全息存储

**雷射全像儲存技術**是一種利用雷射全像攝影原理將圖文等資訊記錄在感光媒介上的大容量資訊儲存技術，它有可能取代磁儲存和光學儲存技術，成為下一代的高容量資料儲存技術。傳統的儲存方式將每一個位元都記為記錄媒介表面磁或光的變化，而全像儲存中將資訊記錄在媒介的體積內，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，磁儲存和光儲存每次都只能讀寫一個位元的資訊，而全像儲存可以並列的讀寫數百萬位元，這樣可以使訊號的傳輸速率大大超過目前光儲存的速度 。

## 記錄資料

全像資料儲存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、波長和媒介的位置，理論上可以在同一個空間記錄下數千位元張全像圖像。資料儲存密度的極限是幾十 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 / 平方英寸的儲存密度。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）可以儲存約 3896.6Gb 的資訊。

## 讀取資料

通過重新產生相通的參考光來重建全像圖像可以將儲存的資料讀出。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。檢測器可以並列的將資料讀出，一次就可以讀出超過 1 兆位元的資訊，因此資料率非常高。記錄在全像驅動器中的檔案的存取時間可以做到在 200 毫秒以下。

## 儲存壽命

全像資料儲存可以為公司提供儲存資訊的新方法。如果使用一次寫入多次讀取的方法，可以保證內容的安全，防止儲存的的資訊被重寫或者修改。全像儲存製造商認為，這種技術可以提供安全的資料儲存方案，儲存資料的內容 50 年也不會發生變化，遠遠超過當前的資料儲存技術。反對觀點認為，資料讀取技術每十年就會發生巨大的變化，因此儘管有能力將資料儲存 50-100 年，但是很有可能需要用到資料的時候卻無法找到合適的讀取裝置來讀取。然而，效能很好的儲存方案可以持續使用很長的時間，另外，即使技術更新換代了，仍然可能有後向相容的解決方案，就像現在的 BD 技術後向相容 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儲存多少張全像圖像。

**空間光調製器**是像素化輸入裝置（液晶面板），用來將資料疊加在物光線上。

## 技術細節

一般情況下，全像儲存是一種一次寫入多次讀寫的儲存技術，這是由於在寫入資料的時候，儲存媒介發生了不可逆的變化。可重寫的全像儲存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媒介上產生干涉圖樣。這兩束光分別稱為參考光和訊號光。
* 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向導帶的躍遷。電子躍遷後價帶含有正電，留下的位置稱為空穴。在可重寫的全像圖像材料中，要求空穴不抽取式。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，電子就有一定的概率與空穴重新結合，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。這個速度會影響全像圖像的強度。
* 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。

當資訊需要從全像圖像中讀取出來的時候，只需要參考光就可以重建全像圖像。參考光以和寫入全像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，其中之一將會重建儲存了資訊的訊號光。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儲存 1 位元的資訊。例如，氦氖雷射器所發出的紅色雷射波長為 632.8 奈米，每立方毫米就可以儲存 4Gb 的資料。實際上，資料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，需要考慮到成本和效能的折衷
* 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）

現在的儲存技術每次都只能讀寫一個位元的資訊，而全像儲存技術可以使用一束光並列的讀寫資料。

## 雙色記錄

在雙色全像記錄的過程中，參考光和訊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訊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像記錄，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。參考光和訊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效能。這個最佳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。這個最佳的狀態一般出現在 95%-98% 的深陷阱都填滿了。在強氧化環境中製備的樣品中，全像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，全像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，而儲存的全像圖無法恢復了。

## 開發行銷

在 2002 年，全世界主要有三家公司在進行全像儲存方面的研究，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。儘管全像儲存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，計劃中的全像儲存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，如需要很高存取速度的應用等等。

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像儲存技術的商業儲存裝置原型。
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，奇異全球研究中心展示了他們自行研究的全像儲存材料，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。

## 另見

* 全像萬用卡
* 全像萬用光碟
* 全像記憶體
* 三維光學資料儲存
* 全像攝影

## 參考文獻

## 外部連結

* 全像儲存工作原理（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 大宇電子為全像資料儲存開發的全世界第一個高精度伺服運動控制系統（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 基於頁與基於位元的全像儲存的比較
* 萬勝全像媒體新聞稿
* 通用電子全球研究中心開發的 Tb 光碟和播放器 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）