全息存儲(chǔ)技術(shù)詳解

1、激光全息存儲(chǔ)技術(shù)是一種利用激光全息攝影原理將圖文等信息記錄在感光介質(zhì)上的大 容量信息存儲(chǔ)技術(shù)，它有可能取代磁存儲(chǔ)和光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)，成為下一代的高容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技 術(shù)。傳統(tǒng)的存儲(chǔ)方式將每一個(gè)比特都記為記錄介質(zhì)表面磁或光的變化，而全息存儲(chǔ)中將信息 記錄在介質(zhì)的體積內(nèi)，而且利用不同角度的光線可以在同樣的區(qū)域內(nèi)記錄多個(gè)信息圖像。另外，磁存儲(chǔ)和光存儲(chǔ)每次都只能讀寫一個(gè)比特的信息，而全息存儲(chǔ)可以并行的讀寫 數(shù)百萬比特，這樣可以使信號(hào)的傳輸速率大大超過目前光存儲(chǔ)的速度。記錄數(shù)據(jù)全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在光敏光學(xué)材料上通過非光學(xué)相干圖樣來記錄信息。一束激光首先被分成 兩部分，產(chǎn)生暗像素和亮像素。通過調(diào)整參考光的角度、波長和介

2、質(zhì)的位置，理論上可以在 同一個(gè)空間記錄下數(shù)千比特張全息圖像。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的極限是幾十TB/立方厘米。2006 年，InPhase科技發(fā)表了一份白皮書，稱他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 500Gb/平方英寸的存儲(chǔ)密度。據(jù)此 我們可以推測出一張普通的光盤（寫入半徑大約4厘米）可以存儲(chǔ)約3896.6Gb的信息。讀取數(shù)據(jù)通過重新產(chǎn)生相通的參考光來重建全息圖像可以將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀出。參考光聚焦在光敏 材料之上，照亮了合適的干涉圖樣，光線在干涉圖樣上發(fā)生衍射，衍射圖案投影到檢測器上。 檢測器可以并行的將數(shù)據(jù)讀出，一次就可以讀出超過1兆比特的信息，因此數(shù)據(jù)率非常高。 記錄在全息驅(qū)動(dòng)器中的文件的訪問時(shí)間可以做到在200毫秒以下

3、。保存壽命全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以為公司提供保存信息的新方法。如果使用一次寫入多次讀取的方法, 可以保證內(nèi)容的安全，防止存儲(chǔ)的的信息被重寫或者修改。全息存儲(chǔ)制造商認(rèn)為，這種技術(shù) 可以提供安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的內(nèi)容50年也不會(huì)發(fā)生變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前的數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。反對觀點(diǎn)認(rèn)為，數(shù)據(jù)讀取技術(shù)每十年就會(huì)發(fā)生巨大的變化，因此盡管有能力將 數(shù)據(jù)保存50-100年，但是很有可能需要用到數(shù)據(jù)的時(shí)候卻無法找到合適的讀取設(shè)備來讀取。然而，性能很好的存儲(chǔ)方案可以持續(xù)使用很長的時(shí)間，另外，即使技術(shù)更新?lián)Q代了，仍然可 能有后向兼容的解決方案，就像現(xiàn)在的DVD技術(shù)后向兼容CD技術(shù)一樣。常用術(shù)語敏感性指的是單位曝光量所

4、能產(chǎn)生的折射率調(diào)制的變化幅度。衍射效率和調(diào)制指數(shù)與有 效厚度的平方成正比。動(dòng)態(tài)范圍決定了在同一個(gè)體積內(nèi)可以存儲(chǔ)多少張全息圖像。空間光調(diào)制器是像素化輸入設(shè)備（液晶面板），用來將數(shù)據(jù)疊加在物光線上。技術(shù)細(xì)節(jié)一般情況下，全息存儲(chǔ)是一種一次寫入多次讀寫的存儲(chǔ)技術(shù)，這是由于在寫入數(shù)據(jù)的時(shí) 候，存儲(chǔ)介質(zhì)發(fā)生了不可逆的變化?？芍貙懙娜⒋鎯?chǔ)技術(shù)可以通過晶體的光致折變效應(yīng)來 實(shí)現(xiàn)：從兩個(gè)光源產(chǎn)生的相干光可以在介質(zhì)上產(chǎn)生干涉圖樣。這兩束光分別稱為參考光和信 號(hào)光。當(dāng)出現(xiàn)相長干涉的時(shí)候，干涉圖樣顯示為亮班，材料中的電子接受了光的能量，可以發(fā)生從 材料價(jià)帶向?qū)У能S遷。電子躍遷后價(jià)帶含有正電，留下的位置稱為空穴。在

5、可重寫的全息 圖像材料中，要求空穴不可移動(dòng)。當(dāng)出現(xiàn)相消干涉的時(shí)候，光的能量比較低，因此電子不會(huì) 發(fā)生躍遷。導(dǎo)帶中的電子可以在材料中自由移動(dòng)。電子的運(yùn)動(dòng)受到兩種相反的力的作用，第一種是電子 和躍遷后留下的空穴之間的庫侖力的作用，這個(gè)力使得電子難以移動(dòng)，甚至?xí)㈦娮永乜?穴。第二個(gè)力是擴(kuò)散作用產(chǎn)生的，它使電子移向電子密度較低的地方。如果庫侖力不夠強(qiáng)， 電子就會(huì)移動(dòng)至暗條紋處。在電子躍遷一開始，電子就有一定的概率與空穴重新結(jié)合，回到價(jià)帶。結(jié)合率越高，電子能 夠移動(dòng)到暗條紋處的數(shù)量就越少。這個(gè)速度會(huì)影響全息圖像的強(qiáng)度。在一部分電子移動(dòng)到暗條紋處并與其中的空洞結(jié)合以后，在暗區(qū)的電子和在亮區(qū)的空穴 間就

6、會(huì)建立一個(gè)永久的空間電場。由于電光效應(yīng)，這個(gè)電場會(huì)影響到晶體的折射率。當(dāng)信息需要從全息圖像中讀取出來的時(shí)候，只需要參考光就可以重建全息圖像。參考光以和 寫入全息圖像的時(shí)候完全相同的放射照射在材料商。由于寫入的時(shí)候折射率發(fā)生了變化，光 線會(huì)分裂為兩部分，其中之一將會(huì)重建存儲(chǔ)了信息的信號(hào)光。一些檢測器比如電荷耦合元件(CCD )照相機(jī)可以用來將信息轉(zhuǎn)化為更容易使用的形式。理論上一個(gè)邊長為寫入光波波長的立方體可以存儲(chǔ)1比特的信息。例如，氦氖激光器 所發(fā)出的紅色激光波長為632.8納米，每立方毫米就可以存儲(chǔ)4Gb的數(shù)據(jù)。實(shí)際上，數(shù)據(jù)密 度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論密度，主要是由于以下幾個(gè)原因：需要使用糾錯(cuò)編碼需要

7、考慮光學(xué)系統(tǒng)的缺陷和約束高密度的記錄的成本也會(huì)更高，需要考慮到成本和性能的折衷設(shè)計(jì)技術(shù)的約束(目前磁記錄的硬盤已經(jīng)面臨著這個(gè)問題了，磁疇結(jié)構(gòu)使得硬盤制造無 法達(dá)到理論上的極限)現(xiàn)在的存儲(chǔ)技術(shù)每次都只能讀寫一個(gè)比特的信息，而全息存儲(chǔ)技術(shù)可以使用一束光并行 的讀寫數(shù)據(jù)。雙色記錄全息數(shù)據(jù)記錄的設(shè)備在雙色全息記錄的過程中，參考光和信號(hào)光固定使用一個(gè)特殊的波長（綠光、紅光、甚至紅外光），而敏化/開關(guān)光束為一個(gè)單獨(dú)的短波長激光（藍(lán)光或者紫外 光）。敏化/開光光束用來使材料在記錄過程之前和之后變得敏感，而信息將通過參考光和 信號(hào)光在晶體中記錄下來。開光光束在記錄過程中會(huì)間歇性的照射，以測量衍射光的強(qiáng)度。 在

8、讀取的過程中，仍然通過單獨(dú)照射參考光來實(shí)現(xiàn)，由于參考光波長較長，它無法在使被束 縛的電子在讀取階段激發(fā)，因此需要短波長的敏化光來擦除記錄的信息。LaserT全息數(shù)據(jù)記錄的設(shè)備通常為了進(jìn)行雙色全息記錄，需要使用兩種不同的摻雜物來增加俘獲中心，這兩種摻 雜物分別是過渡金屬和稀土元素，他們對特定波長的光波很敏感。通過使用這兩種摻雜物, 可以在硝酸鋰晶體中產(chǎn)生更多的俘獲中心，準(zhǔn)確地說是一個(gè)淺陷阱和一個(gè)深陷阱。這個(gè)概念 現(xiàn)在用于使用敏化光將電子從比價(jià)帶更深的深阱中激發(fā)至導(dǎo)帶，然后使電子被接近導(dǎo)帶的淺 陷阱俘獲。參考光和信號(hào)光用來使電子從淺陷阱中激發(fā)并返回深陷阱。這樣，信息將被儲(chǔ)存 在深陷阱中。讀取信息的

9、時(shí)候僅僅使用參考光就可以了，而由于參考光的波長較長，能量較 低，因此不會(huì)使電子從深陷阱中激發(fā)。硝酸鋰晶體雙摻雜退火效應(yīng)對于雙摻雜的硝酸鋰晶體，存在一個(gè)最佳的氧化/還原的狀態(tài)，在這里可以達(dá)到最好的 性能。這個(gè)最優(yōu)點(diǎn)和深陷阱和淺陷阱的摻雜水平和以及晶體樣品的退火條件有關(guān)。這個(gè)最優(yōu) 的狀態(tài)一般出現(xiàn)在95%-98%的深陷阱都填滿了。在強(qiáng)氧化環(huán)境中制備的樣品中，全息圖像無 法很容易的記錄下來，衍射效率也非常低。這是由于淺陷阱完全是空的，深陷阱中也缺乏電 子。在高還原性環(huán)境中制備的樣品中，深陷阱完全被填滿了，而淺陷阱也幾乎被填滿了，這 使得材料對光非常敏感（可以用于快速記錄），而且也有很高的衍射效率。然而

10、在讀取階段， 所有的深陷阱很快就被填滿了，全息圖的產(chǎn)生依賴于淺陷阱中的電子，但是這部分電子會(huì)在 讀取階段被激發(fā)，從而使得信息被刪除了。因此在數(shù)次度區(qū)后，衍射效率會(huì)降低至0,而儲(chǔ) 存的全息圖無法恢復(fù)了。開發(fā)營銷在2002年，全世界主要有三家公司在進(jìn)行全息存儲(chǔ)方面的研究，這些公司是美國的 InPhase科技和，以及日本的Opt ware公司。盡管全息存儲(chǔ)的技術(shù)自從二十世紀(jì)六十年代就 開始討論6,而且至少從2001年就開始兜售接近使用的商用方案，但是直到現(xiàn)在仍然在試 圖使人相信這項(xiàng)技術(shù)會(huì)找到合適的市場。從2002年開始，計(jì)劃中的全息存儲(chǔ)產(chǎn)品還并不想 與硬盤展開競爭的，而是試圖尋找到能夠利用到它的特別

11、的優(yōu)點(diǎn)的市場，如需要很高訪問速 度的應(yīng)用等等。2005年，在拉斯維加斯舉行的國家廣播協(xié)會(huì)會(huì)議上，InPhase科技在美國萬勝公司展 位上公開展示了世界上第一個(gè)使用全息存儲(chǔ)技術(shù)的商業(yè)存儲(chǔ)設(shè)備原型。InPhase科技在 2006年和2007年數(shù)次宣稱將會(huì)推出其旗艦性產(chǎn)品，然而在不停的延期推遲發(fā)布以后，于2010 年2月關(guān)閉。它的資產(chǎn)由科羅拉多州沒收以償還欠稅。這家公司共花費(fèi)了一億美元，但是投 資者無法再籌集更多的資本了。2009年，通用電氣全球研究中心展示了他們自行研究的全息存儲(chǔ)材料，這種材料可以 用于光盤，使用的讀取技術(shù)和目前的藍(lán)光光盤播放器類似。參考資料： HYPERLINK /news/20

12、1204/25/43.html /news/201204/25/43.html HYPERLINK HYPERLINK 以下無正文僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。For personal use only in study and research; not for commercial use.僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。Nur fur den persdnlichen fur Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l etude et la recherche uniqueme