林雍坤同学在全息存储应用研究中取得新进展
在元宇宙、人工智能、云计算等新技术蓬勃发展的当下，人类社会正迈入智能世界，数据呈现爆炸式增长，正式进入 YB (1015GB) 数据时代。这一趋势不仅带来了数据处理与应用的革新，也对数据存储提出了前所未有的高要求，尤其是温冷数据的长效高质存储面临巨大挑战。传统二维面阵存储受技术原理局限，性能已逼近极限，难以应对海量数据存储需求。在此背景下，本文阐述了多维调制的全息光存储技术。通过对光场振幅、相位、偏振等多维特征参量的调制，结合同轴全息光存储技术，实现数据的高速率、高密度、长寿命存储，为信息化时代数据存储提供了接近产业化的解决方案。 福建师范大学谭小地教授团队联合多所高校科研力量，深耕全息光存储领域多年，在同轴全息光存储系统的研发上取得了一系列突破性成果。如图1 两种系统结构对比图所示，相较于结构复杂的离轴全息光存储系统，同轴全息光存储系统通过将一束光分割为内环信号光和外环参考光，实现光轴共轴设计，不仅让系统更为紧凑，便于集成化和小型化，还能有效减少环境振动的影响。 |
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| 图1. 同轴和离轴全息数据存储系统对比图 |
如图2 所示为团队开发的同轴全息数据存储系统样机。团队在前期研究基础上，成功搭建了理论验证样机，并持续优化机械结构和光路系统，开发出两代小型化样机，其中第二代小型化样机体积仅为理论验证样机的 1/8，更接近商业化存储系统，且配套开发了统一软件用户界面，支持手动操作与自动化连续控制。 |
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| 图2. 三代同轴全息数据存储系统样机 |
为解决全息光存储中的噪声干扰和数据解码精度问题，团队创新性地将深度学习技术引入系统。由于各类噪声影响，探测器直接探测的图像误码率较高，平均可达 4.8%，远超数据存储要求的 1% 以下标准。如图3 所示为深度学习降噪处理结果。通过采用 U-Net 卷积神经网络进行降噪处理，系统平均误码率降至 0.26%，仅为原始误码率的 1/18，平均信噪比提升 5 倍以上，极大提高了数据读取的精确度和可靠性，为技术产业化奠定了基础。 |
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| 图3. 深度学习降噪处理结果 |
在数据存储密度提升方面，团队提出了振幅、相位、偏振多维调制技术。传统编码方式仅利用振幅进行编码，未能充分发挥全息光存储的性能潜力。如图4 所示为复振幅调制全息数据存储系统及数据解码结果。团队通过深度学习实现多阶复振幅数据解码，利用两个空间光调制器分别进行多阶振幅和相位编码。基于深度学习获得了系统衍射强度图到振幅编码和衍射图强度图到相位编码的对应关系。实现非干涉无迭代的高精度快速率数据解码。 |
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| 图4. 复振幅调制全息数据存储系统及数据解码结果 |
同时，基于张量偏光全息理论，提出如图5 所示的偏振组合正交矩阵 (OMPC)，实现了存储介质单点多通道记录，且可通过维度扩充增加通道复用数量。目前，该技术已实现 4 阶振幅、4 阶相位以及 4 通道偏振的多维调制与解调。经国家数字电子产品质量检验检测中心测试，团队研发的同轴全息光盘数据存储密度达到 2.75Tb/inch2，单盘存储容量可达 3.58TB，数据传输率实测可达 5.8GB/s，各项参数指标均优于当前其他全息存储技术。团队牵头制定的团体标准《全息数据存储系统》已通过国家标准委批准发布，为行业技术创新和产业升级提供了重要支撑。 |
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| 图5. 偏振组合正交矩阵 (OMPC) |
展望未来，随着器件发展和技术创新，全息光存储将向更高维度数据调制、更高阶数编码、更多偏振通道的方向迈进，进一步释放高密度、超高速存储的技术优势。同时，借助全息技术天然的加密特性：物理层面信息不可修改，需特定参考光才能再现数据，结合加密算法可实现更安全的加密存储。多维全息光存储技术的成熟与产业化，将为应对全球数据爆炸式增长提供坚实保障，为信息化时代的数据存储开辟更为广阔的发展空间。 |
上述研究成果以“多维全息光存储—信息时代数据存储解决方案”为题，整理发表在中国计算机学会会刊《计算机工程与设计》，Vol.47, No.03：610-618，(2026)，温冷数据存储专刊上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.16208/j.issn1000-7024.2026.03.002 |
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(2026.03.15)
