互动科普

经过三十多年后，研究人员现在即将能够用全息图把数据存储在速度快、容量大的存储器中。

过去15年来，数据的光学存储一直是技术热门之一。例如，光盘在音乐唱片市场上占了统治地位，而且现在也是多媒体产品的标准媒介（多媒体产品把文本、图像和声音结合了起来）。记录在光盘上提供给个人计算机用户的多媒体产品包括电视游戏、整本的杂志、百科全书及地图等。

毫无疑问，光学存储器能够方便而廉价地存储大量的数字化信息。一张光盘可以容纳大约6.4亿字节的信息，足以放1小时又一刻钟的高保真音乐或存储30万页以上的隔行打印文本。然而，各种迹象表明，这些大容量存储器刺激了对容量更大、成本更低的存储介质的需求。娱乐业的公司经理们希望把一部或一部以上的影片存储在一张其尺寸如光盘大小的光学存储盘上，而某些医院、法律事务所、政府部门和图书馆的数据存储需求是如此之大，以致它们采用了所谓“自动电唱机”的装置, 这种装置的机械臂可查索到数百张光盘中的任何一张。

工程师们的对策是采用各种措施来尽量发挥光盘系统的效能。有的工程师正在研究波长更短的半导体激光器（实际上就是使唱针针尖更细以便缩小光盘上各数据位的间距）。其他一些工程师则在研究数据压缩和“超分辨率”技术，它们也可以提高存储密度（不过后者要以背景噪声增大为代价）。另一个有希望的发展动向是多层光盘，这种光盘的两条或两条以上的数据存储光道是重叠的，并用一下一次可聚焦于其中一层上的光学系统来读出。这些技术方案可望在大约5年内把光盘的存储容量提高到数百亿字节。

但是，如果要让光盘大小的存储盘容纳多得多的数据——比如说数千亿字节，那么就需要采用一种完全不同的方法：全息术。全息术的概念可追溯到1963 年，当时Polaroid公司的Pieter J.Van Heerden首次提出用这一方法来实现三维数据存储。

现在人们相信，全息存储器能够存储几千亿节数据，以每秒10亿位或10亿位以上的速度传送数据，并在100微秒或更短的时间内选择一个随机选定的数据单元。其它任何一种同时具有这三项优点的存储技术都没有 全息术这样接近商品化阶段，这一事实促使Rockwell, IBM和GTE之类的大公司在过去两年中开展了或扩大了研究全息存储器的工作。

在初始阶段，这一技术的费用和新颖性可能将使其只限用于少数和需要大容量和高速度的特殊场合。这类用途目前已经在努力地开辟其小小的安身之处——有一种最近推出的产品通过全息方法把那些有权进入禁区的人的指纹存储起来。欲进入者把手指按在一块玻璃板上，如果与存储的指纹符合，则允许其进入，假如此技术在满足这类需求的过程中逐步成熟起来且成本得到降低，则它就可能取代光盘而成为通用计算的高容量数字存储介质。

命息存储的主要优点是存储容量大，存取速度快，这两项优点来自全息存储的三维记录及一次同时读出一整页数据这两个性能。全息存储器把每一位都以干涉面案的形式存储于介质的整个体积内。

全息存储器的工作原理

这种图案也称为光栅，它是当两束激光在其光学性质可被相交光束改变的光敏材料中相互干涉时形成的。

数据的各个位在以这种方式存入晶体之前，必须先在一个液晶显示器（LCD)屏幕上表示为一种由透明与不透明方格组成的图案。（这种液晶显示器是膝上式计算机中的液晶显示器的微型型式）。一束蓝绿激光穿过这一纵横填字字谜似的图案（即页），并用透镜聚焦，形成一个称为信号束的光束。当这个信号光束与另一束激光——称为参考光束——在光敏材料中相遇时，便产生出该页数据的一幅全息图。在这种情况下，参考光束是准直的，这意味着它的所有光波都是同步的，波峰和波谷步调一致地穿过一个平面。（事实上，这类波也称为平面波。）信号光束和参考光束相遇时产生出的光栅以变化的折射率构成的一幅图案的形式存储于品体中。       

—页数据在以这种—方式被记录下来后，可以通过全息术使其重现，其方法是用参考光束再次照射晶体，照射的角度与当初参考光束进入晶体产生全息图的角度相同。当参考光束穿过晶体中的光栅时，它就发生衍射，这样就重现出原始页的图像及其所包含的信息。然后把重构出的页投射到一个探测明暗图 案的光电探测器陈列上，从而一次就读出该页上存储的全部信息。接着这些数据就可以由任何常规计算机通过电子方法加以存储、存取或处理。

关键的特性是“重放”用的参考光束与原先用于记录数据页的参考光束的符合程度所必须达到的精确性。这一精度与晶体的厚度有关——晶体越厚，参考光束的重新定位就必须越准确。如果晶体的厚度为1厘米与照射角的偏差为千分之一度时，重现的图像便完全消失了。这一特性并不是不方便的根源，而是几乎所有的全息存储器都要加以利用的一种基本机制。把第一页数据用全息方法记录在晶体中。然后加大参考光束的角度直到第一幅全息图像的重现图消失。接着用一页新的数据来代替第一页数据并用全息方法将其存储下来。这一过程——称为角分复用——被重复许多次。用适当的角度把参考光束照射在晶体上，就可以观看到任一幅记录下的全息图。

一块晶体中可以存入多少页数据呢？这个数目主要是受晶体材料的动态特性范围的限制。随着公用同一个晶体体积的全息图数量的增多，每幅全息图的强度便减小。具体地说，每幅全息图所衍射的光（因而光电探测器所探测到的光）所占的比例与叠加的全息图的数量的平方成反比。

如果一块晶体中有10幅全息图可产生1%的衍射效率便只有0.0001%。这一效应决定了能够存储的全息图的最大数目，因为衍射效率的下降最终将使重现图像弱到无法让系统的噪声中可靠地检测出的地步——系统的噪声包括激光器亮度的波动、晶体的散射、检测器中的热生成电子等等。通过测量晶体材料的光学性质和系统中的各种噪声源，可以确定全息图的最大数目。在实践中，当衍射效率降得太低以致数据页无法可靠地重现时，出错数据的检出率——即误码率——将高到不可接受的地步。

加强信号

开发全息存储器的研究工作有很大一部分归结于利用各种新方法来加强代表数据页的光学信号以对抗背景噪声。更先进的技术已使越来越微弱的信号得以可靠地被检出，而全息记录方法的改进则增强了记录下的信号，使更多的数据页能存储到晶体中。

存储多幅全息图的首批尝试可溯源到二十世纪七十年代初期。RCA实验室的 Juan Amodei,William Phillips和 David Staebler 在一块掺铁铌酸锂晶体中存储了500幅平面波的全息图。也在RCA公司的Robert Bartolini和其他一些人则在一种光敏聚合物材料中存储了550幅高分辨率图象的全息图，而在法国奥赛的Thomson-CSF公司的Jean-Pierre Huignard 小组制出了一个有256个单元的存储器，每一单元可存储10幅全息图。除了能存储较多的全息图外；Huignard的系统也是经过格外精心设计的。

虽然这些早期的工作有些给人留下了深刻印象，但没有一项工作产生出实用的系统。半导体存储器和磁存储器当时发展得非常迅速，以致使更新奇的技术似乎不值得进行探索。这样全息存储器逐渐地不再为人们所注意。

但到了1991年，全息存储又开始卷土重来，当时本文作者之一(MOK)在美国空军和美国国防部高级研究项目局的资助下，证明了可在掺有痕量铁的铌酸锂晶体中存储并高保真地重现500幅坦克、吉普车和其它军用车辆的高分辨率全息图象。

若干新的理论和实验接踵而来。1992年，我们在1立方厘米的掺铁铌酸锂晶体中存储了1000页数字数据。每一存储的数据页含有取自一台数字个人计算机的普通电子存储器的160*110位数据。然后我们把存储的数据中的若干部分复制回数字计算机的存储器中，没有发现任何错误。这项实验第一次表明，全息存储具有足够的精确度，可用于数字计算机。

一种类似的装置被用于存储页数据，这是迄今在一块晶体中存储的最多的页数。这些数据页中的每一页均为320位~220位，这样总计该系统的存储容量仅比1亿字节（100兆字节）少一点。1993年，我们在加州理工学院与Geoffrey Burr 合作进行了这一实验。

这10000幅存储的全息图大部分是随机的二进制图案，类似于常规计算机中存储的数据。原始（未校正）出错率为每检査的10万位有一位出错。这样一个出错率已足以存储图象数据，特别是在图象数据未经压缩或处理以减少代表此图象所需位数的情况下。若千人脸照片和加州理工学院校徽的照片也被纳入这些数据页中，从而证明图象和数据很容易结合在一个全息存储器中。这10000幅全息图象包含的信息可以只用常规光盘存储容量的八分一就容纳下来。但通过把全息图存储在晶体中的多个单元上，可以作出存储容量大得多的全息存储器。例如，我们演示了一个系统，其中有16个单元，每一单元可存储10000页数据，总共存储 160000幅全息图。

1994年，斯坦福大学的John F.Hennue, Matthew C.Bashaw 和 Lambertus Hesselink把数字化的压缩图象和视频数据存储在一个全息存储器中，并复现了这些数据而图象质量无显著下降。他们在同一晶体的4个分开的单元中存储了308个数据页，每一页包含了1592位原始数据。斯坦福大学的这个研究小组把各种方法结合起来——有些是电子的，其它一些则是光学的——以使误码率得到控制。例如，他们在由8位组成的每一位串后加上若干位以校正 这组数据中任何地方出现的一个错误位。这一纠错码使出错率由10000位或更少的位中二位出错减少到每 一百万位中一位出错。

全息存储的另一个可能的重要优点是可以用非机械的方法进行快速随机存取。例如，可以用固体中的高频声波来偏转参考光束，以便在数十微秒内选择并读出任一数据页，而现今光盘和磁盘的机械读头的运动通常需要数十毫秒。在Rockwell公司的加利福尼亚州绍森欧克斯研究中心，John Hong 和Ian McMichael设计并实现了一个可在20个单元中的每一单元存储1000幅全息图的袖珍型系统。任意一个数据页可在不到 40毫秒的时问内读取，且数据的检索不发生错误。

有前途的聚合

二十世纪七十年代那些最初的实 验一样，最近的这些示范装罝也采用含有痕量铁的铌酸锂晶体体。当受到光学图案——例如山两束激光相交产生的全息图——的照射时，带电粒子便在晶体内运动，产生一个其调制情况与光学图案的调制密切相配的内部电场。晶体随后衍射光的方式与这一电场有关。当晶体以适当的角度被再次照射时，光的衍射就会使原先的全息图重现出来。这一现象成为光致折射效应。

另一类全息材料在1994年首次大量上市。这一类材料称为光敏聚合物，是由杜邦公司开发的，它受到光的照射时，不是产生光致折射变化而是产生化学变化。电荷不会受到激发，且光化学变化是持久的——信息不可能被擦除并重写。因此，这种材料仅适合作写一次的存储器或只读存储器。但是，这种材料的衍射效率比同样厚度的铌酸锂晶体大2500倍。本文作者之一(Psaltis)与加州理工学院的Allen Pu和美国电报电话公司贝尔实验室的Kevin Curtis合作进行了一项实验，在这项实验中, 他们把1000页位格式存储在100毫米厚的聚合物薄膜中，并且检索出这些数据而未出现任何错误。

最近几年中，IBM公司和亚利桑那大学的研究人员开始对和铌酸锂晶体一样显示光折射效应的聚合物薄膜进行实验。虽然开发聚合物全息材料是很有希望的，但现在要排除铌酸裡还为时过早近来铌酸锂也显示了更广泛的用途。例如，掺有痕量铯和铁的铌酸锂晶体不久前开始有供应，这类晶体对红光而不是对绿光敏感。他们指出了一条新的途径——把廉价而微小的半导体激光器嵌在晶体上，以代替昂贵得多的绿光或蓝-绿光激光器。

借鉴与创新相结合

最近的示范装置中使用的掺铁铌酸锂晶体并非二十多年前进行的早期实验遗留下来的唯一成果。现今通常使用的氩激光器与早期相比也没有变。过去也像现在一样依靠角分复用法。既然如此，究竟是些什么变化使得全息数据存储能够卷土重来呢？

最显著的进展是一个成熟的光电子行业蓬勃兴起。这一行业生产出了制造大规模全息存储器并使它们与数字计算机实现接口所需要的廉价、小巧且省电的器件。例如，最初为光纤通信开发出的发射红光的半导体激光器可用作掺铯及掺铁的铌酸锂晶体的光源或用作杜邦公司的光敏聚合物的光源。用于电视摄象机的大的检测器阵列——它摄取光学图象并将其转变成电信号——读取存储器的输出。最初为电视投影器设计的液晶显示屏则用作输入器件，产生出代表数据页的明暗图案。

这些技术成就使最近的存储器示范成为可能，而这些示范装置则促使研究人员对基础物理学进行新的研究。例如，全息存储器的一个长期未解決的问题是串音干扰，即存储数据的部分的、自发的且有害的读出。在实践中，串音会导致所有数据页的模糊的幻象出现，显然实际上只有一个数据页被检索，串音干扰及其来源现在已经被彻底弄清楚了，因此我们能够根据某些参数——例如信号光束和参考光束之间的角度、复用记录中各参考光束之间的角度以及数据页的几何特性等——计算出任何一个记录装置中的串音干扰效应并采取措施将其抵消。

    理论研究的另一副产物是开发出新的复用方法并改进了现有的复用方法。这些方法可替代或补充角分复用，使系统设计人员有更多的选择。有一种供选用的替代方案是用不同波长的参考光束来记录连续的数据页。宾夕法尼亚州立大学和加州理工学院各自对此法进行了探索，对于每一数据页用一种不同的模式进行编码的参考光束也由圣迭戈加利福尼亚大学进行了示范，并独立地由法国奥赛的光学研究所进行了示范。

增加容量

更加的多路复用方法肯定是受人欢迎的；但是，如果全息存储器要想经得住光盘的竞争而扩大自己的地盘，就需要采用一种全新的增加存储容量的方法。现在已经证明全息存储器比光盘系统快得多，然而一项新技术光靠速度快很难取代一项已经成熟的老牌技术。普遍需要的是另一种基本的优势，如较大的存储容量。

增加全息存储器的存储容量的一条途径是用糖块大小的存储器晶体来铺成一个二维平面，这一方法称为空间多路复用。如预期的那样，这样一个系统的存储容量与立方体的数目成正比。数据用通常的方法以角分复用全息图的形式存储于每一立方体中。

这类系统中最具挑战性的组成部分是光学装置，它必须能单独地处理任一立方体，一种这样的装置是三维盘，它与通常的二维光盘有许多类似之处。盘状记录材料被置于一个旋转台上，一个以激光器为基础的读写装置（“读写头”）装在盘的上方。借助盘的转动和读写头的径向扫描，可以照射盘上的任何一点。Psaltis在1992年提出了上述设想，而Pu则于1995年早些时候在加州理工学院建造了 一个以这一设想为基础的系统。

如同任何一种全息媒质一样，在上述系统中.数据也是存储于三维盘的记录层的整个体积中。读出头有一个检测器阵列用来读出一整页数据，还有一个光束偏转镜用来进行角分复用。一个用于把数据页融入信号光束中的空间光调制器（例如当前的示范装置中所用的液晶显示屏）也可安装进读写头中。

虽然三维盘在三维上存储信息，但仍然可以计算出理论上每平方微米的盘表面上能够存储的位数，以便将这一面积密度与常规光盘的面积密度进行比较。对于如光盘那样薄的三维盘，这样一种比较是合理的。已经证命，在厚度小于两毫米时，全息存储盘的面积密度大致与记录媒质 的厚度成正比。在加州理工学院的示范装置中，Pu在一个用100微米厚的聚合物薄膜（这是这一待定材料现有的最大厚变）制成的存储盘上达到了每平方微米10位的面积密度。此密度约为常规光盘的面积密度的10倍。

此外，我们可以通过简单地加大全息层厚度的方法来增加面积密度。对于1毫米厚的材料，可以达到每平方微米100位的面积密度。这样一种三维盘其大小与重量几乎与常规光盘相同，但存储的信息则多—百倍。

采用这一基本技术的公司中包括Holoplex公司，这是一家由本文作者在加利福尼亚州帕萨迪共同开办的小规模新兴公司。该公司已建造了一个能够存储多达1000个指纹的高速存储系统，它用作一种限制进入大楼或房间的选择性锁。虽然这一系统的存储容量只有光盘的一半左 右，但它的整个存储内容可在一秒内全部读出。Holoplex公司现在正在研究另一种产品，它可存储一万亿位信息，相当于光盘的二百倍。

通过关联进行存储

在这样一种“超级光盘”推向市场之前，全息存储器可用于某些专门的高速系统中。某些系统可能会利用全息存储的关联特性，Denis Gabor——他因发明全息术而荣获1971年诺贝尔物理奖——在1969年首次阐明了该特性。

有了一幅全息图，则两束相互干涉后产生此全息图的光束中的任何一束都可用来重现出另一束。在全息存储器中，这就意味着不仅可以以适当的角度把一束参考光束射人晶体中从而选择出一幅全息页，而且也可以进行相反的过程。用一幅存储的图象照射晶体，就会产生出一个近似于参考光束的光束，这一光束复现为以合适角度从晶体中射出的平面波。

用一块透镜可把此波聚焦在一个小斑点上，它的侧向位置由上述角度决定，因而这一侧向位置显示了输入图象的身份。如果用来照射晶体的全息图不属于存储模式之列，则结果将得到多个参考光束，因而就有多个聚焦光点。每个光点的亮度与输入的图象同每一个存储模式之间的相似程度成比例。换言之，光点陈列就是依据输入图象与存储的图象数据库之间的相似性对输入图象进行的编码。

1995年早些时候，Pu、Robert Denkewalter和Psaltis采用这样一种全息存储器来引导一辆小车在加州理工学院电气工程大楼的走廊和实验室中行驶。我们把选定的走廊和房间的图景存储在一个全息存储器中，此存储器连接到实验室工作台上的一个数字计算机上，并通过无线电把图象传送给小车。一台装在小车上的电视摄象机提供视觉输入。当小车作机动行驶时，计算机便把摄象机摄得的图象同全息存储器中存储的图象进行比较（见插图）。—旦它发现一幅熟悉的图像，便引导小车沿着事先规定的若干路径中的一条路径行驶，每条路径定义为从存储器中取出的一系列图象。在存储器中存储了1000幅图象，但我们发现仅需要53幅图象便可引导小车穿过建筑物中的若干房间行驶。

现在我们在设计一种不同的车辆，我们希望给它配备足够大的存储容量，使其能自动地在加州理工学院校园中任何地方行驶。即使有这样大的存储容量，全息存储的并行性仍可使存储的信息以足够快的速度检索出来，使车辆能沿着道路行驶并避开 障碍。事实上，导向可能是产生这一技术的普遍应用所需要的推动力的若干专门用途之一。

这一定推广可能是若干年以后的事了。但是，随着存储大量数据的需求不断增加，在三维而不是两维中存储数据也将更为方便。