宋海洋同学在同轴全息光存储系统抗噪研究中取得新进展
全息数据存储、脱氧核糖核酸（DNA）存储和玻璃存储是新一代数据存储的三大巨头。全息数据存储技术具有高读写速度和并行读写能力，具有良好的竞争优势。此外，全息数据的多维调制能力也受到了广泛的关注。多维参数复用增加了数据的容量，包括波长、角度、相位、幅度、偏振等。相位编码复用全息数据存储系统因其光能效率、配置稳定性以及易于由相位空间光调制器调制而受到广泛关注。为了提高全息数据存储技术的存储容量，研究人员提出了正交相位编码复用和新型相位调制等技术。 正交相位编码技术通常使用确定相位在全息存储材料中记录全息图。使用错误的相位再现时，串扰会导致信号泄漏。这种串扰显著降低了存储数据的质量。在传统的离轴配置中，这种串扰可能由像素匹配和系统稳定性缺陷引起。但在同轴全息数据存储系统中，具有相同光轴的信号光和参考光提高了系统稳定性和环境耐受性。然而，即使系统有所改善，仍然有串扰存在于系统中。该研究介绍了正交相位编码复用的同轴全息数据存储系统中串扰机理和特性。基于串扰的特点，提出了一种“随机正交相位编码参考光（ROPCR）”作为有效的串扰抑制方法。这里的“随机”强调编码单元的位置在参考光中是随机分布的。 扇形参考光（SOPCR）是一种正交相位编码方法，它将环形参考光顺时针分为 64 个编码单元。编码单元将根据 Hadamard 矩阵值，建立矩阵元素与编码单元之间的对应关系。研究使用 64 阶正交相位的 Key2 密钥来记录字母 FJNU 和符号 φ。然后使用 Key1-Key64 密钥依次重建这些数据。图1 显示了一些代表性的全息图。 |
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| 图1. 通过 SOPCR 重建全息图，使用 key2 进行记录，(a-e) Key2, 8, 11, 34, 50 的再现全息图， (f-j) Key2, 8, 11, 34, 50 使用的正交相位，(k-o) Key2, 8, 11, 34, 50 与记录光 Key2 的相位差 |
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通过对比图1 中的读取相位与记录相位，两者相位差分布集中区域的组合有明显的串扰。此外，值得注意的是，这种集中在其他密钥记录时具有相似的特征，如图2 所示。无论用 Key2、Key9 还是 Key32 记录信息，串扰位置与相位键之间的距离始终是 8，这是由 Hadamard 矩阵生成过程中的规律造成的。这里使用相似度（SSIM）来评估全息图与记录信号之间的串扰。SSIM 可以通过亮度、对比度和结构来评价两个图像的相似性。 |
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| 图2. 使用 (a) Key2， (b) Key9， (c) Key32 记录时 64 阶正交相位差分布和全息图的 SSIM 值 | |
研究根据 Kogelnik 耦合波理论推出，参考光区域对信号光的衍射强度受到参考光位置的影响，参考光与信号光在记录过程中有着不同的记录角度，研究使用 8 阶编码简化表示这个过程，如图3 所示。读取过程中，不同区域的参考光衍射强度并不一致，这种不一致因为参考光聚集在相同区域内而叠加，最终形成了串扰。 |
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| 图3.（a）八个编码单元按 SOPCR 方式顺时针分布，一个信号点在随机位置。 (b) 反射式全息材料（RHSM）中编码单元和信号光的干涉角 |
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为了减少这种衍射强度不一致，研究使用 ROPCR 对参考光进行编码，如图4 所示。这种方法打乱了编码单元的分布位置，使得编码单元产生的串扰不会在特定位置叠加，从而达到减少串扰的目的。研究设计了多组实验探究两种相位编码方式产生噪声的过程。 |
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| 图4. 参考光通过 ROPCR 方法分为 8 个单元，信号点处于与 SOPCR 相同的随机位置 | |
该研究设计实验验证每个编码单元对随机区域内信号光衍射强度曲线，通过图5 可以看到，SOPCR 方式衍射强度有一个明显的峰值，而 ROPCR 每个编码单元衍射强度曲线基本保持水平。 |
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| 图5. 编码单元分别再现全息图归一化强度 | |
在使用正交相位编码过程中，这种衍射强度不一致现象会通过编码单元的相位值进行叠加，记录密钥与读取密钥相位差越集中，这种的叠加效应越明显，SOPCR 的非正确密钥衍射强度曲线明显整体偏高，而 ROPCR 的非正确密钥衍射强度则整体保持较低水平，如图6 所示。 |
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| 图6. 正交相位编码再现全息图归一化强度 | |
在得到8阶编码的实验结果后，使用图片之间的相似度 SSIM 和相关系数 COEF 来评估 64 阶编码得到全息图的串扰效果。COEF 可以统计地描述两幅图像之间的相关性。与 SOPCR 相比，ROPCR 的 SIMM 平均值降低了 85%，ROPCR 的 COEF 平均值降低了 73%，如图7 所示。 |
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| 图7. 使用 Key2 记录后，使用 Key1-Key64 依次读取全息图，得到归一（a）COEF 和（b）SSIM | |
最后，该研究展示了 ROPCR 编码方式的实际记录效果，如图8 所示，原本在 SOPCR 中存在的噪声得到了有效的抑制。 |
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| 图8. 使用 ROPCR 重建全息图，使用 key2 进行记录，(a-e) Key2, 8, 11, 34, 50 的再现全息图， (f-j) Key2, 8, 11, 34, 50 使用的正交相位。(k-o) Key2, 8, 11, 34, 50 与记录光 Key2 的相位差 |
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这项研究介绍了正交相位编码复用 CHDSS 中串扰的机理和特性。研究表明，SOPCR 每个编码单元衍射的信号强度不一致，正交相位编码不能完全抵消衍射强度，最终诱发串扰。记录与读取使用编码密钥的相位差越集中，串扰就越严重。通过观察记录的参考光与读取再现光之间的相位差分布特征，在可以预测正交相位编码中出现高串扰的编码密钥序号。研究提出了一种新的编码方案 ROPCR 迎来减小串扰。实验表明，与 SOPCR 相比，ROPCR 拥有更低的串扰，更有利于低串扰相位编码存储。该研究扩展了正交相位编码复用 CHDSS 中信号串扰现象的理解和应用。 |
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上述研究成果以“Reducing the Crosstalk in Collinear Holographic Data Storage Systems based on Random Position Orthogonal Phase-Coding Reference”为题，发表在多学科数字出版机构（Multidisciplinary Digital Publishing Institute）主办的英文期刊《Photonics》, Vol.10, No.10, 1162（2023）上。 论文的相关链接：https://www.mdpi.com/2304-6732/10/10/1160 |
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(2023.10.12)
