陈雪艳同学在偏光全息存储应用研究中取得新进展
随着全球数据量的持续增加，传统的单自由度数据存储已经不能满足容量和密度的指数增长要求。光本质上提供了丰富多样的独立物理维度，如幅度、相位、偏振、空间、频率等；每个维度都可以携带单独的信息。显然，我们使用的维度越多，数据存储性能的潜在好处就越大。我们提出了一种用于全息光存储的混合多路复用方法，该方法将复振幅编码与偏振和角度复用相结合，以提高存储密度和存储容量。通过利用偏光全息，复振幅数据页可以选择性地记录到正交偏振通道中。此外，角度复用也被应用于在同一空间位置上共记录多个全息图。在读取过程中，每个全息图可以在其特定的布拉格和偏振条件下选择性地再现。值得注意的是，尽管利用了这些程度，重建的保真度仍然非常高，几乎没有串扰。这为下一代数据密集型应用提供高容量、高保真全息存储器的可扩展途径。 实验的流程图如图1 所示。首先，如图1(a) 所示，编码的幅度和相位数据页被上载到相应的空间光调制器（SLM）以利用幅度和相位维度。接下来，编码的数据页被记录到特定的偏振通道中，包括 p 和 s 通道，以利用光束的偏振维度。然后，在旋转介质 Δθ 角之后，以新的角度记录偏振通道，重建过程如图1(c) 所示，基于布拉格匹配条件，可以通过调整读取波的干涉角来重建特定的数据页。此时，可以在相机上捕捉到如图1(d) 所示的对应数据页强度的衍射图。 |
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| 图1. 实验流程图 |
表1 展示了偏振双通道的光场分布信息。p 通道是指信号波携带原始复幅度信息的 s 偏振光，参考波是 p 偏振光。s 通道是指信号波携带原始复幅度信息的 p 偏振，参考波是 s 偏振光。 |
表1 双通道光场分布 |
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本文搭建了如图2 所示的光学系统。图3 为双通道数据页存储结果。如图3(a) 所示，读取光是 p 偏振光，相应的再现光的衍射强度图被相机捕获。该图案包括幅度和相位信息，如图3(b) 和3(c) 所示。同样，如果用 s 偏振光作为读数光，则可以得到图3(d)，它包含如图3(e) 和3(f) 所示的幅度和相位信息。基于先前研究中所示的强度衍射图与复振幅之间的关系，图3(a) 和图3(b) 左侧的图像是数据页的局部放大图像。每个符号的边缘主要代表相位信息，每个符号的中间主要表示幅度信息。因此，采用双卷积神经网络 (CNN) 结构。CNN1 从符号中心提取强度特征用于幅度解码，而 CNN1 从符号边缘提取轮廓特征用于相位解码。图3(g) 说明了具体的深度学习过程。训练数据来自相机采集 300 对不同复振幅数据页通。通过旋转和翻转，数据集扩展到 1800 个样本。训练好的 CNN 可以直接重建相应的振幅和相位数据页信息。图3(h) 和图3(i) 分别示出了图3(a) 和图3(d) 衍射图案的深度学习训练结果，并且误码率 (SER) 随着训练轮数的增加而趋于稳定。一些轮次的误码率为 0，表明双通道具有完美的保真度，重建信息与原始信息相同。 |
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| 图2. 光学系统 |
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| 图3. 双通道原始数据页和实验结果 |
在基于上述实现振幅、相位、偏振三个维度的调控后增加角度复用。根据布拉格失配原理，本文测量了最小角度复用间隔为 0.2°，如图4(a) 所示。随后，在 9 个不同的角度实现记录18张包含复振幅信息的数据页，图4(b) 和图4(c) 为 18 幅数据页复振幅信息恢复结果，前 11 幅数据页的重建信息与原始数据页的信息完全匹配，证明了混合偏振和角度复用的可行性。图4(d) 为材料记录18幅数据页前后衍射效率的变化曲线。绿色曲线表示记录前材料的衍射效率，红色曲线表示记录 18 个不同数据页后材料的衍射效率。感光分子的数量随着记录数据页的增加而减少，降低了衍射效率，从而增加了第 11 幅以后数据页的误码率。 |
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| 图4. 角度复用间隔和实验结果 |
本文提出了的全息复振幅存储方案，它结合了角度和偏振复用技术。通过旋转介质并使用偏振复用，不同的复振幅数据页可以被记录在全息介质的相同物理体积中。在读取过程中，通过精确匹配入射光束的偏振状态和角度，可以实现目标数据页的高对比度和选择性重建。该实验在同一物理位置记录了 18 页复振幅数据页，能够精确重建前 11 幅的复振幅信息。相信在未来，这种多路复用方法可以突破材料限制，结合更多的偏振通道来增加数据页数量。 |
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上述研究成果以“Holographic complex-amplitude storage based on hybrid angle-polarization multiplexing”为题，整理发表在美国光学学会 (The Optical Society of American, OPTICA) 期刊杂志 Optics Letters, Vol.51, No.3, p.720-723 (2026) 上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OL.583755 |
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(2026.01.28)
