陈瑞娴和王瑾瑜同学在多维调制全息数据存储研究中获得新进展
全息数据存储（Holographic Data Storage, HDS）将二维信息记录在介质的三维空间中，因此具有高速度和大容量的特点，成为大数据时代海量数据存储的重要发展方向之一。传统全息数据存储通常采用单维编码（仅振幅或仅相位），或采用双维编码（复振幅，即振幅与相位），编码维度受到限制。光场本身具有多个自由度，包括振幅、相位和偏振。若能够同时利用这三个维度进行信息编码，则在不增加存储介质负担的前提下显著提升信息容量，从而实现更高密度的存储系统。然而，由于多维信息调制及解码的复杂性，对其进行同步编码与重建一直是该领域的技术难点。针对这一问题，本研究首次将偏振作为独立编解码维度引入全息数据存储体系，基于张量偏光全息理论和深度学习模型提出了一种面向振幅、相位和偏振的多维全息数据存储新方法。 基于张量偏光全息理论，可同时独立操纵两正交偏振分量的复振幅分布，充分利用光的振幅、相位和偏振三种基本属性，实现多维信息编码。在实验中，结合双相位全息编码技术，仅通过单个相位型空间光调制器即可实现多维信息调制，从而简化了光学系统结构。多维光场调制的概念示意如图1 所示。基于张量偏光全息理论，对偏振全息图 H1 和 H2 的衍射特性进行系统分析，确定两次曝光过程中信号光的干涉参数，使得 H1 和 H2 在读取过程中表现出不同的偏振选择性衍射行为。当左旋圆偏振（LCP）读取光束同时入射到同一位置记录的 H1 和 H2 时，两者分别产生具有正交圆偏振态的衍射光束。这两束衍射光分别携带对应信号光的复振幅分布 A(x, y)exp[iφ1(x, y)] 和 A(x, y)exp[iφ2(x, y)]，从而实现振幅、相位与偏振信息的记录与重建。多维信息存储系统如图2 所示。 |
|
| 图1 多维光场调制概念图。(a) 全息数据存储系统示意图，(b) 复振幅双相位分解复平面示意图， (c) 用于两个相位值 m 和 n 的棋盘图案的示例，(d) 像平面处的强度分布示例，(e) 像平面处 的相位分布示例，(f) I. 第一次记录：RCP 信号光束和 LCP 参考光束之间的干涉记录了复 振幅 A(x, y)exp[iφ1(x, y)]；II. 第二次记录：LCP 信号光束和 LCP 参考光束之间的干 涉记录了复振幅 A(x, y)exp[iφ2(x, y)]，(g) 读取：用 LCP 读取光束照射介质。 |
|
| 图2. 多维信息存储系统的实验装置 |
纯相位编码、纯偏振编码、相位-偏振联合编码以及振幅-相位-偏振全多维编码的模拟与实验结果如图3 所示。当振幅、相位和偏振三种信息同时参与编码时，所得衍射强度图像呈现出信息高度丰富且相互耦合的特征结构。在光场传播与干涉衍射过程中，这三种物理量相互作用，使得对应的强度分布不仅表现出显著的非线性映射关系，而且在空间上高度重叠。这种复杂耦合导致多维度物理信息难以被有效分离，致使传统方法难以兼顾多维信息重建的精度与鲁棒性。在实际全息系统中，受实验噪声和材料不均匀性的影响，上述问题会进一步加剧，使高质量的多维信息解码更加具有挑战性。 |
|
| 图3. 有无垂直取向检偏器条件下，CMOS在不同编码时获取的衍射强度图像 |
为应对上述挑战，本研究采用数据驱动的解码方法，结合图像分割的数据增强策略，引入卷积神经网络对多维光场进行联合反演。通过端到端训练，网络能够建立衍射强度分布与振幅、相位和偏振编码之间的高维非线性映射关系，从而为多维信息的同步解码提供切实可行的解决方案。基于此，本文提出了一种面向多维光场解码的双输入三输出卷积神经网络架构— TriDecode-Net，其结构如图4 所示。该网络可直接从两幅互补的衍射强度图像中同步恢复振幅、相位和偏振信息。其中，一幅输入图像在无检偏器条件下采集，主要反映重建光场的振幅分布；另一幅则在竖直取向检偏器作用下获取，其强度分布同时受振幅与偏振调制，并遵循Malus定律。此外，两幅图像均包含由相邻数据点间的边缘衍射和干涉特征。通过引入这对互补图像，网络能够获取更全面的光学信息，为多维解码提供更加充分的输入。训练完成后的 TriDecode-Net 重建结果如图5 所示，其中振幅、相位和偏振的平均误码率分别为 0.0094、0.0279 和 0.0155。 |
|
| 图4. 神经网络 TriDecode-Net 结构示意图 |
|
| 图5. 振幅、相位和偏振信息的重建结果 |
本研究基于团队在张量偏光全息理论的长期积累，为技术实现提供了坚实基础。本文首次提出并实验验证了振幅、相位与偏振三种基本光学维度的联合编码与解码方法，实现了全息数据存储容量与速率的提升。该多维调制与重建技术不仅适用于高密度数据存储，还可拓展应用于光学加密、防伪认证、大容量光通信以及结构光生成等领域。 |
|
| 图6. 本文的宣传图片（欢迎下载） |
上述研究成果以“Encoding and decoding of multidimensional optical field modulation in holographic data storage”为题，整理发表在美国光学学会(The Optical Society of American, OPTICA) 光学一区 Top 期刊 Optica, Vol. 13, Issue 4, pp. 591-601 (2026) 上 (IF: 8.5)。该成果被多家科学媒体报导（Optica、EurekAlert、ScienMag、ScienceDaily、Washington Today）。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.586593 |
|
相关报导链接： Optica：https://www.optica.org/about/newsroom/news_releases/2026/new _holographic_data_storage_approach_packs_more_data_into_the _same_space/ EurekAlert：https://www.eurekalert.org/multimedia/1121326 ScienMag：https://scienmag.com/innovative-holographic-storage-technique -boosts-data-capacity-without-increasing-space/ ScienceDaily：https://www.sciencedaily.com/releases/2026/03/260328212132.htm Washington Today：https://nationaltoday.com/us/dc/washington/news/2026/03/ 27/researchers-develop-holographic-storage-breakthrough- for-for-higher-data-density/ |
链接福建师范大学相关宣传网站 -->
链接科学技术处相关宣传网站 -->
链接光电与信息工程学院相关宣传网站 -->
(2026.03.26)
