基于模式调谐移位复用的共光轴体全息光盘技术研究

As one of the next generation large scale data storage technologies, volume holographic storage can hold the capacity of about one tera bytes per disk. The new coaxial volume holographic storage architecture has been listed as the key technology for the commercialization because of its compact and robust features soon after it is invented. In this project, for the first time we propose a concept of pattern-modulated shift multiplexing for the coaxial volume holographic disk system. The capacity could be enhanced by one order when the reference pattern is elaborately modulated. The physical model of the discrete digital coaxial hologram will be proposed and analyzed. The noise suppression function of the reference pattern modulation method will be investigated and the parameters of the shift multiplexing method will be optimized. The phase and wavelength pattern modulation method will also be invented for high density multi-level and multi-dimensional storage. When the temperature varies, the deformation of the media could make the Bragg grating distorted and the recording spot could shift at a very small pitch. Thus the noise of the readout signal could be serious. We will propose a fine modulation method of the reference pattern and high precision positioning method to automatically compensate the temperature variation. The coaxial holographic disk system will be set up by using an objective lens with a high NA and a long working distance. By using the proposed pattern-modulated shift multiplexing method, the capacity of one standard size optical disk could be as large as 10TB. The storage could be realized at 16 levels. And the recording and reading temperature tolerance could be as large as plus/minus 20 degree centigrade related to the room temperature.

体全息光盘可以达到TB量级，是下一代绿色海量存储技术之一。参考光和信号光共光轴的新型存储方案由于结构紧凑和鲁棒性强，一经提出就成为研究热点，已被列为体全息存储迈向实用化的关键技术。本项目在共光轴体全息光盘中首次提出模式调谐移位复用技术的概念，对参考光采用正交模式调谐，有望将存储密度提高一个数量级。首先建立离散化数字式共光轴全息图的光场分布模型，研究参考光模式调谐的噪声抑制机理和移位复用参数优化方法；探索相位和波长模式调谐方法，改善光场分布并实现多阶与多维高密度存储；研究温度变化时由于材料形变导致光栅退化与记录点移位后的噪声形成机理，研究参考光模式精细调谐方法和记录点精密移位锁定方法，实现对光盘系统工作温度变化的自动补偿。最后采用高数值孔径超长工作距物镜，构建共光轴体全息光盘实验平台，基于模式调谐移位复用技术，实现16阶相位存储、单盘容量达到10TB、系统工作温度适应范围达到室温正负20度。

同轴体全息光存储技术具有存储密度高、数据传输速率快、寿命长、能耗低等优势，被认为是下一代大数据存储与大数据显示技术之一。本项目在共光轴体全息光盘中首次提出模式调谐移位复用技术的概念，对参考光采用正交模式调谐，可以充分利用记录材料的动态范围，将存储密度提高了一个数量级。围绕多层多阶同轴体全息光存储技术开展了深入的理论与实验研究，在单层二维移位复用的基础上提出并设计多层记录方案，有效提高了数据存储的密度。基于菲涅耳衍射理论建立了同轴体全息存储系统中三维全息图的模型，计算了系统点扩散函数和再现数据页的强度分布，研究了记录波长和物镜数值孔径对体全息图三维尺寸的影响、系统的页内串扰和层间串扰特性。从光阑大小、参考光结构参数、参考光相位调制三个方面对同轴体全息光存储系统进行了设计与构建，采用数字微镜器件、长工作距显微物镜、精密三维位移平台，以及自主研制的高动态范围金纳米颗粒聚合物光盘介质，搭建了TB量级的光盘存储实验系统。基于数字微镜器件的闪耀光栅结构，利用光阑对闪耀级次进行滤波，使系统成像清晰，对辐射线状参考光结构进行优化，在填充率为0.1，辐射线夹角为3°，内外环半径比为0.82时，获得最佳信噪比。通过比较存储系统的光学点扩散函数在温度变化后与变化前的表达式，导出了基于温度引起的折射率变化和材料形变效应互相抵消的温度自适应补偿条件，显著提升了系统的温度适应范围，可以达到20摄氏度。引入随机相位板调制，抑制了点扩散函数旁瓣，并提出邻域互补参考光模式调制方法，将参考光模式数量增加到12幅，层间复用间隔减小为0.5μm。当全息光盘厚度为200μm时，记录层数可达到400层，如果不考虑材料动态范围的限制，系统的单盘容量可超过10TB，对实现大容量数据存储、高速体全息数据处理和高分辨率体全息显示具有重要意义。本项目正在与青岛泰谷光电工程技术有限公司合作开展成果转化和产业化开发，有望对大数据存储产业提供关键技术支撑。