《全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)》

ICS37.010

CCSL70

團體標準

T/CIXXXX—XXXX

全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)

Holographicdatastoragesystem

（征求意見稿）

在提交反饋意見時，請將您知道的相關專利連同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實施

中國國際科技促進會發(fā)布

T/CIXXXX—XXXX

全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)

1范圍

本文件規(guī)定了全息數(shù)據(jù)存儲讀寫方式、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、全息存儲介質(zhì)及性能評價方式、全息數(shù)據(jù)存取性能評價方式。

本文件適用于數(shù)據(jù)存儲行業(yè)的全息數(shù)據(jù)存儲應用。

2規(guī)范性引用文件

本文件沒有規(guī)范性引用文件。

3術語和定義

下列術語和定義適用于本文件。

3.1

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

利用信號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光的過程。

3.2

全息光盤holographicdisc

用于全息數(shù)據(jù)存儲的寫入與讀取的光盤。

3.3

信號光signalbeam

攜帶有編碼數(shù)據(jù)頁信息的光束。

3.4

參考光referencebeam

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

3.5

重建光reconstructedbeam

由參考光讀取全息圖后衍射出的光。

注：重建光與信號光具有相似的分布。

3.6

同軸系統(tǒng)collinearsystem

信號光與參考光沿同一光軸進行傳播的系統(tǒng)。

3.7

復用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交疊的方法。

3.8

位移復用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行另一全息圖的記錄。

3.9

誤碼率biterrorrate（BER）

表征讀出數(shù)據(jù)后的錯誤數(shù)據(jù)占原有正確數(shù)據(jù)總數(shù)的比例。其計算公式為：

錯誤的數(shù)據(jù)點的個數(shù)總和

BER=·······························································(1)

原有正確數(shù)據(jù)點的個數(shù)總和

3.10

編碼階數(shù)encodinglevel

在所定義編碼空間中離散的取不同值進行編碼的數(shù)量。

注：例如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。

1

T/CIXXXX—XXXX

3.11

標志點syncmark

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

3.12

記錄介質(zhì)recordingmedium

對一定范圍的光波段感光且可根據(jù)光場強弱進行響應的材料。

3.13

二向色鍍膜層dichroiclayer

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

3.14

衍射效率diffractionefficiency

讀取全息圖的能量耦合效率，通常用表示。計算公式為：

1級衍射光的強度

=····························································(2)

1級衍射光的強度+0級光的強度

3.15

折射率調(diào)制度refractiveindexmodulation

記錄介質(zhì)通過折射率差來響應干涉光場，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?。計算公式為：

λcosθ

Δ=0arcsi√η······························································(3)

πd

式中：

——記錄波長；

0——信號光與參考光的干涉夾角；

d——記錄介質(zhì)的厚度；

——記錄全息圖的衍射效率。

3.16

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。計算公式為：

1?√η

S=()··········································································(4)

Id?t

式中：

I——信號光強度；

d——記錄介質(zhì)厚度；

——記錄全息圖的衍射效率。

3.17

光軸補償opticalaxiscompensation

用于補償物鏡伺服移動帶來的光軸偏心的方法。

3.18

空間光調(diào)制器spatiallightmodulator（SLM）

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的也可以是相位型的。

3.19

跟蹤誤差trackingerror（TE）

參考驅(qū)動器測量徑向跟蹤伺服剩余誤差信號與開環(huán)跨道信號峰峰值的比值。

[來源：DA/T74-2019,3.15]

3.20

聚焦誤差focuserror（FE）

參考驅(qū)動器測量垂直聚焦剩余誤差信號與開環(huán)聚焦信號(S曲線)峰峰值的比值。

[來源：DA/T74-2019,3.16]

2

T/CIXXXX—XXXX

4全息數(shù)據(jù)存儲讀寫方式

4.1信息上載方式

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

中是分離的，如信號光在上載圖案的中心位置，參考光在上載圖案的周邊位置。

4.2信息記錄方式

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

質(zhì)對干涉光場進行響應，以全息圖的形式固定干涉光場分布，即為全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的信息記錄方式。

4.3信息讀取方式

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

全息圖位置，將衍射出重建光。利用光電探測器對重建光進行成像采集即完成信息的讀取。

4.4讀寫光源

寫入與讀取的光源為380nm-570nm的激光光源。

4.5復用方式

采用位移復用方式，位移記錄間距范圍為3μm-100μm。

5數(shù)據(jù)通道編解碼方式

5.1多維編碼方式

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應的像素顯示的強

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

信息圖案的部分應劃分子頁，每個子頁均具有標志點，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

圖案像素總強度應與信息圖案像素總強度大致相同。

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應的像素顯示的相

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應的像素顯示的復振幅不同。以空間光調(diào)制器的編碼空間256階為例，復振幅編

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）。

5.1.4偏振通道編碼

利用記錄介質(zhì)對不同偏振態(tài)的信號光與參考光干涉結(jié)果的不同響應，實現(xiàn)多階偏振通道記錄，提升

存儲密度。同一記錄位置的偏振通道階數(shù)范圍為2階-8階。

5.2多維解碼方式

5.2.1振幅解碼

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

編碼坐標提取編碼單元，根據(jù)編碼單元對應的編碼表圖案找到相對應的二進制編碼，并轉(zhuǎn)換為最終的數(shù)

據(jù)。

3

T/CIXXXX—XXXX

5.2.2相位解碼

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

利用訓練后的深度學習網(wǎng)絡模型進行相位解碼。

5.2.3復振幅解碼

利用非干涉、非迭代方式進行復振幅的同時解碼。通過拍攝重建光的近場衍射強度圖并利用訓練后

的深度學習網(wǎng)絡模型進行復振幅同時解碼。

5.2.4偏振通道解碼

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

6全息光盤伺服系統(tǒng)

6.1伺服光波長

伺服光利用對材料不感光的波段，其波長范圍通常為600nm-850nm。

6.2光盤轉(zhuǎn)速

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

6.3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。

6.4光軸補償

因光盤移動時的偏心所導致的伺服系統(tǒng)帶動光學頭移動帶來光軸偏離中心，須利用反射鏡移動對光

軸進行補償，光軸補償誤差＜1000nm。

7全息光盤的結(jié)構(gòu)與規(guī)格

7.1全息光盤物理結(jié)構(gòu)

全息光盤物理結(jié)構(gòu)從上到下應分別為保護層，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；二向色鍍膜層對記錄波長反射率＞85%，

對伺服光波長透射率＞85%。圖1為全息光盤物理結(jié)構(gòu)示意圖，記錄波長以532nm為例，伺服波長以650nm

為例。

4

T/CIXXXX—XXXX

圖1全息光盤物理結(jié)構(gòu)

7.2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。

7.3全息光盤規(guī)格

參照CD-R光盤規(guī)格，盤體外徑120mm，內(nèi)徑15mm。

8全息存儲介質(zhì)及性能評價方式

8.1全息存儲介質(zhì)體系

根據(jù)存儲介質(zhì)是否可擦寫分為兩種體系：第一種采用有機光致聚合物PQ/PMMA體系材料，可一次寫

入多次讀出，不可重復擦寫；第二種采用鈮酸鋰晶體體系材料，可多次寫入多次讀出，可重復擦寫。

8.2全息存儲介質(zhì)性能評價方法

需搭建專門的介質(zhì)全息存儲性能評價系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)使用光致聚合物材料PQ/PMMA，并采

用532nm單縱模激光器對材料感光。該系統(tǒng)可調(diào)信號光與參考光的寫入與讀取光強度、信號光與參考光

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

記錄與讀取，通過功率計分別讀出零級光和1級衍射光的光功率可以計算介質(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、其多個采樣點的參

數(shù)方差越小代表介質(zhì)性能越佳。

5

T/CIXXXX—XXXX

圖2介質(zhì)全息存儲性能評價系統(tǒng)

8.3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＞60%。

8.4介質(zhì)記錄濕熱試驗指標

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)存取性能評價方式

9.1全息數(shù)據(jù)存取性能評價系統(tǒng)

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

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

并進行后續(xù)解碼，解碼后的結(jié)果以計算誤碼率為依據(jù)，評價全息數(shù)據(jù)存取性能。該系統(tǒng)可調(diào)參數(shù)為記錄

信號光與參考光強度、讀取參考光強度、信號光與參考光編碼、記錄全息圖大小、記錄頻譜分布、曝光

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

圖3同軸全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)示意圖

6

T/CIXXXX—XXXX

9.2原始誤碼率

不同編碼方式和編碼階數(shù)對應不同原始讀取誤碼率標準，原始誤碼率應以降噪解碼后可校驗程度為

標準，例如2階振幅編碼，通常原始誤碼率小于10-2時，降噪解碼后誤碼率可