全息光存儲實際上還是一�光盤存儲技�(shù),采用復(fù)用技�(shù),可大幅度地提高 存儲容量和系�(tǒng)性能。在各種未來高密�光存儲技�(shù)�,全息光存儲以其所具有的高存儲容量、高存儲密度、高信息存儲冗余度和超快存取速度等優(yōu)點一直為人們所重視�
全息光存儲的存儲容量、傳輸速度、存儲數(shù)�(jù)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)體積都受制于存儲材料,因�。研制開�(fā)合適的存儲材料是全息光存儲中最為關(guān)鍵的問題之一�
對全息光存儲材料性能的要求是高的光學(xué)�(zhì)�、折射率變化大、高靈敏度和�(wěn)定的存儲性能。存儲材料所具有的高的光�(xué)�(zhì)量和低散射性可以保證攜帶數(shù)�(jù)信息的物光波前不失真,并可以使來自散射光的噪聲變得容易處理。折射率變化大可以保證有足夠的動�(tài)范圍以復(fù)用多幅全息圖,同時為了充分利用布喇格效應(yīng)實現(xiàn)�(fù)用,以提高存儲容�,也希望存儲材料能夠具有一定的厚度。高靈敏度可令存儲材料在一定激光功率下反應(yīng)速度更快。而穩(wěn)定的存儲性能則可以使存儲�(shù)�(jù)在后�(xù)讀出或者存儲其它數(shù)�(jù)時避免被破壞�
到目前為止,人們常用的全息存儲材料包括:銀鹽材�、光致抗蝕劑、光�(dǎo)熱塑材料、重鉻酸鹽明膠(DCG�、光致聚合物。光�(shù)變色材料和光折變材料。下面我們將就這些材料分別作簡單的介紹�
銀鹽材料是傳統(tǒng)的全息記錄材�。超微粒的銀鹽乳膠有很高的感光靈敏度和分辨率,有較寬廣的光譜靈敏范圍,并已重�(fù)性好、保存期�,具有很強的通用性。它既可以用來記錄振幅型全息圖(曝光加顯影過程),也可以記錄得到高衍射效率的位相型全息圖(曝�、顯影,然后進行漂白處理�。目�,超微粒的銀鹽乳膠已�(jīng)具有成熟的制備技�(shù),并具有可靠、穩(wěn)定的商品化產(chǎn)品——全息干板。銀鹽材料的缺點主要在于:不能擦除后重復(fù)使用,濕顯影處理程序較為繁瑣,且對于位相型全息圖,其較高的衍射效率卻往往帶來噪聲的增加和圖像�(zhì)量的下降�
光致抗蝕劑是一種可以制備浮雕型位相全息圖的高分子感光材�。這種材料也可以旋涂在基片上制成干�,光照射�,抗蝕劑中將�(fā)生化�(xué)變化,且隨著曝光量的不同,發(fā)生變化的部分將具有不同的溶解�。選用合適的溶劑顯影,便可制成表面具有凹凸的浮雕相位型全息圖。光致抗蝕劑有正性和�(fù)性兩種類�。負(fù)性光致抗蝕劑在顯影過程中,溶劑將腐蝕掉未曝光部分的材�。為了獲得較好的圖像�(zhì)量,需要對�(fù)性光致抗蝕劑進行足夠曝光,但這往往與全息圖成像的曝光量相矛�,從而使�(fù)性光致抗蝕劑存儲的全息圖的精�(xì)線條往往由于曝光量不�,而在顯影時被腐蝕掉,影響全息圖的�(zhì)�。正性抗蝕劑的曝光和顯影特性與�(fù)性抗蝕劑正相�,故使用正性抗蝕劑可以克服上述困難而獲得高�(zhì)量的全息�。采用光致抗蝕劑來記錄全息圖有著令人看好的應(yīng)用潛�,因為在全息光存儲中的只讀存儲方面,采用這種方法記錄的全息圖可以鑄模制成�(biāo)�(zhǔn)母盤,實�(xiàn)大批�、低成本的復(fù)制生�(chǎn)�
光導(dǎo)熱塑材料是另一種記錄浮雕型位相全息圖的記錄材料,是在電照相基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全息記錄材料。但由于其分辨率不夠�,且高質(zhì)量導(dǎo)電薄膜制造困�,因此應(yīng)用有��
重鉻酸鹽明膠(DCG)是在明膠中浸入Cr2O2-7離子�(gòu)成的位相型全息記錄材�。它的光�(xué)性能良好,典型膜厚為10�3μm,被光照的部分不會變�,因此再�(xiàn)全息圖也不吸收光,是一種理想的位相型全息記錄材�。DCG可分為未硬化和硬化兩�。未硬化� DCG記錄的全息圖的衍射效率只�30%,沒有充分體現(xiàn) DCG材料的優(yōu)�。采用硬化DCG記錄的折射率�(diào)制型全息圖具有良好的光學(xué)性質(zhì),分辨率�(dá)到理論值的90�,且背景散射小于信號�10-4。DCG材料的缺點在于:再現(xiàn)性差,即感光層從曝光到顯影影像出�(xiàn)失真;光譜敏感范圍有�;感光度較差;對空氣的濕氣抵抗力差等。即便如�,由于其在光�(xué)性能上的�(yōu)越�,核材料依然被廣泛應(yīng)用于全息存儲、各種全息元件的制作等方靀�
光致聚合物是近來在全息存儲材料領(lǐng)域的一個研究的熱點。光致聚合物主要由單�、聚合體和光敏劑組成。記錄光照射聚合物后,光敏劑被激�(fā),并引發(fā)曝光過程;然后,自由基引�(fā)單體分子聚合,在材料中形成位相型全息�。光致聚合物具有較高感光靈敏�、高分辨�、高衍射效率以及高信噪比,可用完全干法處理及快速顯�,記錄的生息圖具有很高的幾何保真�,并易于長期保存。光致聚合物的本要缺點在于其體積容易受到影響而發(fā)生變�,這一直是阻礙光致聚合物材料在全息光存儲中實現(xiàn)�(yīng)用的主要問題。如果能夠解決這一問題,光致聚合物將是一種非常理想的全息光存儲材��
光致變色材料也可以用于全息光存儲,這是由于光致變色膜層�(nèi)的分子極化特性發(fā)生改�,會�(dǎo)致膜層折射率的變化。尤其記錄波長與介質(zhì)吸收譜非共振�,膜層內(nèi)部可�(chǎn)生顯著的折射率變化。因�,這種條件下光�(shù)變色材料也可以看作是位相型全息光存儲材料。光致變色材料具有無顆粒特征,分辨率僅受記錄光波長和光學(xué)系統(tǒng)的影響。但是光致變色材料存儲的全息圖的衍射效率并不�,這也限制了核材料在全息光存儲�(lǐng)域的�(yīng)用�
光折變材料是另一種優(yōu)良的全息光存儲材�,目前在全息光存儲領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)�。光折變材料是通過光折變效�(yīng)來存儲全息圖的,即當(dāng)受到非均勻的光強度照射時,材料局部折射率的變化與入射光強成正�。光折變材料具有動態(tài)范圍�、存儲持久性長、可以固定以及生長工藝成熟等�(yōu)點,且有機光折變聚合物也沒有光致聚合物的體積變化問題,因�,從目前的研究情況看,光折變材料非常適合于全息光存儲。光折變材料主要有無機存儲材料和有機存儲材料兩類。常見的光折變無機材料主要有摻鐵鉛酸鉀晶體(LiNO3:Fe�、鈮酸鍶鋇(SBN�、和鈦酸鋇(BaTiO3�;而常見的有機光折變聚合物則有PMMA:DTNB:C60和PQ/PMMA等�
存儲中的�(fù)用技�(shù)是全息光存儲所特有的技�(shù)特征,采用合理的�(fù)用技�(shù)可以有效地增加系�(tǒng)的存儲容�,提高存儲系�(tǒng)的性能。全息光存儲中的�(fù)用技�(shù)主要包括空間�(fù)�、體積復(fù)用和混合�(fù)用三大類�
空間�(fù)用技�(shù)是將記錄介質(zhì)的二維平面劃分成不同的區(qū)域,在每一個區(qū)域中單獨存儲一幅全息圖??臻g�(fù)用技�(shù)是發(fā)展得最早的�(fù)用技�(shù),主要適合于平面型記錄材�,存儲材料中的存儲格式類似于硬盤和光�??臻g�(fù)用技�(shù)的優(yōu)點是:由于相鄰的全息圖在空間并不重疊,因此再�(xiàn)出的頁面之間可以完全避免�?dāng)_噪聲,每個全息圖的衍射效率也都可以達(dá)到單個全息圖所能達(dá)到的衍射效率。此�,由于存儲的所有全息圖都可以采用相同的參考光角度,因此系�(tǒng)的光路設(shè)計和�(gòu)架相對簡�。單純空間復(fù)用技�(shù)的主要缺點是不能充分利用存儲材料的厚度來增加系統(tǒng)的存儲容�,因此沒有充分利用全息存儲技�(shù)的潛力實�(xiàn)存儲容量�
為了彌補空間�(fù)用技�(shù)的缺�,人們提出了體積�(fù)用技�(shù)。體積復(fù)用技�(shù)分為三種:角度復(fù)�、位相復(fù)用和波長�(fù)用。下面我們分別進行介紹�
角度�(fù)用:這是一種使用最�,研究最為充分的�(fù)用技�(shù),它利用了體積全息圖的角度選擇�,使不同的信息頁面可以互不相干地疊加在同一個空間區(qū)域內(nèi)。每幅全息圖在記錄和讀出時所采用的物光和參考光的夾角都各不相同,但采用的激光波長是固定�。對角度的調(diào)整可以通過旋轉(zhuǎn)反光鏡或聲光偏轉(zhuǎn)器來實現(xiàn)。角度復(fù)用技�(shù)可以有效地增大存儲容量,提高存儲密度。但角度�(fù)用存儲的全息圖數(shù)目越多,平均衍射效率就越�,并且由于串抗干擾的疊加將導(dǎo)致讀出數(shù)�(jù)的信噪比下降,這些因素也影響和限制了角度復(fù)用技�(shù)可以實現(xiàn)的存儲容��
位相�(fù)用:為了克服角度�(fù)用技�(shù)�?dāng)_噪聲較大的缺�,人們又提出了正交位相編碼復(fù)用技�(shù)。在這種�(fù)用技�(shù)�,參考光的波長和光束角度都是固定�,而位相編碼一般使用確定性位相編碼中的正交位相編碼。正交位相編碼的概念是——每個全息圖的參考光都是由一組平面波束的集合組成,對其中每個光束都進行純位相調(diào)制,即相對位相延遲非0即π。每組這樣的光束集合代表一個存儲圖像的地址,且和其它所有地址都正�。讀出信息時,只有該地址參考光束對�(yīng)的全息圖的衍射效�,而對于其它全息圖則是相消干涉,理論上其衍射效率均為零。因�,位相復(fù)用技�(shù)可以提高讀出過程中全息圖的衍射效率,增加讀出數(shù)�(jù)的信噪比,并且可以使對存儲數(shù)�(jù)的尋址通過改變光束的位相而不是改變光束的方向來實�(xiàn),從而使尋址過程更快�
波長�(fù)用:由于全息圖的再現(xiàn)對讀出光的波長也十分敏感,所以波長復(fù)用也是全息光存儲的主要復(fù)用方式之一。波長復(fù)用也是基于全息光存儲所具有的布喇格角選擇�,只是此時每幅存儲的全息圖是與一個特定的光源波長相對�(yīng),記錄和讀出過程中參考光和物光之間的夾角保持不變�
,談?wù)劵旌�?fù)用技�(shù)。混合復(fù)用技�(shù)就是將上述幾種復(fù)用方法結(jié)合使�,以便充分利用各種復(fù)用方法的�(yōu)點,提高系統(tǒng)的存儲容�。主要的幾種混合�(fù)用技�(shù)包括稀疏波長—角度復(fù)用、空間—角度復(fù)用以及空間—位相復(fù)用等�,在此不再贅述�
此外,隨著技�(shù)的發(fā)展,人們又提出了一些新型的�(fù)用技�(shù)。例如,1999年V.Markov等人提出的靜�(tài)散斑�(fù)用技�(shù)�2001年,清華大學(xué)提出了利用全息光存儲系統(tǒng)中隨機相位極自身位移�(chǎn)生的動態(tài)散斑實現(xiàn)的動�(tài)散斑�(fù)用技�(shù)�。相信隨著科技的不斷進步,會有更多的�(fù)用技�(shù)得到開發(fā)和應(yīng)用,從而可以更加充分地�(fā)掘全息光存儲的存儲潛力,實現(xiàn)大容�、高密度的數(shù)字存��
全息光存儲的目標(biāo)是要實現(xiàn)超大存儲容量、超高存儲密度和超快存取速度的數(shù)字信息存�,然而如果不采取有效的信號處理方法來抑制其記錄通道中存在的各種各樣噪聲,將�(dǎo)致讀出數(shù)�(jù)的誤碼率上升,系�(tǒng)的存儲容量下��
全息光存儲是一個有噪聲的數(shù)�(jù)記錄通道。研究表�,選擇不同的存儲材料、系�(tǒng)配置、復(fù)用技�(shù)以及并行�(shù)�(jù)訪問方案會導(dǎo)致全息光存儲系統(tǒng)記錄通道中主�(dǎo)噪聲的特征發(fā)生變化。噪聲按照來源分可以分為系統(tǒng)噪聲和非系統(tǒng)噪聲(全息圖噪聲�,按噪聲的特征分布可分為固定模式噪聲和隨機噪聲,按照全息圖的過程又可分為光通道噪聲和電通道噪聲。例�,系�(tǒng)噪聲源主要包括光�(xué)系統(tǒng)未準(zhǔn)直導(dǎo)致的噪聲、CCD與SLM在縱軸方向的旋轉(zhuǎn)、放大率誤差、透鏡的相�、SLM、存儲介�(zhì)、透鏡和CCD的缺陷、對SLM和介�(zhì)的不均勻照射、光致電壓損耗、頁間串?dāng)_和頁�(nèi)�?dāng)_等等�(dǎo)致的噪聲;而非系統(tǒng)噪聲源主要包括光電檢測器和讀出電子電路的熱噪�,光散射噪聲,相干散射噪聲和散斑噪聲��
電噪聲是一種加性噪�,其�(tǒng)計特性服從高斯分�。采用光盤存儲中使用的一維里�-所羅門碼限(Reed-Solomon,縮寫為RS碼)可以使原始誤碼率�10-3下降�10-12,從而滿足用戶對�(shù)�(jù)誤碼事的要求?;谌⒐獯鎯χ袛?shù)�(jù)頁對于傳�?shù)囊�?,人們對于RS碼用于并行錯誤糾正進行了研�,光通道中的噪聲往往都是突發(fā)性的,基于頁的二維匹配交錯方法可使突�(fā)錯誤分散,獲得良好的糾錯效果�
將數(shù)�?jǐn)?shù)�(jù)流調(diào)制為空間光調(diào)制器上的光強度變化,并使其限度地適應(yīng)光通道的傳輸特�,稱作調(diào)制編碼或者通道編碼。全息光存儲中常使用的調(diào)制編碼包括差分編碼、等重碼、局部響�(yīng)�(yù)編碼、灰度級編碼以及具有水平和垂直奇偶校驗特性的陣列�。對于差分碼的檢測判決時,利用其�(nèi)在隱含的局部門�,依次對CCD�(zhuǎn)換的兩位“模擬”數(shù)�(jù)比較其大�,然后做�0�1的正確判�,但差分碼的編碼效率僅為1�2。從目前的研究進展來看,陣列碼最有可能在全息光存儲中得到�(yīng)��
在全息光存儲系統(tǒng)中可以采用光信號處理技�(shù)也可以采用電信號處理技�(shù),當(dāng)然也可以同時采用兩種信號處理技�(shù)。光信號處理技�(shù)由于具有�(nèi)在的并行�,因此速度很快,但是系�(tǒng)的復(fù)雜性和成本也相�(yīng)增加;電信號處理技�(shù)相對比較成熟,但是速度比較�。為了減少讀取數(shù)�(jù)時電通道的瓶�,可從光電轉(zhuǎn)換開始將一個檢測陣列分成多�,實行并行處理以匹配光通道的速度�
與當(dāng)前的硬盤、光盤存儲以及下一代的高密度光存儲技�(shù)相比,全息光存儲的巨大競爭力體現(xiàn)在它所具有的超大存儲容�、超高存儲密度和越快的存取速度等方�。全息光存儲的研制目�(biāo)就是希望能夠?qū)崿F(xiàn)TB量級的存儲容量和1Gbps的數(shù)�(jù)傳輸�。隨著人們在�(guān)鍵器件研�(fā)和新型存儲材料研制方面取得的巨大進步,這一目標(biāo)的實�(xiàn)并非遙不可及。事實上,Inphase公司和Optware公司已經(jīng)在這一�(lǐng)域中邁出了堅實的步伐,取得了令人矚目的成�,同時更在全息光存儲商品化的進程中取得了極大的進展�
�(dāng)�,全息光存儲的發(fā)展也還存在著諸多的難題,首當(dāng)其沖的就是必須尋找一種同時兼具性能、容量和價格方面綜合�(yōu)勢的存儲材料,這也是全息光存儲�(fā)展過程中必須解決的關(guān)鍵問題之一。其�,從加工生產(chǎn)方面來看,如何以較低的生�(chǎn)成本實現(xiàn)加工,特別是有關(guān)激光、空;和光調(diào)制器和探測器陣列的對�(zhǔn),對于工程人員來說依然是一個巨大的挑戰(zhàn)�,要實現(xiàn)合適的性能價格�,全息光存儲如果不夠便宜,就難以找到市場,普通的PC機用戶不會為了性能上一定的改善而付出高額的費用。因此,全息光存儲只有在其價格降到一個合理的水準(zhǔn),才能夠在競爭激烈的市場上站住腳�
我們相信隨著技�(shù)的發(fā)�,在不久的將�,人們終究會找到解決這些問題的方法,全息光存儲也會走進千家萬�,滿足人們對于信息存儲容量永無止境的需��