刘金鹏同学在相位型全息光存储研究中取得新进展
随着信息社会的不断发展，人类产生的数据量在不断地增加，大量的数据信息对存储提出了更高的要求。全息存储技术因为其高存储密度、大存储容量、高数据传输速率成为了下一代存储技术的有力竞争者。在传统的全息存储中，以振幅作为调制信息，通过数据点的亮暗来代表相应的数据信息，因此编码率较低，信息量不大。但如果将相位信息作为新一维信息与振幅调制结合起来，将大大提高系统的编码率，并且由于相位调制的作用使得在材料中的光斑能量不那么集中，减少材料的不必要消耗。编码率变化示意图如图1所示。 |
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图1 数据页信息量示意图。(a)同轴全息存储系统使用的数据页，(b)基于十六取三编码方式的振幅型数据页(a)的局部放大，(c)在(b)基础上引进的多阶相位调制。 |
虽然引入相位信息调制对于提高编码率具有明显的提高，但现在对于相位信息的准确重建仍未得到很好的解决。目前主流的相位重建方法分为干涉法和非干涉法：干涉法相位重建需要一束用于干涉的平面波，且利用相移进行相位信息的重建，因此对光束和元器件的稳定性要求很高；非干涉法通常利用迭代算法，需要一定的计算能力和计算时间，并且对于捕获图像的质量要求较高。 由于在全息存储中每个数据点之间的相互干涉作用都是独立的，最终结果是是所有数据点的效果叠加所得，因此利用这一点可以实现将干涉法中用于干涉的平面波与记录的数据页使用强度相等、位置互补的参考图案记录在同一位置，从而可以获得稳定的干涉图案。有关参考图案的设计如图2所示。 |
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图2 参考图案的分割。A,B,C,D部分用于数据页存储，E,F,G,H部分用于干涉页存储。 |
具体的实现方法如下图所示，在数据页的记录过程中，将在同一个位置进行两次记录，第一次使用A、B、C、D组成的参考光图案记录数据页，第二次用E、F、G、H组成的参考光图案记录用于干涉的干涉页，这两次干涉记录由于所用参考光图案不同互不干扰。在数据页读取重建过程中，使用A、B、C、D、E、F、G、H八个部分组成的完整参考图案照射已存好全息图的材料，那么将同时重建出数据页和干涉页。它们两者在重建出的同时将发生干涉，直接产生干涉强度图案。由于干涉图案由记录好的两幅全息图重建时产生，因此十分稳定，不易受到外界震动等干扰。 |
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图3 相位干涉重建示意图。 |
实验系统光路图如图4所示，使用532nm的绿光激光器，采用两个空间光调制器进行光束调制，其中一个为振幅型空间光调制器，另一个为相位型空间光调制器，记录材料使用LiNbO3晶体。在重建过程中利用相位空间光调制器改变干涉页所使用的E、F、G、H部分的相位值可以进行干涉相移，从而解出准确的相位信息，实验结果如图5所示。 |
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图4 实验系统光路图（QWP:四分之一波片 HWP:半波片 BS:分束器 PBS:偏振分束器）。 |
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图5 多阶相位调制实验结果。(a)四阶相位调制、(b)八阶相位调制、(c)十六阶相位调制。 |
4阶相位调制误码率为0.39%，8阶相位调制误码率为1.3%，在没有使用误码纠错的情况下，是完全可以使用的误码水平。但是随着调制阶数的增加误码水平也增长，十六阶相位调制就达到6.55%的误码水平。4阶相位调制的编码率已达1.0，是基于十六取三编码规则的振幅调制编码率0.5的两倍，因此这种调制方法可以获得更高的编码率和可以接受的低误码率。 在基于参考光图案分区调制的思想上，进一步提出了正价参考编码复用的概念。将用于数据页编码的参考光图案A、B、C、D部分进行相位调制，利用相位正交编码的方式进行同一位置的多幅数据页的复用。 |
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图6 正交参考编码示意图。 |
在全息存储的重建过程中，由于全息的冗余性，每一个单独的参考光区域都可以重建出完整的数据页，只是强度会有所降低。那么假如在存取数据页所使用的参考光A、B、C、D部分强度保持一致，每个区域单度重建出来的数据页的强度也应该是一样的。因此再加之适当的相位调制就能实现在同一个位置几个重建数据页页间噪声的消除，即能实现同一位置的多幅数据页的复用。构造的一种正交参考编码如图6所示，右边所示0、π相位调制为对应数据页Page1、Page2、Page3、Page4各自读写时所用的相位调制分布。对于其中任何一幅数据页，都当且仅当使用它自身对应的相位分布的参考光图案时才能被重建，否则将因为各参考区域之间相位差而得到强度为零的重建即不能被重建出来。使用通用数学表达式如下。 |
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其中 DPreconstructed 表示重建的数据页，DP(i) (i=1,2,3,4) 表示已存好的四幅数据页, |Ref (j)| (j=A,B,C,D) A、B、C、D 区域的强度，j (j)recording 和 j (j)reconstruction 表示在记录和重建中参考光部分的相位。以使用Page1的参考相位分布去读取Page2为例，强度系数如下： |
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可以看到Page2无法被重建。 在同一位置的四幅数据页复用也经过了实验验证，实验结果如下，对于四幅数据页的复用来说，每一幅的误码率分别为3.55%、2.64%、4.54%、8.02%，证明了这种复用方式的可行性。 |
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图7 四幅复用数据页的相位分布统计。 |
相关研究的结果以“Phase modulated high density collinear holographic data storage system with phase-retrieval reference beam locking and orthogonal reference encoding”为题整理发表在Optical Express Vol. 26, Issue 4, pp. 3828-3838 (2018)上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.26.003828 |
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(2018.02.19)
