[發明專利]一種正交隨機相位編碼技術及其在體全息存儲器中的應用

有效

• 申請號: 200910091712.8
• 申請日: 2009-08-24
• 公開（公告）號: CN101710828A
• 公開（公告）日: 2010-05-19
• 發明（設計）人: 赫明釗;譚峭峰;曹良才;李建華;何慶聲;金國藩
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H03M13/00
• 分類號: H03M13/00;H04L29/02
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 史雙元

技術領域

本發明屬于信息處理技術領域，特別涉及相位編碼技術，實現相位復用和 參考光加密，提高存儲密度，增強數據安全、適用于體全息存儲器的一種正交 隨機相位編碼技術及其在體全息存儲器中的應用。

背景技術

在體全息存儲器中，為了提高存儲密度，需要在記錄材料的同一體積內記 錄多幅數據頁，一般采用復用技術。全息存儲系統中的復用方式包括以下幾種： 角度復用、波長復用、相位復用等等。

角度復用是使用最早、研究最充分的復用技術。這種技術是根據體全息圖 的角度選擇性使不同的數據頁可以非相干地疊加在同一空間區域，存儲在材料 的共同體積中。相互之間用不同的參考光角度加以區分，每個全息圖用各自不 同的物光和參考光夾角寫入和讀出，并且都采用固定波長。角度復用技術需要 精密光束角度調整裝置，復用數目受到裝置的定位精度和調整范圍的限制。

波長復用是通過改變記錄光波的波長來實現復用。由Kogelnik的耦合波 理論可知，讀出條件的偏離布拉格條件引起相位失配由兩部分組成，一部分是 讀出角度偏離布拉格角引起的相位失配，另一部分是波長偏離記錄波長引起的 相位失配，因此采用不同波長同樣可以達到復用的效果。為了實現波長復用的 高密度全息存儲，光源發出光的波長應當能在可見或者近紅外區內100nm的范 圍內調諧，調諧的選擇性應不低于全息圖的光譜帶寬。為了能快速訪問，各個 波長應該能在幾微秒內隨機尋址。這些要求在目前的激光系統中很難實現。

相位復用技術則是用不同的相位編碼的參考光寫入和讀出全息圖，存一幅 圖使用一個相位碼，同時采用固定的波長和光束夾角，由攜帶不同相位碼的參 考光決定了存儲圖像的地址。每一組參考光由一組正交相位碼調制生成，不同 的參考光代表了數據頁的不同地址。存儲數據頁時物光波與一束參考光干涉， 數據頁以體全息光柵的形式保存在全息存儲介質中，存儲下一幅數據頁時采用 另一束參考光，所有數據頁都保存在全息存儲介質的共同體積內；讀取某一幅 數據頁時只有相應的參考光確定其地址，才能正確讀出，錯誤的地址則無法讀 取。正交編碼的參考光保證了數據頁之間無串擾讀出。

相位復用技術相對于角度復用、波長復用具有以下優點：避免了角度復用 的移動部件和波長復用中的頻移設備的使用；具有更短的讀出時間，更高的能 量效率；存儲相同數量全息圖時，信噪比相對角度復用、波長復用高兩個數量 級；還可對存儲的數據頁進行光學加密。

相位復用的實現方式為在參考光束中加入相位調制器件，如相位板、毛玻 璃、多模光纖、相位型空間光調制器等。其中毛玻璃和多模光纖對參考光相位 調制為隨機調制，不易控制，可以用于相位加密，但不宜用于相位復用。相位 板即在基底上按照設計加工的相位器件，在不同像素位置，引入不同的光程， 則相位延遲不同，即按照設計進行了相位調制。相位板的缺點是不夠靈活，加 工后相位延遲即為固定值。相位型空間光調制器即利用電極旋轉液晶分子的空 間取向，調制光束的偏振態，進而靈活地實現任意的相位調制。

對于存儲在體全息系統的數據頁，任何人都可以再現信號光，讀取明文數 據，系統存在明顯的安全性漏洞。為提高安全性，保護數據，必須考慮數據加 密方案。傳統的數字加密技術如DES、AES、IDEA等加密算法對輸入的明文數 據進行置換擴散，需要反復迭代運算，不適用于快速處理存儲海量數據的全息 存儲系統。光學加密技術基于光學信息處理，具有并行高速的特點，非常適用 于全息存儲系統中的數據加密任務。

大體上說，根據光學密鑰使用的方式不同，光學加密技術分為兩大類：信 號光加密技術和參考光加密技術。光學密鑰即采用對光束的振幅、相位和偏振 信息進行調制的器件，在光學加密領域常用的是隨機相位調制器件，如隨機相 位板(Phase?Mask，PM)。信號光加密常見的方法是在4-f系統的物面和頻譜 面同時放置兩塊統計無關的PM，對輸入的信號光實施兩次相位調制，得到穩態 白噪聲的密文輸出。參考光加密的常見方法是在參考光路的聚焦透鏡的前焦 面插入光學密鑰，不同的信號光使用不同的光學密鑰存儲。再現時，必須要有 相應的光學密鑰才可以讀取。