全息存儲

雷射全息存儲技術是一種利用雷射全息攝影原理將圖文等資訊記錄在感光介質上的大容量資訊存儲技術，它有可能取代磁存儲和光學存儲技術，成為下一代的高容量數據存儲技術。傳統的存儲方式將每一個比特都記為記錄介質表面磁或光的變化，而全息存儲中將資訊記錄在介質的體積內，而且利用不同角度的光線可以在同樣的區域內記錄多個資訊圖像。

另外，磁存儲和光存儲每次都只能讀寫一個比特的資訊，而全息存儲可以並行的讀寫數百萬比特，這樣可以使信號的傳輸速率大大超過目前光存儲的速度。

## 記錄數據

全息數據存儲在光敏光學材料上通過非光學相干圖樣來記錄資訊。一束雷射首先被分成兩部分，產生暗像素和亮像素。通過調整參考光的角度、波長和介質的位置，理論上可以在同一個空間記錄下數千比特張全息圖像。數據存儲密度的極限是幾十TB/立方厘米。2006年，InPhase科技發表了一份白皮書，稱他們已經實現了500Gb/平方英寸的存儲密度。據此我們可以推測出一張普通的光碟（寫入半徑大約4厘米）可以存儲約3896.6Gb的資訊。

## 讀取數據

通過重新產生相通的參考光來重建全息圖像可以將存儲的數據讀出。參考光聚焦在光敏材料之上，照亮了合適的干涉圖樣，光線在干涉圖樣上發生衍射，衍射圖案投影到檢測器上。檢測器可以並行的將數據讀出，一次就可以讀出超過1兆比特的資訊，因此數據率非常高。記錄在全息驅動器中的文件的訪問時間可以做到在200毫秒以下。

## 保存壽命

全息數據存儲可以為公司提供保存資訊的新方法。如果使用一次寫入多次讀取的方法，可以保證內容的安全，防止存儲的的資訊被重寫或者修改。全息存儲製造商認為，這種技術可以提供安全的數據存儲方案，儲存數據的內容50年也不會發生變化，遠遠超過當前的數據存儲技術。反對觀點認為，數據讀取技術每十年就會發生巨大的變化，因此儘管有能力將數據保存50-100年，但是很有可能需要用到數據的時候卻無法找到合適的讀取設備來讀取。然而，性能很好的存儲方案可以持續使用很長的時間，另外，即使技術更新換代了，仍然可能有後向兼容的解決方案，就像現在的BD技術後向兼容CD及DVD技術一樣。

## 常用術語

敏感性指的是單位曝光量所能產生的折射率調製的變化幅度。衍射效率和調製指數與有效厚度的平方成正比。

動態範圍決定了在同一個體積內可以存儲多少張全息圖像。

空間光調製器是像素化輸入設備（液晶面板），用來將數據疊加在物光線上。

## 技術細節

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一般情況下，全息存儲是一種一次寫入多次讀寫的存儲技術，這是由於在寫入數據的時候，存儲介質發生了不可逆的變化。可重寫的全息存儲技術可以通過晶體的光致折變效應來實現：

- 從兩個光源產生的相干光可以在介質上產生干涉圖樣。這兩束光分別稱為參考光和信號光。
- 當出現相長干涉的時候，干涉圖樣顯示為亮斑，材料中的電子接受了光的能量，可以發生從材料價帶嚮導帶的躍遷。電子躍遷後價帶含有正電，留下的位置稱為空穴。在可重寫的全息圖像材料中，要求空穴不可移動。當出現相消干涉的時候，光的能量比較低，因此電子不會發生躍遷。
- 導帶中的電子可以在材料中自由移動。電子的運動受到兩種相反的力的作用，第一種是電子和躍遷後留下的空穴之間的庫侖力的作用，這個力使得電子難以移動，甚至會將電子拉回空穴。第二個力是擴散作用產生的，它使電子移向電子密度較低的地方。如果庫侖力不夠強，電子就會移動至暗條紋處。
- 在電子躍遷一開始，電子就有一定的機率與空穴重新結合，回到價帶。結合率越高，電子能夠移動到暗條紋處的數量就越少。這個速度會影響全息圖像的強度。
- 在一部分電子移動到暗條紋處並與其中的空洞結合以後，在暗區的電子和在亮區的空穴間就會建立一個永久的空間電場。由於電光效應，這個電場會影響到晶體的折射率。

當資訊需要從全息圖像中讀取出來的時候，只需要參考光就可以重建全息圖像。參考光以和寫入全息圖像的時候完全相同的放射照射在材料上。由於寫入的時候折射率發生了變化，光線會分裂為兩部分，其中之一將會重建存儲了資訊的信號光。一些檢測器比如電荷耦合元件（CCD）照相機可以用來將資訊轉化為更容易使用的形式。

理論上一個邊長為寫入光波波長的立方體可以存儲1比特的資訊。例如，氦氖雷射器所發出的紅色雷射波長為632.8納米，每立方毫米就可以存儲4Gb的數據。實際上，數據密度會遠遠低於理論密度，主要是由於以下幾個原因：

- 需要使用糾錯編碼
- 需要考慮光學系統的缺陷和約束
- 高密度的記錄的成本也會更高，需要考慮到成本和性能的折衷
- 設計技術的約束（目前磁記錄的硬碟已經面臨著這個問題了，磁疇結構使得硬碟製造無法達到理論上的極限）

現在的存儲技術每次都只能讀寫一個比特的資訊，而全息存儲技術可以使用一束光並行的讀寫數據。

## 雙色記錄

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在雙色全息記錄的過程中，參考光和信號光固定使用一個特殊的波長（綠光、紅光、甚至紅外光），而敏化/開關光束為一個單獨的短波長雷射（藍光或者紫外光）。敏化/開光光束用來使材料在記錄過程之前和之後變得敏感，而資訊將通過參考光和信號光在晶體中記錄下來。開光光束在記錄過程中會間歇性的照射，以測量衍射光的強度。在讀取的過程中，仍然通過單獨照射參考光來實現，由於參考光波長較長，它無法在使被束縛的電子在讀取階段激發，因此需要短波長的敏化光來擦除記錄的資訊。

通常為了進行雙色全息記錄，需要使用兩種不同的摻雜物來增加俘獲中心，這兩種摻雜物分別是過渡金屬和稀土元素，他們對特定波長的光波很敏感。通過使用這兩種摻雜物，可以在硝酸鋰晶體中產生更多的俘獲中心，準確地說是一個淺陷阱和一個深陷阱。這個概念現在用於使用敏化光將電子從比價帶更深的深阱中激發至導帶，然後使電子被接近導帶的淺陷阱俘獲。參考光和信號光用來使電子從淺陷阱中激發並返回深陷阱。這樣，資訊將被儲存在深陷阱中。讀取資訊的時候僅僅使用參考光就可以了，而由於參考光的波長較長，能量較低，因此不會使電子從深陷阱中激發。

### 硝酸鋰晶體雙摻雜退火效應

對於雙摻雜的硝酸鋰晶體，存在一個最佳的氧化/還原的狀態，在這裡可以達到最好的性能。這個最優點和深陷阱和淺陷阱的摻雜水平和以及晶體樣品的退火條件有關。這個最優的狀態一般出現在95%-98%的深陷阱都填滿了。在強氧化環境中製備的樣品中，全息圖像無法很容易的記錄下來，衍射效率也非常低。這是由於淺陷阱完全是空的，深陷阱中也缺乏電子。在高還原性環境中製備的樣品中，深陷阱完全被填滿了，而淺陷阱也幾乎被填滿了，這使得材料對光非常敏感（可以用於快速記錄），而且也有很高的衍射效率。然而在讀取階段，所有的深陷阱很快就被填滿了，全息圖的產生依賴於淺陷阱中的電子，但是這部分電子會在讀取階段被激發，從而使得資訊被刪除了。因此在數次度區後，衍射效率會降低至0，而儲存的全息圖無法恢復了。

## 開發營銷

在2002年，全世界主要有三家公司在進行全息存儲方面的研究，這些公司是美國的InPhase科技和美國萬勝公司，以及日本的Optware公司。儘管全息存儲的技術自從二十世紀六十年代就開始討論，而且至少從2001年就開始兜售接近使用的商用方案，但是直到現在仍然在試圖使人相信這項技術會找到合適的市場。從2002年開始，計劃中的全息存儲產品還並不想與硬碟展開競爭的，而是試圖尋找到能夠利用到它的特別的優點的市場，如需要很高訪問速度的應用等等。

2005年，在拉斯維加斯舉行的國家廣播協會會議上，InPhase科技在美國萬勝公司展位上公開展示了世界上第一個使用全息存儲技術的商業存儲設備原型。

InPhase科技在2006年和2007年數次宣稱將會推出其旗艦性產品，然而在不停的延期推遲發布以後，於2010年2月關閉。它的資產由科羅拉多州沒收以償還欠稅。這家公司共花費了一億美元，但是投資者無法再籌集更多的資本了。

2009年，通用電氣全球研究中心展示了他們自行研究的全息存儲材料，這種材料可以用於光碟，使用的讀取技術和目前的藍光光碟播放器類似。

## 外部連結

- 全息存儲工作原理
- 大宇電子為全息數據存儲開發的全世界第一個高精度伺服運動控制系統
- 基於頁與基於比特的全息存儲的比較
- 萬勝全息媒體新聞稿
- 通用電子全球研究中心開發的Tb光碟和播放器