體全息存儲技術
導讀
二維面存儲技術如磁存儲、傳統光盤存儲和半導體存儲等仍在不斷地改進以滿足對存儲系統更大和更快等要求 ,然而這些存儲手段正逐步接近其物理極限。為了尋求更能滿足人們需求的存儲技術，三維存儲技術出現了 。其中廣受歡迎的就是體全息存儲。
大家對于'全息照相'應該還有些印象吧？這種技術利用了人類掌握的激光技術，讓用戶拍攝出完整的三維影像成為可能，真實反映了拍攝物體的全部信息，而不是過去只體現物體一面的二維數據。在基礎原理上，全息存儲與全息照相完全相同，同樣是利用了光的干涉原理。與其它存儲技術不同，全息存儲技術并不僅僅利用介質表面，它通過在整個存儲介質內記錄干涉圖案來存儲數據，這些干涉圖案是由兩束激光在某種晶體上相交來改變材料的光學特性所形成。
發展歷史
40年代末，Dennis Gabor發明了全息術 ,并將其應用于 X光圖像的放大處理。60年代初，激光的出現使全息術有望應用于圖像的存儲和讀出，此時Van Heerden提出了全息數據存儲的概念。早在 70年代 ,人們就已設計出許多有潛力的全息存儲系統。鑒于當時的技術狀況，全息存儲器的實用化進程較為遲緩。進入上世紀90年度，特別是從1995年到2000年，全息存儲迎來了研究熱潮，進入實驗室密集研究階段。巨量高速存儲及光計算研究的興起，使全息存儲再次成為研究熱點。伴隨著新型優良體全息記錄材料以及相關光電子元器件的發展，體全息存儲技術的研究面臨著重大突破。在美國國家存儲工業聯合會主持下，由美國DARPA、IBM、斯坦福大學等共12個單位聯合成立了協作組織，實施了兩個全息數據存儲項目，隨后，許多體全息存儲與應用系統先后問世。全世界研究所、高校紛紛開展研究，發表論文無數，并出版專著。2000年以后，體全息開始邁向實用化和商用化研究階段。美國通用、日本索尼、日立等大公司紛紛開展體全息商用化的研究，歐美日也先后出現了以體全息存儲為核心技術的商業化公司，如美國的InPhase（現在為Akonia Holographics），日本的Optware等，并推出了原理樣機。
基本原理
前面說過，全息存儲與全息照相原理類似，是一種光波記錄方法，涉及兩個過程和兩路光波。兩個過程為干涉記錄與衍射讀取，兩路光波為參考光和信號光。
在磁存儲和傳統的光盤存儲中，一個信息位是由介質表面物理性質的改變，如消融的凹點或磁疇的翻轉等來表示的。而在體全息存儲中一個信息位分布在整個記錄體中。在記錄介質上沒有同信息位一一對應的微小元素。一整頁的信息是以光學干涉圖樣的形式一次記錄在厚的感光光學材料中的。這個干涉圖樣是由兩束相干激光束在存儲材料中相遇形成。通常這兩束光是由一束激光分離而成 ,第一束稱為物光（信號光），攜帶有欲存儲的信息。第二束稱為參考光，要求簡單易于復制 ,一般采用傳播中沒有匯聚和發散的平面波。光學干涉圖樣引起感光材料發生化學或物理變化。感光材料在吸收率、折射率或厚度上相應的變化就作為干涉圖樣的復制品存儲起來，這種記錄結構包含記錄時物光和參考光的幅度和相位信息。
記錄時，參考光與待記錄的信號光在存儲介質中相遇并發生干涉，改變介質的光學性質，比如折射率分布，形成相位調制體光柵，從而將信號記錄在介質中。讀取時，利用之前記錄的參考光照射存儲介質，由于相位調制體光柵的衍射效應，在原信號光方向獲取再現出的信號光，完成數據的讀取。利用體光柵的布拉格選擇性，可以在存儲介質的同一位置利用不同的參考光存儲多幅數據，而且每個數據頁都可以獨立讀出，實現存儲空間的復用。
體全息存儲技術原理圖(左圖為數據記錄過程：參考光Reference與物光Object在存儲介質Holographic Media中相遇干涉，改變介質光學特性，完成數據記錄。右圖為數據讀取過程，參考光照射存儲介質，基于衍射原理讀出之前記錄的物光信息。參考光的角度可以變化，實現復用)
技術特色
體全息存儲技術有以下特點：
（1）立體式存儲，存儲密度高，其理論體存儲密度可達V/l3量級，其中V為存儲介質的體積，λ為記錄光波波長。對于1 mm厚的材料，其等效面存儲密度可達40 Tb/in2。
（2）并行讀寫，傳輸速度快。信息以數據頁（data page）為單位進行讀寫，因而具有極高的數據傳輸率，其極限值主要由電光與光電轉換器件（SLM及CCD）來決定，數據傳輸率將有望超過1 GB/sec。傳統的二維面存儲可以采用多層的方式向三維體存儲邁進，但讀取方式很難實現向二維的邁進，這是體全息存儲相比其他存儲技術的顯著優點。
（3）相關尋址，讀出的信號光強度與讀寫使用的光場的相關性成比例，可用于圖像相關檢索、地形匹配、圖像識別等領域。
國內方面，清華大學從90年代開始持續跟進，研究了多種原理樣機，發表大量高水平論文。于此同時，北京工業大學也持續開展了相關研究，取得了顯著的進展，研究了多種原理樣機，出版了體全息存儲專著。近幾年，北京理工大學在同軸全息存儲技術發明人譚小地的帶領下，持續開展了全息存儲技術的研究工作，并提出基于相位與振幅編碼的同軸體全息存儲系統，如下圖所示。
現階發展
伴隨數據時代的到來，社會對存儲能力的需求越來越高，而與此同時硬盤技術也遭遇了技術瓶頸，存儲密度不斷提升的摩爾定律也失效，給體全息存儲的復興帶來了曙光。Facebook公司對目前多種存儲技術的對比研究也表明光存儲在數據長期保存成本和能耗方面最具優勢，于2016年1月宣布與日本松下合作研發光存儲技術，存儲長期不用并很少訪問的數據（冷數據），以降低海量數據的存儲成本。
目前，體全息存儲試驗樣機演示的最大存儲密度大致為2.4 Tb/in2（1 mm厚存儲材料），該值比理論極限值40 Tb/in2小一個數量級，如何在現有角度復用、移位復用等技術的基礎上進一步增加可存儲變量的自由度是當前一個研究熱點，主要采用的思路是利用光波的相位特性和偏振特性。雖然使用相位和偏振能夠增加體全息存儲的操控維度，帶來一些獨特特性，但是使用相位與偏振特性能夠增加存儲密度，解決存儲密度瓶頸問題，還有待進一步研究。
存在問題
體全息存儲技術的存儲容量，存儲和讀出速率 ,器件的簡潔性 ,存儲數據的穩定性，用戶誤碼率，所有這些特性在很大程度上都受到存儲材料性能的限制。必須要在可利用的材料及最憂性能間進行折衷。所以體全息存儲的中心問題是開發合適的材料。再一個核心問題就是噪聲，因此，材料的散射噪聲也是一個不可忽視的問題。
任何新的存儲技術都必須同市場上已經成熟的技術進行競爭。大數據的存儲呼喚新的存儲技術，體全息存儲技術經過半個多世紀的發展，技術持續創新，使在一張光盤上存儲數TB數據的夢想距離現實又近了一步，這種前所未有的數據存儲技術優勢，將為電子信息產業帶來質的飛躍。
參考文獻：
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