光盘回归,体全息存储也许是最后的机会

科技的发展正将人类从信息技术(IT)时代带入数据技术(DT)时代,据美国国际数据公司(IDC)统计,未来几年全球数据量每两年翻一番,在2020年将达到40ZB(Zetta Bytes,1021)),社会对数据存储的需求成指数增长,传统靠增加磁盘数量的方式将难以满足。

目前常用的存储技术如光盘、硬盘技术,其存储密度受限于二维平面内存储点的尺寸,随着技术的不断发展,目前该尺寸已逐渐趋近其物理极限,进一步减小难度很大。如何突破现有存储技术的不足,满足当今信息时代对海量数据存储的需求,新的数据存储技术成为一个研究热点。

在众多新型存储技术中,全息存储技术有望成为下一代存储技术有力的竞争者。全息存储技术与当今的光学存储技术(如DVD和蓝光光盘)完全不同。DVD和蓝光光盘至多只能将信息存储到光盘表面的有限个层面上,而全息存储技术则可以将数据存储在包括光盘厚度的立体空间里。在全息光盘中,全息图、或者代表信息字节的二维图案,以体全息的方式写入到光盘中,然后通过光的衍射读取。由于全息光盘可以利用光盘的厚度进行存储,其存储容量与现有技术相比要强百倍。因此,体全息存储,将为光盘带来一场新的变革。

基本原理

全息存储与全息照相原理类似,是一种光波记录方法,涉及两个过程和两路光波。两个过程为干涉记录与衍射读取,两路光波为参考光和信号光。

如图1所示,记录时,参考光与待记录的信号光在存储介质中相遇并发生干涉,改变介质的光学性质,比如折射率分布,形成相位调制体光栅,从而将信号记录在介质中。读取时,利用之前记录的参考光照射存储介质,由于相位调制体光栅的衍射效应,在原信号光方向获取再现出的信号光,完成数据的读取。利用体光栅的布拉格选择性,可以在存储介质的同一位置利用不同的参考光存储多幅数据,而且每个数据页都可以独立读出,实现存储空间的复用。

  

图1 体全息存储技术原理图(左图为数据记录过程:参考光Reference与物光Object在存储介质Holographic Media中相遇干涉,改变介质光学特性,完成数据记录。右图为数据读取过程,参考光照射存储介质,基于衍射原理读出之前记录的物光信息。参考光的角度可以变化,实现复用)

特点

体全息存储技术有以下特点:

1)     立体式存储,存储密度高,其理论体存储密度可达V/l3量级,其中V为存储介质的体积,λ为记录光波波长。对于1 mm厚的材料,其等效面存储密度可达40 Tb/in2。

2)     并行读写,传输速度快。信息以数据页(data page)为单位进行读写,因而具有极高的数据传输率,其极限值主要由电光与光电转换器件(SLM及CCD)来决定,数据传输率将有望超过1 GB/sec。传统的二维面存储可以采用多层的方式向三维体存储迈进,但读取方式很难实现向二维的迈进,这是体全息存储相比其他存储技术的显著优点。

3)     相关寻址,读出的信号光强度与读写使用的光场的相关性成比例,可用于图像相关检索、地形匹配、图像识别等领域。

发展历史

全息术本质是一种光波记录方法,将全息术用于数据存储的设想最早由Van Heerdan于1963年提出。但是由于光电、电光转换设备的限制,该技术进展缓慢。进入上世纪90年度,特别是从1995年到2000年,全息存储迎来了研究热潮,进入实验室密集研究阶段。在美国国家存储工业联合会主持下,由美国DARPA、IBM、斯坦福大学等共12个单位联合成立了协作组织,实施了两个全息数据存储项目,随后,许多体全息存储与应用系统先后问世。全世界研究所、高校纷纷开展研究,发表论文无数,并出版专著。2000年以后,体全息开始迈向实用化和商用化研究阶段。美国通用、日本索尼、日立等大公司纷纷开展体全息商用化的研究,欧美日也先后出现了以体全息存储为核心技术的商业化公司,如美国的InPhase(现在为Akonia Holographics),日本的Optware等,并推出了原理样机。

国内方面,清华大学从90年代开始持续跟进,研究了多种原理样机,发表大量高水平论文。于此同时,北京工业大学也持续开展了相关研究,取得了显著的进展,研究了多种原理样机,出版了体全息存储专著。近几年,北京理工大学在同轴全息存储技术发明人谭小地的带领下,持续开展了全息存储技术的研究工作,并提出基于相位与振幅编码的同轴体全息存储系统,如下图所示。

 

基于相位与振幅编码的同轴体全息存储系统

从发展历程来看,体全息存储技术在基础理论研究及工程样机研制方面都取得了令人鼓舞的成就,但离真正的实用化还有一定的距离,关键技术还需要进一步创新和突破,相关的研究热潮在商用化进展缓慢的情况下有所退去,很多以体全息存储技术为核心的风投公司纷纷倒闭或者被其他公司收购,整个业界陷入低谷。

伴随数据时代的到来,社会对存储能力的需求越来越高,而与此同时硬盘技术也遭遇了技术瓶颈,存储密度不断提升的摩尔定律也失效,给体全息存储的复兴带来了曙光。Facebook公司对目前多种存储技术的对比研究也表明光存储在数据长期保存成本和能耗方面最具优势,于2016年1月宣布与日本松下合作研发光存储技术,存储长期不用并很少访问的数据(冷数据),以降低海量数据的存储成本。

当然,这主要是外部环境的变化,体全息存储技术是否能够响应时代的呼唤,成为下一代存储的主流,还要看其技术的发展情况,特别是关键技术的突破情况。

关键技术

现有的存储技术在一定意义上是一种微小结构或单元的操控与探测技术,能够操控与探测的单元越小,存储密度越大,其极限受限于操控工具的大小。对于光存储,波长尺寸是其操控极限。虽然传统的二维面存储可以采用多层的方式向三维体存储迈进,但读取方式很难实现向二维的迈进。也可以利用超衍射极限的方式比如纳米技术实现更小尺度的存储,但数据的快速读写是个难题。体全息存储的三维分布式存储不同于多层存储,其操作的单元为数据页而不是单个数据,给数据的快速读取提供了便利,剩下的问题是存储密度能否接近理论极限,实现对现有技术的大幅超越。

与存储密度多少相关的关键技术主要包括三方面,分别为驱动器技术、材料技术、信道处理技术。体全息高密度存储的本质是复用,复用存储的性能涉及到驱动器(driver)方案及材料的性能。除了驱动器与材料等硬件层面外,还需要研究针对体全息存储的噪声抑制技术,也就是信道技术。

近年来,体全息存储对驱动器技术的研究主要集中在三种结构:一种为同轴(collinear or coaxial architecture),以Optware公司的Collinear Holography为代表;一种是双轴结构,以InPhase公司的Angle-Polytopic相位共轭结构为代表;最后一种是InPhase公司的Monocular结构。其中同轴的特点是结构紧凑,稳健性好,双轴的特点是可以使用平面波进行角度复用,具有一定的补偿材料收缩的能力。Monocular结构综合了同轴与双轴结构的特点,既使用平面波进行角度复用,又让参考光与信号光经过共同的光学头,以达到结构紧凑的目的。上述三种存储结构各有千秋,目前还在互相竞争中。

材料技术是体全息存储的一个核心,体全息存储材料是存储系统的重要组成部分,其性能的好坏决定着再现图像的质量,甚至可以认为材料是体全息存储能否实用化的关键。理想的存储材料需具备如下特点:1)反应速度块,能快速完成数据的记录;2)调制度高(M#),动态范围大,再现图的衍射效率高;3)再现图像保真性能好;4)非易失性,后续的全息记录及读取不会破坏已记录的全息图;5)环境适应性强;6)存储寿命长。但是,在实际材料的制作过程中,上述要求往往互相制约,甚至互相矛盾,很难全部满足。

体全息的存储与读取过程不可避免会引入噪声,导致数据失真,影响实际使用。信道处理的目的是通过各种手段,尽可能降低记录读取噪声,保证数据的误码率满足用户需求(一般要求在10-12以内)。信道处理的手段主要有存储信道优化、后处理、信道编码等。其中信道优化偏重于对系统的硬件层面进行优化,后处理则偏重于补偿硬件的问题,而信道编码则通过牺牲一定的存储容量来将系统误码率降至实用水平,实际应用中需要选择合适的编码参数,在误码率与存储容量之间作一折衷。与普通数据编码不同的是,体全息存储数据的编码为2维数据页编码。

业内研究新动向

目前,体全息存储试验样机演示的最大存储密度大致为2.4 Tb/in2(1 mm厚存储材料),该值比理论极限值40 Tb/in2小一个数量级,如何在现有角度复用、移位复用等技术的基础上进一步增加可存储变量的自由度是当前一个研究热点,主要采用的思路是利用光波的相位特性和偏振特性。

相位全息存储方面,2011年香港城市大学和上海光机所合作提出了纯相位型共光路存储方案,通过特殊的编码和使用高通滤波器,有效实现了谱面的匀化。2013年,日本研究人员提出了“自参考全息”(Self referential)方法,可以在不使用参考光的情况下实现全息的记录和读取。2016年,日本研究团队提出了使用数字全息实现相位存储与多灰阶的振幅存储,该方法的存储结构同样类似于同轴结构,不同的是采用了相位型SLM,SLM上载的相位分布需要由数字全息技术根据待存储的数据计算得到。

偏振全息存储方面,2013年,台湾交通大学研究团队报道了使用2 mm厚的PQ/PMMA材料进行偏振全息存储的研究,发现使用圆偏振光存储,材料会表现出具有更好的调制度及灵敏度。2016年,日本宇都宫大学研究人员报道了同轴偏振全息的记录方法,首次在同轴结构的基础上实现了偏振全息的记录。

虽然使用相位和偏振能够增加体全息存储的操控维度,带来一些独特特性,但是使用相位与偏振特性能够增加存储密度,解决存储密度瓶颈问题,还有待进一步研究。

技术实用化的两个突破口

限制体全息存储密度的核心问题是噪声。在相同软硬件条件下,存储的数据越多,噪声越大,信噪比就越低。信号的强度与衍射效率相关,取决于材料的动态范围和复用数,而且与复用数呈平方反比关系。噪声则主要包括页内串扰、页间串扰、光电系统噪声、材料散射噪声等。其中页间串扰主要与参考光特性以及复用方式有关,属于原理性噪声,是体全息存储过程的内在噪声。在理论研究方面,对每种存储结构,需要评估回答如下问题:如果光电器件和材料都是理想的,因页间串扰限制能够实现的存储密度极限是多少?这个值距离理论极限有多远?如何提高该值?目前国内外报道的文献对这方面研究较少,笔者认为这是体全息存储研究实用化必须要解决的理论问题,对于评估存储结构,改善现有技术的不足有重要意义。

在材料研制方面,除了材料收缩问题外,材料的散射噪声也是一个不可忽视的问题。在不考虑页间串扰、外部杂散光及光电系统噪声等干扰下,调制度的需求主要与材料的散射噪声相关。如果全息存储系统不存在散射噪声,则衍射效率可以降到很小,而合适的衍射光强可通过提高入射光光强的方式得到。因此,衍射效率的下限应该大于材料的散射能力,结合材料的动态范围可以得到材料的复用数,进一步可以评估材料的极限存储能力。基于页间串扰的极限与基于材料的极限共同决定最后的存储密度,两者需要匹配,单方面提高其中一种并不能提高最终的密度。

未来展望

在数据时代的今天,大数据的存储呼唤新的存储技术,体全息存储技术经过半个多世纪的发展,技术持续创新,使在一张光盘上存储数TB数据的梦想距离现实又近了一步,这种前所未有的数据存储技术优势,将带领光盘强势回归,为电子信息产业带来质的飞跃。

论文信息:

李建华,刘金鹏,林枭,刘佳琪,谭小地. 体全息存储研究现状及发展趋势[J]. 中国激光, 2017, 44(10): 1000001