体全息存储技术

光学体全息存储的特点
▪ 存储密度高 理论存储极限为1/λ3, 约为1012bits/cm3 远大于磁存储108bits/in2的理论极限
▪ 数据并行传输 信息以页为单位，并行读写，因而可具有极高的数 据传输率，其极限值将主要由I/O器件（SLM 及 CCD）来决定。目前多信道 CCD 探测阵列的运行 速度已可达 128MHz，采用巨并行探测阵列的全息 存储系统的数据传输率将有望达到 1Gbyte/sec
和第一种情况相似,透射光为:
O(x,y)I(x,y) =O(x,y)|O(x,y)|2+O(x,y)|R(x,y)|2+|O(x,y)|2R(x,y)+O(x,y)O(x,y)R*(x,y)
全息的分类:
根据全息记录的波前和原物体发出的波前的关系,全息主要 分成以下三类: ➢菲涅耳全息:记录波前是物体发出波前的菲涅耳衍射波前; ➢傅立叶全息:记录波前是物体发出波前的傅立叶变换结果; ➢像面全息:记录波前是物体发出波前所成的几何像面.
光学体全息存储的特点
▪ 寻址速度快 参考光可采用声光、电光等非机械式寻址方 式，因而系统的寻址速度很快，数据访问时 间可降至亚毫秒范围或更低。例如，美国 Rockwell 于2000年的存储100MB的系统都是 利用声光调制器来实现小于50微秒的寻址功 能，而传统磁盘系统的机械寻址需要10毫秒。
光学体全息存储的特点
空间复用技术
▪ Inphase 公司的 Holographic Disk系统
散斑复用方式
▪ 什么是散斑？ 光波经受介质的无规散射后，其散射 场呈现的无规分布的斑纹结构
Signal beam S0(r)
static
X
Z
Holographic medium
Δdynamic
TY
Aw(r0)
2(z0) dL
传输率 密度 容量
信息时代的光存储
▪ E.g. 一页A4文件 一页A4彩色图象 一分钟高清晰录像
2KB 5MB 40MB
▪ 信息存储要求的快速发展导致了光存储技术 在全世界各国竞相研究
▪ 同时，光通信网络的快速发展也要求有相应 的光存储设备来支持全光信息交换
光存储技术V.S.磁存储技术
▪ 数据存储密度高，容量大，携带方便 E.g. Compact Disk，Digital Versatile Disk
性存储信息，并利用相应的输入输出器件(SLM, CCD)实现 信息的记录和读出
全息记录过程(波前记录)
参考光波前
R(x,y)
物光波前
O(x,y)
记录介质
记录介质处干涉场强分布:E(x,y)=O(x,y)+R(x,y)
记录介质为光强记录介质,根据光强和场强的关系:
I(x,y)=|E(x,y)|2=E(x,y)E*(x,y) =|O(x,y)|2+|R(x,y)|2+O(x,y)R*(x,y)+O*(x,y)R(x,y)
▪ 1000幅人脸图象的快速相关 识别
▪ 体积400×400×150mm
体全息的实用化进程
▪ 英国的Polight公司
• 技术来源于剑桥大学化学系的科 研成果；
• 在一个120mm的标准盘片上存 储容量为10 Tbytes；
• 读写速率超过6Gb/sec ； • Holodiscs™ &Holonides™； • 从2003年开始提供商用产品；
θ
θ
θθ
光栅读出必须满足 布喇格条件 ：
2sin
物光
记录介质
参考光
布拉格光栅的记录
布拉格角度选择性
光栅
透射波
入射
衍射波
布拉格光栅的读出
布拉格角度选择性公 式：
sin2 ( n1d ) cos
原始图像
0 位移存储读出 位移0.64微米读出
位移2.56微米读出 位移1.28微米读出 位移0.96微米读出
混合复用技术的进展
Bragg 相位匹 配
波面相关匹配
体全息存储复用技术
波长复用 角度复用
移位复用 相位编码复用 散斑复用
波长角度复用
移位角度复用
波长移位复用
波长相位编码复用
移位相位编码复用
散斑移位复用
数据保真技术
晶体存储系统示意图
▪ SLM（spatial light modulator)可以显示特定 的图案，入射光束经调制后形成含有图案信 息特性的记录光束。
误码率降低了2倍
图2c 编码解码后的 输出二值图
编码后误码率0.00565
体全息发展现状
体全息发展现状
▪ Stanford的HDSS (Holographic Data Storage System) 系统：容量>6Gb
HDSS by Stanford
读取系统照片 电子控制系统照片
HDSS by Stanford
光学体全息存储原理
光学体全息存储的实现及特点
▪
光学体全息存储的特点
▪ 数据冗余度高 信息是以全息图的形式存储在一定的扩展体积内， 因而具有高度的冗余性。在传统的磁盘或光盘存储 中，每一数据比特占据一定的空间位置，当存储密 度增大，存储介质的缺陷尺寸与数据单元大小相当 时，必将引起对应数据丢失，而对全息存储来说， 缺陷只会使得所有的信号强度降低，而不致引起数 据丢失。
全息再现过程情况一
重构光波前 (等于原参考光)
R(x,y)
原物光波前 O(x,y)
重构光波前 O(x,y)
当使用的参考光是平面波 时:
➢透射光第一项和第二项 都表示参考参考光强度的 调制,方向沿着参考光方 向,不影响结果;
➢第三项和原物光成比例, 方向相同,是再现结果;
➢第四项表示和原物光共 扼并且受参考光方向调制 的光,不影响结果.
Random phase diffuser Reference beam
Diffuser
散斑复用方式
▪ 原理：利用不同散斑场实 现不同数据页的寻址 特点：由于散斑场的相关 长度很小，可以获得其他 复用方式无法比拟的选择 性，大大提高存储密度
▪ 与角度复用方式的比较： 可以将灵敏度提高一个数 量级
红色：散斑复用的选择性 蓝色：角度复用的选择性
▪ 因此，在进行读出图象处理之前，需要采取 一系列方法来降低误码率，如：减背景、均 衡化、随机编码等。
图1a 输入随机图
图1b CCD接收原始图 原始误码率0.0143
误码率降低了5倍
图1c 减背景后的图 减背景后误码率0.0029
图2a 输入权重编码图
图2b 未编码时的 输出二值图 原始误码率0.0143
记 录 信 息 重 构
像面全息的记录与重构:
参考光波前 R(x,y)
物体O(x,y)
像面记录
记录介质记录物体经过透 镜成像之后的波前;
L
L’
1/L+1/L’=1/f
记 录 信 息 重 构
体全息存储的Bragg 条件
K1 K
K1
K2
K
K2 K
K1
K2
K = K2 - K1
K2 K
K1
K2 = K + K1
光学体全息相关识别的特点
特点：
➢ 具有关联寻址（页面并行处理）； ➢ 速度快。
1000幅人脸图像库(局部)
1000幅经子波变换的人脸图像 库(局部)
二维关联寻址结果
20×50
➢ 使用角度-分维复用技 术,在晶体的同一位置 存储了1000幅人脸图 像
➢ 采用递减曝光时间序列 均衡衍射效率
➢ 短路光伏电压以抑制光 伏效应的影响
菲涅耳全息的记录与重构:
菲涅耳波前记录 记录介质记录物体经过菲 涅耳衍射之后的波前;
记录信息重构
傅立叶全息的记录与重构:
参考光波前 R(x,y)
物体O(x,y)
f
记录介质 f
傅立叶波前记录
记录介质记录物体经过傅立叶 变换之后的波前.
这里透镜对物体发出的波前的 作用相当于对物体波前进行傅 立叶变换;
由于记录介质的透过率和光强成正比,所以透射光为:
R(x,y)I(x,y) =R(x,y)|O(x,y)|2+R(x,y)|R(x,y)|2+|R(x,y)|2O(x,y)+R(x,y)R(x,y)O*(x,y)
全息再现过程情况二
重构光波前 (等于参考光)
R(x,y)
原物光波前 O(x,y)
重构光波前 R(x,y)
体全息存储技术简介
主讲人：何庆声教授 Tel:62782334
Mail:heqs@
信息时代的光存储
▪ 21世纪人类进入了信息社会，而且信息的多 媒体化对信息的处理能力提出了很高的要求
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1990 2000 2005 2010 年
归一化衍射效率
偏移位置（微米）
光折变效应：
当一个适当波长的光入射到晶体上时，晶体 内的施主（或受主）被电离，产生了电子 （或空穴）。这些光生载流子在晶格中移动， 在新的位置上被俘获，所形成的空间电荷分 布在晶体中产生了电场强度分布，这一电场 产生电光效应，从而引起了晶体的折射率变 化。
几乎在所有的电光材料中，都观察到了电光 效应，例如晶体材料LiNbO3、LiTaO3、 BaTiO3，陶瓷材料(PbLa)(ZrTi)O3，半导体材 料GaAs、InP、CdS以及有机材料COANP、 bisANPDA等都能产生显著的光折变效应。
光存储技术发展现状
▪ 光谱烧孔技术 利用分子对不同频率的吸收率不同来识别不 同的分子，实现一个分子记录一位信息
▪ 电子俘获光存储 利用电子的俘获和释放原理 存储密度高，寿命长