TCI201-2023全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)

T/CI201—2023

全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)

1范圍

本文件規(guī)定了全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀寫方式、數(shù)據(jù)通道編解碼方式、全息光盤伺服系統(tǒng)、全息光盤的結(jié)構(gòu)

與規(guī)格、全息存儲(chǔ)介質(zhì)及性能評(píng)價(jià)方式、全息數(shù)據(jù)存取性能評(píng)價(jià)方式。

本文件適用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)行業(yè)的全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用。

2規(guī)范性引用文件

本文件沒有規(guī)范性引用文件。

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)holographicdatastorage（HDS）

利用信號(hào)光與參考光干涉在介質(zhì)中形成全息圖，并利用參考光照射全息圖衍射出信號(hào)光的過程。

全息光盤holographicdisc

采用全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)寫入與讀取數(shù)據(jù)的光盤。

信號(hào)光signalbeam

攜帶有編碼數(shù)據(jù)頁信息的光束。

參考光referencebeam

寫入時(shí)與信號(hào)光干涉形成全息圖、讀取時(shí)讓全息圖產(chǎn)生衍射重建光的光束。

注：在全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，寫入時(shí)參考光與讀取時(shí)參考光應(yīng)完全一致，因此統(tǒng)稱參考光。

重建光reconstructedbeam

由參考光讀取全息圖后衍射出的光。

注：重建光與信號(hào)光具有相似的光場(chǎng)分布。

同軸系統(tǒng)collinearsystem

信號(hào)光與參考光沿同一光軸進(jìn)行傳播的系統(tǒng)。

復(fù)用multiplexing

在介質(zhì)上記錄兩幅以上全息圖且這些全息圖在物理空間上存在兩兩交疊的方法。

位移復(fù)用shiftingmultiplexing

一幅全息圖記錄完后位移至其附近具有交疊范圍的地方進(jìn)行另一全息圖的記錄。

學(xué)兔兔誤碼率biterrorate（BER）標(biāo)準(zhǔn)下載

表征讀出數(shù)據(jù)后的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)占原有全部數(shù)據(jù)總數(shù)的比例。其計(jì)算公式為：

BER=讀出數(shù)據(jù)中錯(cuò)誤數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)···············································(1)

原有數(shù)據(jù)總數(shù)

編碼階數(shù)encodinglevel

在所定義編碼空間中離散的取不同值進(jìn)行編碼的數(shù)量。

1

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示例：4階相位編碼可在0-2π編碼空間中取0，π/2，π，3π/2作為該4階相位編碼。

標(biāo)志點(diǎn)syncmark

在獲取重建光進(jìn)行解碼時(shí)用于快速精確定位數(shù)據(jù)頁的具有特定分布的位置。

記錄介質(zhì)recordingmedium

可吸收一定波長(zhǎng)范圍的光并引發(fā)自身某一項(xiàng)物化參數(shù)的改變，且該物化參數(shù)的改變量與入射光強(qiáng)相

關(guān)的材料。

二向色鍍膜層dichroiclayer

針對(duì)記錄介質(zhì)的感光波段具有高反射率，且對(duì)材料的不感光波段具有高透射率的鍍膜層。

衍射效率diffractionefficiency

讀取全息圖的能量耦合效率，通常用表示。計(jì)算公式為：

級(jí)衍射光的強(qiáng)度······································(2)

級(jí)衍?射光的強(qiáng)度級(jí)光的強(qiáng)度

1

?=1+0×100%

折射率調(diào)制度refractiveindexmodulation

記錄介質(zhì)通過干涉條紋的折射率差來響應(yīng)干涉光場(chǎng)，折射率調(diào)制度反映了記錄介質(zhì)可產(chǎn)生折射率差

的能力，通?？捎搔け硎尽Ｓ?jì)算公式為：

Δλθη··············································(3)

nπ

cos0

式中：n=darcsin

——記錄波長(zhǎng)（單位：毫米）；

——信號(hào)光與干涉法線之間的夾角；

d?——記錄介質(zhì)的厚度（單位：毫米）；

0

?——記錄全息圖的衍射效率。

光?敏度photosensitivity

不同記錄介質(zhì)在同一曝光量下的全息圖記錄效率。計(jì)算公式為：

?η

······················································(4)

?

1

S=Idt

式中：

I——信號(hào)光強(qiáng)度；

d——記錄介質(zhì)厚度（單位：毫米）；

——記錄全息圖的衍射效率。

光?軸補(bǔ)償opticalaxiscompensation

用于補(bǔ)償物鏡伺服移動(dòng)帶來的光軸偏心的方法。

空間光調(diào)制器spatiallightmodulator（SLM）

學(xué)兔兔一種二維圖像信息上載器件，上載后光照射攜帶的信息可以是振幅型標(biāo)準(zhǔn)下載的也可以是相位型的。

跟蹤誤差trackingerror（TE）

驅(qū)動(dòng)器測(cè)量徑向跟蹤伺服剩余誤差信號(hào)的大小。

注：改寫DA/T74-2019,3.15

聚焦誤差focuserror（FE）

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驅(qū)動(dòng)器測(cè)量垂直聚焦剩余誤差信號(hào)的大小。

注：改寫DA/T74-2019,3.15

4全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀寫方式

信息上載方式

采用同軸系統(tǒng)，利用同一個(gè)空間光調(diào)制器對(duì)信號(hào)光和參考光進(jìn)行上載。信號(hào)光與參考光在物理空間

中是分離的，如信號(hào)光在上載圖案的中心位置，參考光在上載圖案的周邊位置。

信息記錄方式

利用較高數(shù)值孔徑的物鏡將信號(hào)光和參考光同時(shí)匯聚，在物鏡后焦面處兩束光將相互干涉，記錄介

質(zhì)對(duì)干涉光場(chǎng)進(jìn)行響應(yīng)，以全息圖的形式固定干涉光場(chǎng)分布，即為全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的信息記錄方式。

信息讀取方式

在空間光調(diào)制器上只上載參考光，且讀取時(shí)參考光應(yīng)與記錄時(shí)的完全一致。使參考光照射介質(zhì)中的

全息圖位置，將衍射出重建光。利用光電探測(cè)器對(duì)重建光進(jìn)行成像采集即完成信息的讀取。

讀寫光源

寫入與讀取的光源為300nm-570nm的激光光源。

復(fù)用方式

采用位移復(fù)用方式，位移記錄間距范圍為3μm-100μm。

5數(shù)據(jù)通道編解碼方式

編碼方式

全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的編碼方式可采取下述任意一種或幾種的組合。

5.1.1振幅編碼

利用振幅型空間光調(diào)制器上載的二維圖像編碼，其編碼顯示效果為不同編碼值對(duì)應(yīng)的像素顯示的強(qiáng)

度不同。以振幅型空間光調(diào)制器的編碼空間256階為例，振幅編碼階數(shù)選取范圍為2-8階。振幅編碼頁的

信息圖案的部分應(yīng)劃分子頁，每個(gè)子頁均具有標(biāo)志點(diǎn)，子頁的其余部分為最小編碼單元，可由4*4像素

組成。振幅編碼頁的參考光圖案部分應(yīng)在信息圖案的外圈，圍繞信息圖案中心呈輻射線分布，且參考光

圖案像素總強(qiáng)度應(yīng)與信息圖案像素總強(qiáng)度大致相同。

5.1.2相位編碼

利用相位型空間光調(diào)制器上載的二維圖像編碼，其編碼顯示效果為不同編碼值對(duì)應(yīng)的像素顯示的相

位不同。以相位型空間光調(diào)制器的編碼空間256階為例，相位編碼階數(shù)選取范圍為2階-16階。

5.1.3復(fù)振幅編碼

利用振幅型和相位型空間光調(diào)制器分別上載的帶有振幅分布和相位分布的二維圖像編碼，其編碼顯

示效果為不同編碼值對(duì)應(yīng)的像素顯示的復(fù)振幅不同。以空間光調(diào)制器的編碼空間256階為例，復(fù)振幅編

學(xué)兔兔碼階數(shù)選取范圍為4階-128階（振幅2階-8階，相位2階-16階）。標(biāo)準(zhǔn)下載

5.1.4偏振通道編碼

利用記錄介質(zhì)對(duì)不同偏振態(tài)的信號(hào)光與參考光干涉結(jié)果的不同響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)多階偏振通道記錄，提升

存儲(chǔ)密度。同一記錄位置的偏振通道階數(shù)范圍為2階-8階。

解碼方式

全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的解碼方式根據(jù)其對(duì)應(yīng)的編碼方式可采取下述任意一種或幾種的組合。

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5.2.1振幅解碼

根據(jù)拍攝到的二維重建光圖進(jìn)行振幅解碼，由標(biāo)志點(diǎn)定位整體頁面和編碼子頁，從編碼子頁中按照

編碼坐標(biāo)提取編碼單元，根據(jù)編碼單元對(duì)應(yīng)的編碼表圖案找到相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼，并轉(zhuǎn)換為最終的數(shù)

據(jù)。

5.2.2相位解碼

利用非干涉、非迭代方式進(jìn)行相位解碼，使系統(tǒng)魯棒性更高。通過拍攝重建光的近場(chǎng)衍射強(qiáng)度圖并

利用訓(xùn)練后的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行相位解碼。

5.2.3復(fù)振幅解碼

利用非干涉、非迭代方式進(jìn)行復(fù)振幅的同時(shí)解碼。通過拍攝重建光的近場(chǎng)衍射強(qiáng)度圖并利用訓(xùn)練后

的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行復(fù)振幅同時(shí)解碼。

5.2.4偏振通道解碼

利用互為正交偏振態(tài)的參考光對(duì)全息圖進(jìn)行讀取，得到不同的偏振態(tài)組合下的重建光圖案進(jìn)行解碼。

6全息光盤伺服系統(tǒng)

伺服光

伺服光是為了實(shí)現(xiàn)光盤震動(dòng)下光學(xué)頭與光盤相對(duì)位置固定而使用的探測(cè)光，由于伺服光將通過記錄

材料，因此伺服光波長(zhǎng)選擇為不能引起材料物化性質(zhì)變化的波段，其波長(zhǎng)范圍通常為600nm-850nm。

光盤轉(zhuǎn)速

以直徑120mm標(biāo)準(zhǔn)光盤尺寸為例，全息光盤轉(zhuǎn)速為1r/s-10r/s。

伺服精度要求

6.3.1跟蹤誤差

跟蹤誤差TE＜100nm。

6.3.2聚焦誤差

聚焦誤差FE＜1000nm。

光軸補(bǔ)償

因光盤移動(dòng)時(shí)的偏心所導(dǎo)致的伺服系統(tǒng)帶動(dòng)光學(xué)頭移動(dòng)帶來光軸偏離中心，須利用反射鏡移動(dòng)對(duì)光

軸進(jìn)行補(bǔ)償，光軸補(bǔ)償誤差＜1000nm。

7全息光盤的結(jié)構(gòu)與規(guī)格

全息光盤物理結(jié)構(gòu)

全息光盤物理結(jié)構(gòu)從上到下應(yīng)分別為保護(hù)層，全息介質(zhì)，膠合層，二向色鍍膜層，平整層，地址層，

基底。其中保護(hù)層厚度＜0.6mm；全息介質(zhì)厚度范圍0.5mm-1.0mm；二向色鍍膜層對(duì)記錄光反射率＞85%，

對(duì)伺服光透射率＞85%。圖1為全息光盤物理結(jié)構(gòu)示意圖，記錄光波長(zhǎng)以532nm為例，伺服光波長(zhǎng)以650nm

學(xué)兔兔為例。標(biāo)準(zhǔn)下載

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圖1全息光盤物理結(jié)構(gòu)

全息光盤地址層

7.2.1凹槽寬度

范圍600nm-700nm。

7.2.2凹槽深度

范圍100nm-116nm（該參數(shù)以650nm作為伺服光為例）。

7.2.3軌道間距

范圍1600nm±50nm。

全息光盤規(guī)格

參照傳統(tǒng)光盤規(guī)格，盤體外徑120mm，內(nèi)徑15mm。

8全息存儲(chǔ)介質(zhì)及性能評(píng)價(jià)方式

全息存儲(chǔ)介質(zhì)體系

根據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的物化性質(zhì)改變是否可逆分成兩種體系：可擦寫與不可擦。前者采用有機(jī)光致聚合物

體系材料，例如PQ/PMMA，可一次寫入多次讀出，不可重復(fù)擦寫；后者采用無機(jī)晶體體系材料，如鈮酸

鋰晶體，可多次寫入多次讀出，可重復(fù)擦寫。

全息存儲(chǔ)介質(zhì)性能評(píng)價(jià)方法

需搭建專門的介質(zhì)全息存儲(chǔ)性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)使用光致聚合物材料PQ/PMMA，采用

532nm單縱模激光器作為記錄光源。該系統(tǒng)可調(diào)信號(hào)光與參考光的寫入與讀取光強(qiáng)度、信號(hào)光與參考光

的寫入與讀取偏振態(tài)、寫入曝光時(shí)間、讀取曝光時(shí)間、光斑大小等。通過控制快門開關(guān)，實(shí)現(xiàn)全息圖的

記錄與讀取，通過功率計(jì)得到零級(jí)光和1級(jí)衍射光的強(qiáng)度可以計(jì)算介質(zhì)的衍射效率、折射率調(diào)制度、光

敏度、均勻性等參數(shù)。通常衍射效率越高、折射率調(diào)制度越高、光敏度越高、其多個(gè)采樣點(diǎn)的參數(shù)方差

學(xué)兔兔越小代表介質(zhì)性能越佳。標(biāo)準(zhǔn)下載

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圖2介質(zhì)全息存儲(chǔ)性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)

介質(zhì)記錄衍射效率

介質(zhì)記錄單幅全息圖的最高衍射效率應(yīng)＞60%。

注：上述衍射效率以材料外干涉角24°（材料折射率1.5）來計(jì)算。

介質(zhì)記錄濕熱試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)圖2系統(tǒng)，在介質(zhì)中記錄全息光柵后，在溫度80℃、相對(duì)濕度80％的環(huán)境條件下放置96h(按附

錄A執(zhí)行),將介質(zhì)取出放置回系統(tǒng)原位后，讀取全息光柵衍射效率＞剛記錄全息光柵衍射效率的80%。

9全息數(shù)據(jù)存取性能評(píng)價(jià)方式

全息數(shù)據(jù)存取性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)

根據(jù)圖3系統(tǒng)，利用同軸全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)記錄與讀取數(shù)據(jù)。記錄時(shí)，在空間光調(diào)制器上上載信號(hào)

光與參考光，將信息記錄在全息光盤上。讀取時(shí)，在空間光調(diào)制器上上參考光，衍射重建光被相機(jī)拍攝，

并進(jìn)行后續(xù)解碼，解碼后的結(jié)果以計(jì)算誤碼率為依據(jù)，評(píng)價(jià)全息數(shù)據(jù)存取性能。該系統(tǒng)可調(diào)參數(shù)為記錄

信號(hào)光與參考光強(qiáng)度、讀取參考光強(qiáng)度、信號(hào)光與參考光編碼、記錄全息圖大小、記錄頻譜分布、曝光

量、位移復(fù)用距離、介質(zhì)暗反應(yīng)效果、介質(zhì)固化和老化讀取效果等。

學(xué)兔兔標(biāo)準(zhǔn)下載

圖3同軸全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)示意圖

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原始誤碼率

不同編碼方式和編碼階數(shù)對(duì)應(yīng)不同原始讀取誤碼率標(biāo)準(zhǔn)，原始誤碼率應(yīng)以降噪解碼后可校驗(yàn)程度為

標(biāo)準(zhǔn)，例如2階振幅編碼，通常原始誤碼率小于10-2時(shí)，降噪解碼后誤碼率可小于10-3，經(jīng)校驗(yàn)后誤碼率

可小于10-4。

校驗(yàn)后誤碼率

校驗(yàn)后誤碼率應(yīng)＜10-4。

數(shù)據(jù)誤碼率

數(shù)據(jù)誤碼率應(yīng)＜10-10。

學(xué)兔兔標(biāo)準(zhǔn)下載

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A

A

附錄A

（規(guī)范性）

全息存儲(chǔ)介質(zhì)的濕熱試驗(yàn)

為測(cè)試全息存儲(chǔ)介質(zhì)抵抗溫濕度的能力,規(guī)定全息存儲(chǔ)介質(zhì)在模擬室外濕熱大氣的人工氣候加速老

化環(huán)境條件下,仍能達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。

將待測(cè)全息存儲(chǔ)介質(zhì)垂直放置在溫度80℃、相對(duì)濕度80％的溫濕度老化試驗(yàn)箱內(nèi),持續(xù)96h后取出。

將全息存儲(chǔ)介質(zhì)放置在檢測(cè)環(huán)境(溫度15℃～35℃、相對(duì)濕度45％～75％)中24h后,經(jīng)檢測(cè),全息存儲(chǔ)介

質(zhì)性能參數(shù)應(yīng)符合8.4的要求。

學(xué)兔兔標(biāo)準(zhǔn)下載

8

T/CI201—2023

參考文獻(xiàn)

[1]DA/T74-2019電子檔案存儲(chǔ)用可錄類藍(lán)光光盤(BD-R)技術(shù)要求和應(yīng)用規(guī)范

學(xué)兔兔標(biāo)準(zhǔn)下載

9

ICS37.020

CCSL70

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CI201—2023

全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)

Holographicdatastoragesystem

學(xué)兔兔標(biāo)準(zhǔn)下載

2023-11-30發(fā)布2023-11-30實(shí)施

中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)??發(fā)布

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全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)

1范圍

本文件規(guī)定了全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀寫方式、數(shù)據(jù)通道編解碼方式、全息光盤伺服系統(tǒng)、全息光盤的結(jié)構(gòu)

與規(guī)格、全息存儲(chǔ)介質(zhì)及性能評(píng)價(jià)方式、全息數(shù)據(jù)存取性能評(píng)價(jià)方式。

本文件適用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)行業(yè)的全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用。

2規(guī)范性引用文件

本文件沒有規(guī)范性引用文件。

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)holographicdatastorage（HDS）

利用信號(hào)光與參考光干涉在介質(zhì)中形成全息圖，并利用參考光照射全息圖衍射出信號(hào)光的過程。

全息光盤holographicdisc

采用全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)寫入與讀取數(shù)據(jù)的光盤。

信號(hào)光signalbeam

攜帶有編碼數(shù)據(jù)頁信息的光束。

參考光referencebeam

寫入時(shí)與信號(hào)光干涉形成全息圖、讀取時(shí)讓全息圖產(chǎn)生衍射重建光的光束。

注：在全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，寫入時(shí)參考光與讀取時(shí)參考光應(yīng)完全一致，因此統(tǒng)稱參考光。

重建光reconstructedbeam

由參考光讀取全息圖后衍射出的光。

注：重建光與信號(hào)光具有相似的光場(chǎng)分布。

同軸系統(tǒng)collinearsystem

信號(hào)光與參考光沿同一光軸進(jìn)行傳播的系統(tǒng)。

復(fù)用multiplexing

在介質(zhì)上記錄兩幅以上全息圖且這些全息圖在物理空間上存在兩兩交疊的方法。

位移復(fù)用shiftingmultiplexing

一幅全息圖記錄完后位移至其附近具有交疊范圍的地方進(jìn)行另一全息圖的記錄。

學(xué)兔兔誤碼率biterrorate（BER）標(biāo)準(zhǔn)下載

表征讀出數(shù)據(jù)后的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)占原有全部數(shù)據(jù)總數(shù)的比例。其計(jì)算公式為：

BER=讀出數(shù)據(jù)中錯(cuò)誤數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)···············································(1)

原有數(shù)據(jù)總數(shù)

編碼階數(shù)encodinglevel

在所定義編碼空間中離散的取不同值進(jìn)行編碼的數(shù)量。

1

T/CI201—2023

示例：4階相位編碼可在0-2π編碼空間中取0，π/2，π，3π/2作為該4階相位編碼。

標(biāo)志點(diǎn)syncmark

在獲取重建光進(jìn)行解碼時(shí)用于快速精確定位數(shù)據(jù)頁的具有特定分布的位置。

記錄介質(zhì)recordingmedium

可吸收一定波長(zhǎng)范圍的光并引發(fā)自身某一項(xiàng)物化參數(shù)的改變，且該物化參數(shù)的改變量與入射光強(qiáng)相

關(guān)的材料。

二向色鍍膜層dichroiclayer

針對(duì)記錄介質(zhì)的感光波段具有高反射率，且對(duì)材料的不感光波段具有高透射率的鍍膜層。

衍射效率diffractionefficiency

讀取全息圖的能量耦合效率，通常用表示。計(jì)算公式為：

級(jí)衍射光的強(qiáng)度······································(2)

級(jí)衍?射光的強(qiáng)度級(jí)光的強(qiáng)度

1

?=1+0×100%

折射率調(diào)制度refractiveindexmodulation

記錄介質(zhì)通過干