体全息存储技术，就是使用多束物光同时 与一束参考光进行干涉，完成信息记录过程，如图 3。 再现时，使用对应的参考光照射体全息存储介质，同 时得到记录的多束物光波，完成信息读取过程，如图 4。object beam 1 reference beamrecord mediumobject beam 2object beam NFig.3 Data recording of holographic storage based on multi-obj
12、ect-beam图 3 多物光体全息存储数据记录过程object beam 1 record mediumobject beam 2object beam Nreference beamFig.4 Data reading of holographic storage based on multi-object-beam图 4 多物光体全息存储数据读取过程理论上，如果记录的多幅物光能够正确再现，就 能够线性增加记录的带宽和容量。 除了使用现有复用技术增加记录的图像数量以 外，提高记录每幅图像的数据密度也是增加体全息存 储带宽和容量的有效方法之一。目前，SLM 和探测 器还没有很高的数据密度，不
13、能在一幅图像中存储足 够多的信息，因此，它们的技术还不能够充分发挥体 全息存储的优势。多物光体全息存储技术能够有效弥 补目前 SLM 和探测器数据密度不足的缺点，进一步 发挥体全息存储的优势。3 多物光体全息存储技术正确性的理论分析多物光体全息存储技术正确性的理论分析多物光体全息存储技术的正确性依赖于是否能够 正确再现记录的多束物光波，本章通过理论分析推导 出保证多物光体全息存储技术正确性的条件。为简单 起见，这里只考虑两束物光进行记录和再现，并且不 考虑透镜的傅里叶变换效应（对于使用了透镜的傅里叶变换全息图也将有类似的结论） 。 设传播到记录介质上的物光 1 和物光 2 的波前为1111(
14、, , )( , , )exp2 ()x y zO x y zjxyz =+1O22222( , , )( , , )exp2 ()x y zO x y zjxyz =+O其中 O1是物光 1 的复振幅，O1是物光 1 的实振 幅，O2是物光 1 的复振幅，O2是物光 2 的实振幅， 1=cos11/，1=cos12/，1=cos13/，2=cos21/， 2=cos22/，2=cos23/，11、12、13是物光 1 传播 方向关于 x、y、z 坐标轴的方向角，21、22、23是 物光 2 传播方向关于 x、y、z 坐标轴的方向角，是 物光和参考光的波长。 参考光的波前为( , , )exp
15、2 ()x y zRjxyz =+R其中 R 是参考光的复振幅， R 是参考光的实振幅， =cos1/，=cos2/，=cos3/，1、2、3是参考 光传播方向关于 x、y、z 坐标轴的方向角。 则被记录的总光强为2 12222 1212121212122121211( , , )( , , )( , , )( , , )( , , )( , , )( , , )( , , )exp2 ()()() ( , , )( , , )exp2 ()()() ( , , )exp2 (x y zx y zx y zx y zROx y zOx y zO x y z O x y zjxyzO x y z O x y zjxyzRO x y zj =+=+IOOR111222211112222)()() ( , , )exp2 ()()() ( , , )exp2 ()()() ( , , )exp2 ()()() xyzRO x y zjxyzRO x y zjxyzRO x y zjxyz +记录介质的作用相当于一个线性变换器，它把曝 光期间内的入射光强线性地转换为显影后负片的振幅 透过率，振幅透过率 t 为00022 1212121212122121211( , , )( , ,
