（计算机系统结构专业论文）全息存储通道中6：8等重调制码的优化研究.pdf

摘要 数字全息数据存储( d i g i t a lh o l o g r a p h i cd a t as t o r a g e ，d h d s ) 是一种基于页的光 存储技术，由于同时具有高速的数据传输速率、巨大的存储容量和短暂的访问响应 刚闻，极有可能成为人们使用高速度、大容量存储器的“一种选择。然而d h d s 记录 通道是一个有噪声的数据传输通道，因此，必须采用调制码和纠错码技术使d h d s 满足商品化的存储系统对误码率( b i t e r r o rr a t e ，b e r ) 的要求。 6 ：8 等重调制码( c o n s t a n tw e i g h tm o d u l a t i o nc o d e ，c w m c ) 是该记录通道中的一 种有效通道码，它是将每6 比特数据信息映射为一个相应的8 比特等重码字( o 和1 的 个数均为4 个) 。使用6 ：8c w m c 不仅具有编码效率高、读出的数据易于检测和能降 低原始误码率的特点，而且其维特比检测器( v i t e r b id e t e c t o r ，v d ) 又具有检测速& 快和易于硬件实现的特点。尽管如此，各种各样的噪声源和符号间串扰极易使在检 测到的一个8 比特等重码字中发生一个数字0 与数字1 的2 码7 - 亡交换错误事件( 2 - b i t r e v e r s i n g e r r o re v e n t ，2 - b r e e ) ，对于按自然二进制排序规则映射的6 ：8c w m c ( n a t u r a l b i n a r y o r d e r m a p p i n g c w m c ，n c w m c ) 而言，由此将产生约3 比特误码。 本文从降低2 一b r e e 所造成的误比特数和减少2 一b r e e 的发生率这2 个方面入手，分5 ；| j 优化t 6 ：8c w m c 的编码方法和改进了现有的v d 检测方案。 首先，我们提出t 6 ：8 格雷映射等重调制码( g r a y o r d e r m a p p i n gc o n s t a n t w e i 9 1 ： m o d u l a t i o nc o d e ，g c w m c ) 的设计方案，试图使用6 ：8g c w m c 编码方案来减小 2 - b r e e 所导致的平均误比特数。在6 ：8g c w m c 中，6 4 个6 比特格雷码字与6 4 个具有 二进制2 单位距离特性的8 比特等重码字形成映射关系。经过大量的仿真实验，与68 n c w m c 相比，我们发现6 ：8g c w m c 并没有显著的优越性。但是，对于卜一步提j b 具有优化映射关系1 拘6 ：8c w m c ( o p t i m a l m a p p i n gc w m c ，6 ：8o c w m c ) 的编码：b 案而言，设计6 ：8g c w m c 编码方案则是一项有益的探索性工作。 为了设计6 ：8o c w m c ，我们提出了设计具有优化映射关系的等重调制码的数学 模型，即将6 ：8o c w m c 的设计问题视为个多阶段决策问题，然后，使用贪心算注 由6 ：8g c w m c 设计出了一种6 ：8o c w m c 。统计显示，6 ：8o c w m c 码表利6 ：8 n c w m c 码表中的9 4 8 次有效的2 b r e e 所导致的误比特总数分别为2 0 6 4 比特年 1 2 6 1 8 比特，它们的平均误比特数分别为2 1 7 7 2 比特和2 7 6 1 6 比特；即与6 ：8n c w m c 相比， 6 ：8o c w m c 的平均误比特数降低了o 5 8 4 4 比特。并且仿真实验结果显示出6 ：8 o c w m cl 9 6 ：8n c w m c 更适宜丁恶劣的记录通道环境。 通过实验发现，对于6 ：8c w m c 而言，不论何种检测方法，2 - b r e e 的发生率与 量化器的量化级别有关。对于i b m 公司研究人员提出的用于6 ：8c w m c 的v d 检测方 案而言，有限的量化级别增加了用于描述该v d 的格状图中的同一个节点上的2 条路 径度量相等的次数，此时，如果随机地保留一条幸存路径则会增) j h 2 一b r e e 的发生次 数。由于提高量化级别只能够在一定程度上缓解2 b r e e 的发生，而且用于实现v d 的硬件丌销也会随之增加。因此，我们提出了种借助量化序列进行辅助比较的v d 检测方案( 称之为p c v d 方案) ，该方案能有效地抑制2 b r e e 的发生。仿真实验结果 显示，与v d 检测方案相比，使用3 比特量化器的p c v d 方案，在b e r = 1 0 。处至少能 获取3d b 以上的检测增益，由此增益可用来换取存储容量的提高。 此外，我们使用了2 个自定义：即偏心度和邻接度，对于6 ：8c w m c 的个码字 存空问光调制器上使用卅i 同的映射模式产生了不同的抑制2 维符号问半扰的能力的 原因进行了解释。 鉴于d h d s $ 己录通道巾的2 维符号间串扰使写入的二值数据。和1 变为了多值数 据的事实和检测时利用一个8 比特等重码字具有4 个1 和4 个0 的特点，因此，存仿真实 验过程中，我们将此多值数据视为在具有加性高斯白噪声的数字传输通道中的多电 平传输信号，然后对该通道的数据传输过程实施蒙特卡罗( m o n t ec a r l o ) 方法仿真。 用此方法，对6 ：8o c w m c 编码和p c v d 方案的有效性进行了验证。 最后，用硬件描述语言v h d l 设计了6 ：8o c w m c 的编码、译码和p c v d 方案程 序、并在软件平台m a x + p l u s l l 上验证了p c v d 方案的检测结果，获得了较为满意的 效果，为使用复杂可编程器件c p l d 实现p c v d 方案奠定了的基础。 关键词：全息存储，调制码，等重码，格雷码，符号间串扰，多阶段决策，维特比 算法，蒙特卡罗方法 a b s t r a c t d i g i t a lh o l o g r a p h i cd a t as t o r a g e ( d h d s ) i sap a g e - o r i e n t e dd i g i t a l d a t as t o r a g e p a r a d i g ma n dh a sa t t r a c t e dag r e a td e a la t t e n t i o no w i n gt o i t s a b i l i t ys i m u l t a n e o u s l yt o p r o v i d el a r g ed i g i t a ls t o r a g ec a p a c i t y , f a s tt r a n s f e rr a t e ，a n ds h o r ta c c e s st i m e h o w e v c f ， t h ed h d sc h a n n e ls u f i e r sf r o mn u m e r o u ss o u r c e so fn o i s ea n di n t e r f e r e n c e t h ee f f o c t s o fw h i c hc a ns e r i o u s l yd e g r a d er e t r i e v e dd a t af i d e l i t ya n d p r o d u c eu n a c c e p t a b l eb i t e r r o r r a t e s ( b e r s ) t h u s ，m o d u l a t i o nc o d e sa n de r r o r c o r r e c t i o nc o d e sa r ee m p l o y e df o rt h e d h d st oa c h i e v et h e e x t r e m e l y l o wu s e r - b e r s p e c i f i c a t i o ne x p e c t e d o fc u r r e n t d a t a s t o r a g ed e v i c e s ( u s u a l l y 1 0 。2 ) a6 ：8c o n s t a n tw e i g h tm o d u l a t i o nc o d ef c w m c li se f f e c t i v ec h a n n e lc o d ef o rt h e d h d s ，i nw h i c he a c h6 - b i td a t am a p si n t o ac o r r e s p o n d i n g8 - b i tc o d e w o r di nw h i c h c o n t a i n se x a c t l yf o u r1 ，sa n df o u ro s t h e6 ：8c w m ch a st h ec h a r a c t e r i s t i c so ff a i r l ，y h i g h ( o 7 5 ) c o d er a t e a n di t sv i t e r b i d e t e c t o r ( v d ) i se a s yt o b ei m p l e m e n t a b l e 抑 h a r d w a r ew i t h s u f f i c i e n t l y l o w c o m p l e x i t y h o w e v e r , v a r i o u s n o i s es o u r c e sa 1 d i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) m a k ei te a s yf o rad e t e c t e dc o d e w o r dc o m p a r e dw i t h - n o r i g i n a lm o d u l a t i o nc o d e w o r dt o o c c u ri no n e2 - b i tr e v e r s i n ge r r o re v e n t ( 2 - b r e e ) b e t w e e na1a n da0 ，w h i c hc a u s e sa b o u ta3 - b i te r r o ro nt h e a v e r a g e f o rt h e6 ：8 n a t u r a l - b i n a r yo r d e rm a p p i n gc w m c ( n c w m c ) p r o c e e d i n gf r o mt h et w or e s p e c t so ! d e c r e a s i n gt h ea v e r a g eb i t e r r o rn u m b e r ( b e n ) c a u s e db yt h e2 - b r e ea n dr e d u c i n g 仆f o c c u r r e n c eo ft h e2 - b r e e ，w eh a v eo p t i m i z e dt h em a p p i n gr e l a t i o n sf o rt h e6 ：8c w m c a n d i m p r o v e dt h ec u r r e n tv d s c h e m eo ft h e6 ：8c w m c ，r e s p e c t i v e l y f i r s t l y , t h e6 ：8g r a y - o r d e rm a p p i n gc o n s t a n tw e i g h tm o d u l a t i o nc o d e ( g c w m c ) i s p r o p o s e dt ot r yd e c r e a s i n gt h ea v e r a g eb e n ，i nw h i c h6 46 - b i tg r a yc o d ew o r d sm ：? w i t h6 48 - b i tc o d ew o r d sc h a r a c t e r i z e db yab i n a r y2 - u n i td i s t a n c e h o w e v e r ，n u m e r o u s s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h e6 ：8g c w m cf a i l st or e d u c et h e a v e r a g eb e nd i s t i n c t l y , t r e d e s i g no ft h e6 ：8g c w m c m a k e sau s e f u lr e s e a r c h i n gw o r kf o rt h e d e s i g no fa 6 8 l c w m cw i t ho p t i m a l m a p p i n gr e l a t i o n s ( k n o w na sa6 ：8o c w m c ) a f t e r w a r d s i no r d e rt od e s i g nt h e6 ：8o c w m c ，w et r e a tt h eo p t i m i z a t i o np r o b l e mo ft h eb e s t m a p p i n gf o rt h e6 ：8c w m c a sao n eo f m u l t i s t a g ed e c i s i o n ，a n do f f e rt h em a t h e m a t i c a l m o d e lf o rd e s i g n i n gt h e6 ：8o c w m c ，a n dr e a l i z ei tb yu s i n gg r e e d ya l g o r i t h m t h et o t a l b e ni n9 4 8t i m e se f f e c t i v e2 - b r e e sf o rt h ec o d i n gt a b l eo ft h e6 ：8o c w m c i s2 0 6 4 b i t s ，w h i l ef o rt h ec o d i n gt a b l eo f t h e6 ：8n c w m c 2 6 18b i t s ；a n dc o r r e s p o n d i n ga v e r a g e b e ni s2 1 7 7 2b i t sa n d2 7 6 1 6b i t s r e s p e c t i v e l y t h u s t h ea v e r a g eb e nr e d u c e so 5 8 4 4 b i t sf o rt h e2 - b r e e b yu s i n gt h e6 ：8o c w m c c o m p u t e r s i m u l a t i o nr e s u l t sf o rt h eb e r p e r f o r m a n c es h o wt h a tt h e6 ：8o c w m c i sm o r ea d e q u a t et ob ee m p l o y e di nt h ed h d s c h a n n e lw i t hs e v e r ei s ia n dn o i s e a sam a t t e ro fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，w eh a v ef o u n do u tt h a tt h eo c c u r r e n c eo ft h e 2 - b r e eh a sar e l a t i o nt ot h en u m b e ro f q u a n t i z a t i o nl e v e l sr e g a r d l e s so f w h i c h d e t e c t i n g m e t h o d sf o rt h e6 ：8c w m c s p e a k i n gt ot h ec u r r e n tv di n v e n t e db yi b mr e s e a r c h e r sf o r t h e6 ：8c w m c ，t h ee f f e c to f f i n i t er e s o l u t i o no f t h eq u a n t i z e rc r e a t e st h em o r en u m b e ro f t h et w op a t hm e t r i c sb e i n ge q u a la tam e r g e dn o d ei nt h et r e l l i se m p l o y e dt od e s c r i b et h e v d w h i c hl e a d st ot h eh i g h e ro c c u r r e n c eo ft h e2 - b r e ei ft h ev dr e t a i n so n es u r v i v o r s e q u e n c er a n d o m l ya t t h e s i t u a t i o n i n c r e a s i n gt h er e s o l u t i o no ft h eq u a n t i z e ri n t h e r e a d i n gc h a n n e lo f t h ed h d s o n l yc a nm i t i g a t et h eo c c u r r e n c eo f t h e2 - b r e ei ns o m e d e g r e em o r e o v e r ，w h i l ei m p l e m e n t i n gt h ev d f o rau s e f u lc o m m e r c i a ld h d sd e v i c ei n v e r yl a r g e s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t r y , al a r g et h en u m b e r o f q u a n t i z a t i o nl e v e l si m p l i e st h e v d d e s i g nw i t hal a r g e ra r e a ，h i g h e rp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n dm a y b e am o r ec o m p l i c a t e d c i r c u i tt o p o l o g y c o n s e q u e n t l y , w i t ht h ev d ，w eh a v ep r o p o s e dap c v ds c h e m eb y i n c r e a s i n ga na s s i s t a n tc o m p a r i s o nf o rt h ec o m p o n e n t so faq u a n t i z e ds e q u e n c ea t t h e a b o v es i t u a t i o n ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yd e c r e a s et h eo c c u r r i n gn u m b e ro ft h e2 - b r e e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tu s i n ga3 - b i tq u a n t i z e r ，t h ep c v ds c h e m ec a np r o v i d ea n i m p r o v e m e n to f a tl e a s t3d bo v e rt h ev ds c h e m ea tb e r = i o ，w h i c hc a nb eu s e dt o i n c r e a s es t o r a g ec a p a c i t y c o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a tu s i n gd i f f e r e n tm a p p i n gp a t t e r n sf o ra l l 8 - b i tc o d ew o r do ft h e6 ：8c w m co n t oa s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ( s l m ) r e s u l t si n i v d i f f e r e n ta b i l i t yt os u p p r e s st h ei s l ，a n dt h u si nd i f f e r e n tb e rp e r f o r m a n c e w ed e f i n e t h ea d j a c e n td e g r e eo fap i x e la r r a ya n dt h ed e g r e eo fd e f l e c t i v ec e n t e rt oe x p l a i nt h e r e a s o n t h ec a l c u l a t i o n sb yt h et w od e f i n i t i o n sa r ei nl i n ew i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s w i t hc o r r u p t e db yt h ei s io f t h ed h d sc h a n n e l ，ab i n a r yd a t aw r i t t e no nt h es l m ；s c h a n g e di n t oa m u l t i v a l u e dd a t a t h e r e f o r e ，i no u rs i m u l a t i o np r o c e d u r e ，w ec o n s i d e rt h e m u l t i v a l u e dd a t aa sam u l t i l e v e ls i g n a lw i t hu n e q u a lp r o b a b i l i t ya n da p p r o x i m a t e l ye q u a l t h el e v e ls e p a r a t i o ni nt h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ，a n dt h e nt r a n s f e rt h e s i g n a l u n d e r a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s ec h a n n e lb y u s i n gm o n t e c a r l os i m u l a t i o n s i nt h i sw a y ，t h e e f f e c t i v e n e s so ft h e6 ：8o c w m ca n dt h ep c v ds c h e m ei sv e r i f i e d f i n a l l y , w ed e s i g n t h ep r o g r a mf o rt h e6 ：8o c w m c c o d i n g ，d e c o d i n g a n dt h e p c v ds c h e m ew i t ht h ev h d l ( v e r y h i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) a n d t h e n v e r i f y t h e p r o g r a mo ft h e p c v ds c h e m eb yt h em a x + p l u si ! ( m u l t i p l ea r r a ym a t r i xa n dp r o g r a m m a b l el o g i c u s e rs y s t e m i i ) w i t hab e t t e re f f e c w h i c hl a y saf o u n d a t i o nf o rt h er e a l i z a t i o no ft h ep c v ds c h e m eb yac p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) k e yw o r d s ：h o l o g r a p h i cs t o r a g e ；m o d u l a t i o nc o d e ；c o n s t a n tw e i g h tc o d e ；g r a yc o d e ； i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ；m u l t i s t a g ed e c i s i o n ；v i t e r b ia l g o r i t h m ；m o n t ec a r l om e t h o d v 独创性声明 y5 7 8 9 7 2 本人声明所呈变的学位论文是我个人幺导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体均已在文中以明确方式标明。奉人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者懿倦 日期奶年，9 月日 学位论文版权使用授权书 率学位论文作者完全了解学校有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国寡有关揶门或讥掏送交论文的复印件和电子版，允许论文键查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，司以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本论支属于 不j 罴密o 。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 一躲佑燃揪师礴垃 f i = ：期a ，1 多年，月髟日 日期：一号年f 。月s 日 1 1 全息数据存储的基本原理 1 绪论 人们现在生活在一个信息爆炸的时代，数据的处理、传输和存储是信息得到利 用的二个关键技术。随着各种数字化信息的广泛使用，例如数字化地球、数字化基 因库以及全球范围内的互联网信息交换，人们要求数据存储器具有更大的存储容量 和更快的读写速度。专家们估计仅互联网应用对存储容量的需求是每隔1 0 0 天翻一 番，而个人计算机对存储器容量的需求不是按照摩尔定律每隔1 8 个月翻一番，儿乎 是每隔1 2 个月翻一番。提高存储容量一般有2 种方法：一种是增加现有存储系统的 数量，例如磁赢阵列和光盘塔；另外一种就是提高各种技术来增加存储介质的存储 密度，例如单层d v d 盘片的存储密度大于同样尺寸的c d 盘片。由于2 维存储的密 度将要接近其物理极限，研究人员已将目光转向了3 维存储。对于光存储而言，体 存储容量与面存储容量之比是所用激光器波长的平方与立方的关系。因此，专家们 研究出多层c d 盘片，双面4 层膜的d v d 盘片，但它们只不过是一种容量有限的3 维存储。在现有的几种基于页的体存储研究方案中( 例如：体全息记录、光谱烧孔、 光子回波、双光子存储和光致变色多层存储) ，数字全息数据存储( d i g i t a lh o l o g r a p h i c d a t as t o r a g e ，d h d s ) 由于同时具有高速的数据传输速率( 1g b i t s s ) 、巨大的存储容 量( v 3 ：v 是全息存储晶体的体积， 是光源的波长) 和短暂的访问响应时间( 1 0 0 “s ) ，极有可能成为下一代数字数据存储技术“2 。 图1 1 为数字全息数据存储器的基本原理示意图。首先，将待存储的二值化数 据流( 也可以是多值化的灰度数据) 以页为单位映射到空间光调制器( s p a t i a ll i g h t m o d u l a t o r ，s l m ) 匕，由此在s l m 上形成的与该二值化图像对应的亮点和暗点一一 物光。然后，物光和来自于同一激光源的参考光在具有光折变效应的存储晶体内部 彤成干涉图样( 利用晶体的折射率发生变化) 一一位相全息图。当记录介质的厚度 小于十涉条纹的间距时称之为平面全息图；反之，则称之为体积全息图，需要长期 保存的全息图可使用固化定影技术”1 。由于实际记录的是一二值化图像的傅立叶谱， 冈此罔lr 卜的l l 透镜对存储的图像作傅里叶变换而l 2 透镜对待恢复的图像作傅罩 叶反变换。利用体积全息图的布拉格角的选择性，通过改变参考光束的入射角度， 可以实现多重存储。读出时，若仅用适当入射角度的参考光照射体积全息图则会发 t 卜光栅衍射，由于衍射光波中包含有原来的物光波，因而，利用光电检测器阵列( 例 如，电荷耦合器件c c d ，c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) ，可将重建的二值化图像的光强分 布转化为电信号输出。 图1 1 数字全息数据存储器原理不意幽 d h d s 除了存储容量大、数据读出速率高、访问响应时问短的特点外，还有一 个其它存储技术与之无法相比的显著特点是具有按内容寻址的功能( 国外全息存储 研究学者认为这是全息数据存储最具有吸引力的应用) ：在读出时，让参考光携带菜 个需要查找的图像信息，当入射角度不断变化的此参考光照射在存储晶体时，根据 相关检测的原理，可在此存储晶体内检索到与之匹配程度最大的信息所存放的地址， 即将存储的全息图用作图像识别时的匹配滤波器”。利用此功能可实现基于图像相 关运算的快速目标识别、车辆自动导航、卫星图像匹配定位( 导弹准确地跟踪目标) 、 大型数据库的检索与管理。 1 1 1 全息数据存储系统光记录通道的基本部件 早在1 9 4 8 年，英籍匈牙利科学家伽伯( d e n n i sg a b o r ) 为了提高电子届微镜的 分辨率提出了全息照相的思想，并开展了全息图的研究工作。在6 0 年代初期发明的 激光器使得全息图的研究变得很容易，这时候，v a nh e e r d e n 提出了体全息存储的 概念，并预测了其存储容量。从那时起，研究人员丌始研究全息存储，并在一种 光折变晶体( l i n b 0 3 ) 中作了全息存储的演示实验”。由于缺乏存储和恢复信息的 输入和输出器件，人们不得不于7 0 年代初期几乎放弃了对余息存储的研究。当后来 研制山了高性能激光器、光电互换器件( s l m ，c c d ) 和优良的全息存储材料以及 计算机剥存储容量的需求不断增加”1 ，才在9 0 年代初期，国外的研究人员又恢复了 对全息数据存储研究的信心。以下介绍用于d h d s 中的几个基本部件： 激光器：由于记录和再现全息图分别是基r 光的干涉和衍射，因此，激光器是 必不可少的光源器件。根据v a nh e e r d e n 提山的体全息存储容量的理论卜限为v x 3 ( v 为存储材料的体积， 为光波长) ，似乎输出的激光的波民越短越好，然而，选 择激光器首先必须考虑记录材料的响应波长，记录所需的功率，激光器输出光束的 光谱宽度，再现全息图时检测器在该波长“f 的量子效率，商品化时还要考虑激光器 的体积和价格。早期的实验室中一般使用体积庞大的a r + 气体激光器，其波长为 5 1 4 5r i m ，输出功率高达5w ”1 ；随着记录材料所需的记录功率下降和全息技术 商品化的需要，研究人员使用微型l d 双频泵浦全固体n d ：y a g 绿光激光器，其波 氐为5 3 2n m ，功率为i 0 0m w 左右。 s l m ：输入信号( 光信号或者电信号) 借助空间光调制器( 一种组页器件) ，划 激光波前的位相、振幅( 或光强) 、偏振态进行调制，形成2 维光学图像( 即图1 1 中的物光) 。根据形成物光的方式，s l m 可分为透射式和反射式两种：另根据接收 调制信号的方式，s l m 可分为光寻址和电寻址两种。光寻址的s l m 是用连续的非 像素单元结构产生调制作用，主要用于光一光转换器件；电寻址的s l m 则是用分离 的像素单元结构产生调制作用，可作为电一光转换器件，在电寻址的s l m 中还可分 为灰度级( 多值电平) s l m 和二值( 0 、1 电平) s l m 。实验室中用于d h d s 系统中的 s l m 主要是由液晶材料制成。从组页器的角度考虑，要求s l m 具有高分辨率、高 对比度、大的像素数目和良好的光学平整度。令息数据存储论坛( h o l o g r a p h i cd a t a s t o r a g es y m p o s i u m ) 要求：s l m 应具有1 0 2 4 1 0 2 4 个像素，其填充因子为6 6 ( s l m 的像素填充因子是指一个像素实际用于调制的空间比例) ，一个正方形像素的边长为 1 5 6um ( i b m 的全息实验台上的s l m 的像素尺寸为12 8um ) ，其有效像素尺寸 是1 0 3 m ；帧速应达到1 0 0 0 h z ( 即页率为页m s ) 。 c c d ：读出全息图时，广泛使用的光电转换器件c c d 是由半导体材料制作而 成，它将矩形像素上的光信号( 通过光予计数) 转化为电信号，由于检测的是信号 强度，所以它是一种平方律( s q u a r e 1 a w ) 检测器件( 存在非线性失真) ，但具有体 积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、低功耗和动态范围大等特点。c c d 有线阵和面 阵两种，d h d s 中一般使用面阵c c d ，其主要性能指标有：电荷转移效率、工作频 率、噪声、暗电流、光灵敏度、量子效率、分辨率和动态范围，同样要求其帧速应 达到1 0 0 0 h z ( 即页率为页m s ) ，并且c c d 的像素尺寸要与s l m 相互匹配( c c d 的像素填充凶子是指一个像素实际用于收集光电子的空间比例) ，由此达到1 g b i t s q 的数据传输率( t b m 的全息实验台上的c c d 的像素尺寸为1 2 um ) 。 记录材料：d h d s 系统的存储容量、传输速度、体积都受制于记录材料，因此； 如何研制记录材料是一项最为关键的技术。选择或制作全息记录材料不仪要求其厚 度远人于光波长( 要求厚度大于5 0 0um 以卜) ，而且介质的整个体积内部都应该能 对某一波长的光照产生响应，并且介质内部的折劓率也能随之发生改变。到目前为 止，科学家们已研制出几种全息记录材料：光致聚合物( p h o t o p o l y m e r ) 、光致变色 材料和光折变材料。光折变材料可分为无机材料( 光折变晶体，例如实验中使用最 多的掺铁铌酸锂晶体：l i n b 0 3 ：f e ) 和有机材料( 光折变聚合物) 。光折变聚合物 ( p m m a ：d t n b ：c 6 0 和p q p m m a ) 比光折变晶体具有更高的光折变灵敏度和衍射效 率，而且价格便宜。与光致聚合物相比较不存在收缩( 由于聚合反应和非线性响应 的存在，使得聚合物材料在写入数据时会发生收缩现象，导致读出的全息图产生岁、 真；但是，光致聚合物同样也具有很高的灵敏度和动态范围) 。经过综合比较它们的 性能：光谱响应范围、动态范围、灵敏度、稳定性、材料的厚度、空间频率向应和 散射噪声，认为光折变材料和光致聚合物都有较大希望作为记录材料用于不同功能 配置的数字全息数据存储系统n “1 。“。 1 1 2 全息数据存储系统中的记录技术和复用技术 d h d s 系统中记录的多幅全息图，是非相干叠加在存储材料的同一体积内形成 “页栈”，由此达到提高等效面存储密度的目的。在读出时，每幅全息图的衍刺效率 为n 。c ( m # m ) 2 ，其中m # 是用来度量记录材料的动态范围，m 为一个页栈内的页 数。但由于后续全息图记录时的写入光束会对已写入的全息图产生擦出效应，导致 渎出时每幅全息图的衍射效率并不均匀。因此，为使再现的每幅全息图具有均匀的 衍射效率，在写入时对于光折变材料可分别采用顺序曝光和增量曝光两种方案。两 种记录方案比较表明：顺序曝光容易使页栈内的全息图的衍射效率不均匀，尽管增 量曝光记录所消耗的时间较长，但是增量曝光记录可实现等衍射效率的全息图，而 且不会由于曝光产生扇形散射噪声。 另外在多次读出全息图时，也会对已记录的全息图产生擦除效应。如何让由光 折变材料组成的d h d s 系统能长期保持存储的信息，是使用光折变材料的d h d s 系 统能否商品化的又一关键。因此，研究人员采用了一种有效措施：双光子存储。它 能简化系统设计、实现非破坏性读出并且能实时固定全息图。其方法是：在记录全 息图的同时，增加了另一波长的光束，称之为“门控光”，它可以是白光、蓝或绿激 光，还呵以足记录光的二次偕波( 即原u 录光的倍频) ，在记录时同时使用门控光照 射光折变材料，读出时则关闭门控光。由于短波长的门控光具有足够的能量将电子 从束缚态激发到导带，而长波长的记录光只能使电子从价带跃迁到带隙中的束缚态， 因此读出时对令息图无擦除效应。 如果d h d s 系统作为可读写的随机存储器使用，必须能够有选择性地擦除一个 给定的全息图，同时又不影响页栈内的其它全息图。研究人员在实验中，对待擦除 的全息图位置重新再记录一幅与原全息图的t 涉图样有n 位相失配的全息图，并用 动力学理论解释了有选择性擦除的机制。 使用记录技术可以提高d h d s 系统中全息图的清晰度和延长其保存时间，而复 用技术j j l 0 是增加系统中全息图的存储容量并且还决定了记录系统的结构和复杂度， 以下介绍几种复用技术： 角度复用：这是一种使用最早、研究最充分的复用技术。利用体积全息图的角 度选择性，它使不同的信息页面互不相干地叠加在同一个空问区域内，形成一个页 栈。记录时，每幅全息图对应参考光的一个入射角度0 ，( 0 = 0 + i ao ，ao 一 0 0 1o ，3 0 0 0 6 0 0 ) 。对商品化的d h d s 系统的要求是在。个页栈内必须能存储 1 0 0 0 幅全息图，角度分辨率0 由记录材料的厚度决定( 越厚存储的页数越多) ： 读出时，则是利用了布拉格角的选择性”。 位相复用：角度复用技术町认为是一种线性位相编码技术，由于有限宽度的布 拉格选择角必然导致页问串扰噪声，另# b l l l 哽序地改变参考光的角度来寻址每一个页 面需要极精密的声光或电光偏转器件。因此，研究人员提出了位相编码技术“6 ”，1 “ 。，当读或写存储在同一体积内的全息图时，参考光和物光的波长和角度都不需要 改变，这有利于全息图的快速随机读写操作。c l a r a a l v e s 等人在光折变晶体b a t i o 、 中用确定的位相编码技术存储了6 4 页( 1 2 8 1 2 8p i x e l s 页) ，随机读出一幅图像仪 需要1 5 0g s “。位相编码一般使用确定性位相编码中的正交位相编码：记录第i 幅 全息图时，n 个子参考光束同时与代表第j 幅全息图的物光发生干涉，产牛一个相 对相移咖j k ( 0 或n ) ，与之相对应的是确定性相位项e ，f 是该项产生了可变的 相位集合( 中j l ，中j n ) ，它代表了第j 幅全息图的地址；再现第j 幅全息图时， 是用携带有相对于第j 幅全息图地址的w a l s h h a d a m a r d ”位相码( 1 对应相位0 ，1 列应相何n ) 的n 个子参考光束同时照射页栈内的所有全息图，页栈内的每一幅全 息图都有n 个再现光束，它们互相干涉。相应于第j 幅全息图的所有再现光束足相 长i 涉，衍射效率最大，而对于其它全息图则是相消干涉，理论上其衍射效率均为 0 。由此可见，正交位相复用能使页问串扰最小。 波长复用：同角度复用和位相复用一样，波长复用也是基于布拉格角的选择件， 但是在波长复用中，每一幅全息图是与一个特定的光源波长 相对应”“。由于半导 体激光器的调谐范围有限( 限制了存储容量) 、调谐速率太慢，而且价格昂贵。 除了上述的共同体积复用( 角度复用、位相复用和波长复用) 技术外，还包括 空m 复用和混合复用技术三大类。空间复用是首先将记录介质的2 维平面划分成不 同的区域，然后在每个区域存储4 幅全患图。这种在2 维平面不同位置存储全息图 的技术类似现在的硬盘和光盘的存储格式，存储