熊如颖同学在全息存储研究中取得新进展
全息存储技术具有高存储密度、高传输速率和长寿命的特点，被视作最具潜力的下一代存储技术。同轴全息数据存储系统采用共光路设计，结构紧凑、稳定性高。然而，该系统对光学系统对准误差、环境噪声较为敏感，同时存储材料的收缩也会影响读出精度。在记录与读取过程中，系统依赖同步符号进行精确定位以校正数据错位。因此，优化同步符号的设计，对提升存储稳定性和读取精度至关重要。 如图1 所示，信息图由数据页和参考光组成，其中每个数据页包含 51 个子数据页和一个数据页同步符号，每个子数据页含有 32 个数据单元和一个子页同步符号，每个单元是一个 4x4 像素大小的矩阵。 |
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| 图1. 同轴全息存储系统信息图。(a)数据页；(b)参考光； (c)信息图；(d)子数据页；(e)传统方块同步符号 |
同步符号在同轴全息存储系统中发挥着关键作用。系统以同步符号结构作为卷积核，与重构图像进行互相关运算，通过检测响应峰值确定同步标记的坐标位置，进而导出重构图像的缩放系数、偏移量和旋转量，建立精准的坐标映射关系。如果同步符号因信噪比恶化而难以识别，定位误差会传播至后续所有数据处理步骤，导致误码率急剧上升。如图2所示，在再现光强较低时，数据页中虽可见数据点分布，但因同步符号强度不足无法被可靠识别，导致配准失败，进而使误码率高达80%。 |
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| 图2. 同步符号难以识别对解码性能的影响。(a) 低衍射强度下的再现数据页图像； (b) 该数据页中同步符号放大图；(c) 误码率分布图（白色像素表示误码） |
传统的同步符号采用方块图案。这种设计由大块连续白像素构成，其空间频率主要集中在低频区域。但同轴全息存储系统中使用的参考光呈径向分布的环状结构，具有中高频空间频率成分。二者在傅里叶平面上的光谱匹配度较低，导致在位移复用或材料收缩时，方形同步符号的衍射信号衰减速度比数据点更快，往往先于数据像素“消失”，成为制约系统性能的瓶颈。 针对上述问题，本文提出了一种米字同步符号设计。基于傅里叶光学理论，我们通过计算参考光与同步符号在傅里叶平面上的光谱重叠度来评估其匹配程度。设参考光在再现平面的复振幅分布为 r(x,y)，同步符号结构对应的空间分布为 l(x,y)，二者的二维傅里叶变换分别为R(u,v)和L(u,v)。定义匹配度M为归一化内积： |
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该指标满足 M∈[0,1]，数值越大表示光谱重叠度越高。我们采用余弦相似度对五种形状（方形、菱形、米字、横条、竖条）的同步符号进行了定量比较，计算公式为： |
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其中，A 和 B 为待比较的 n 维向量，A?B 表示其点积，∥A∥ 与 ∥B∥ 分别为向量的模长。计算结果显示，米字同步符号与参考的余弦相似度最高，达到 0.8305。基于这一结果，我们选择米字同步符号进行实验验证。 为验证米字同步符号的实际效果，我们使用了同轴全息存储系统实验平台。实验采用 532 nm 绿光激光器，曝光时间 2 秒，厚度为 0.5 mm 的 PQ/PMMA 光致聚合物反射式材料，进行了单幅记录、位移复用和高温加速老化等对比实验。 单幅记录实验结果显示，采用传统方形同步符号的数据页误码率约为 1%，而采用米字同步符号的误码率低于 0.5%。位移复用实验以 10 μm 间隔交替记录 40 幅全息图。结果表明，方形同步符号的平均误码率为 3.87%，米字同步符号的平均误码率为 3.14%，误码率绝对值降低约 0.63%，相对降低约 25%。在全部 40 个测量点上，米字同步符号的误码率均低于方形符号。亮度百分比分析进一步证实，在重构图像中所有米字同步符号的亮度百分比均高于方形符号，即使在材料不均匀或系统振动等非理想条件下也能提供稳定可识别的定位信号。 |
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| 图3. 方形-米字同步符号信息图的交替复用。(a)误码率；(b)亮度百分比 |
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| 图4. 米字-方形同步符号信息图的交替复用。(a)误码率；(b)亮度百分比 |
80°C 高温加速老化实验用于模拟长期存储效应。随着存储时间延长，两种符号的误码率均呈上升趋势，但米字同步符号始终保持更低的误码率，且其优势随着老化时间增加而更加显著。 |
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| 图4. 不同老化时间的误码率 |
上述研究成果以“Synchronous Mark Design Based on Collinear Holographic Data Storage System to Improve Reconstruction Efficiency”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》上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.3390/photonics13050438 |
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(2026.04.29)
