DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-41672-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41781522
تاريخ النشر: 2026-03-04
المؤلف: Yongkun Lin وآخرون
الموضوع الرئيسي: البصريات الضوئية الانكسارية وغير الخطية
نظرة عامة
تناقش هذه القسم التقدم في تكنولوجيا تخزين البيانات الهولوجرافية، والتي تعتبر ضرورية لتلبية الطلبات المتزايدة على تخزين البيانات عالي الكثافة ونقل البيانات السريع في عصر المعلومات. تستفيد هذه التكنولوجيا من تسجيل الهولوجرافيا ثلاثية الأبعاد مع النقل ثنائي الأبعاد لتحقيق معدلات بيانات كبيرة. التحدي الرئيسي المحدد هو منطقة التعديل المحدودة لمعدلات الضوء الفضائية (SLMs)، مما يقيد السعة الإجمالية لنقل البيانات في هذه الأنظمة.
لمعالجة هذه القيود، يقدم البحث نظام تخزين بيانات هولوجرافي مبتكر عالي السرعة يوسع حجم صفحات البيانات. يتم ذلك من خلال خياطة ومحاذاة أشعة الإشارة المعدلة بواسطة جهازين ميكرومرايا رقميين (DMDs) من خلال نظام بصري. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام قناع لتعديل شعاع المرجع، مما يحسن استخدام موارد بكسل DMDs. من خلال تنفيذ قاعدة ترميز بيانات 5:16، يحقق النظام المقترح معدل نقل بيانات مثير للإعجاب يبلغ 20.06 Gb/s، مما يعزز بشكل كبير أداء تخزين البيانات الهولوجرافية.
مقدمة
تستعرض مقدمة هذه الورقة البحثية تطور وأهمية الهولوجرافيا، التي اقترحها في البداية دينيس غابور لتعزيز دقة المجهر الإلكتروني. منذ ذلك الحين، وجدت الهولوجرافيا تطبيقات في مجالات متعددة، بما في ذلك عرض المعلومات، والهندسة الطبية الحيوية، وتخزين البيانات، خاصة استجابةً للطلبات المتزايدة على إدارة البيانات الفعالة المدفوعة بتقنيات الذكاء الاصطناعي. على عكس طرق التخزين التقليدية، تستخدم تخزين البيانات الهولوجرافي الهولوجرافيا الحجمية لتسجيل صفحات بيانات مشفرة ثنائية الأبعاد في وسائط ثلاثية الأبعاد، مما يحقق معدلات نقل أعلى من خلال نقل صفحات البيانات بشكل متزامن.
تسلط الورقة الضوء على قيود معدلات الضوء الفضائية الحالية (SLMs)، وخاصة أجهزة الكريستال السائل على السيليكون (LCOS)، التي تعاني من أوقات استجابة بطيئة، مما يجعلها غير مناسبة للتطبيقات عالية السرعة. بالمقابل، تقدم أجهزة المرايا الرقمية (DMDs) مزايا مثل معدلات تحديث عالية وموثوقية، مما يجعلها مفضلة للتعديل عالي السرعة في الأنظمة الهولوجرافية. ومع ذلك، فإن الحجم الثابت لمرايا DMD يحد من عدد البكسلات القابلة للعناوين وبالتالي معدل كتابة البيانات. لمعالجة هذه التحديات، يقترح المؤلفون نظام تخزين بيانات هولوجرافي مبتكر عالي السرعة يستخدم جهازين DMD لتمديد حجم صفحة البيانات، وبالتالي زيادة منطقة التعديل دون المساس بتعديل شعاع المرجع. من خلال ترقية نظام الترميز من 3:16 إلى 5:16، يعزز النظام سعة المعلومات لكل بكسل، محققًا معدل نقل بيانات ملحوظ يبلغ 20.06 Gb/s، مما يوفر حلاً قويًا لمتطلبات تخزين البيانات الحديثة.
طرق
في هذا القسم، يحدد المؤلفون الطرق المستخدمة لتعزيز سرعة كتابة البيانات في نظام تخزين البيانات الهولوجرافي، مع التركيز على قدرات تعديل جهاز المرايا الرقمية (DMD). تتأثر سرعة الكتابة بشكل أساسي بكمية المعلومات القابلة للتعديل لكل إطار ومعدل التحديث الثابت لمعدل الضوء الفضائي (SLM)، الذي لا يمكن تجاوزه. لتحسين الأداء، يقترح المؤلفون نظام ترميز بيانات جديد يزيد من استخدام البكسلات المتاحة على DMD. بدلاً من استخدام DMD واحد لكل من أشعة الإشارة والمرجع، يتم تحميل شعاع المرجع باستخدام قناع، مما يحرر المزيد من البكسلات لتعديل الإشارة. تتيح هذه الطريقة دقة مجمعة تبلغ 1024×1536 بكسل للضوء الإشاري.
يستخدم نظام الترميز تنسيق ترميز سعة 5:16، حيث يحتوي كل وحدة ترميز بكسل 4×4 على 5 بكسلات “مضيئة” تمثل بيانات 12 بت. تتكون كل صفحة بيانات فرعية من 32 وحدة ترميز وتحتوي على علامة موضعية لمحاذاة البيانات وتصحيحها. يتم تقييم فعالية الطريقة المقترحة من خلال معدل خطأ البت (BER) ونسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)، المحسوبة باستخدام صيغ محددة تأخذ في الاعتبار القيم المتوسطة والتباينات للبكسلات المضيئة والمطفأة. تهدف هذه الطريقة المبتكرة إلى تعزيز قدرات كتابة البيانات في أنظمة التخزين الهولوجرافي بشكل كبير من خلال تحسين استخدام البكسلات وكفاءة الترميز.
نتائج
تستعرض قسم النتائج في الورقة البحثية إعداد التجارب والنتائج المتعلقة بتعديل مزدوج DMD لتخزين البيانات الهولوجرافية. يوضح مخطط المسار البصري كيف يتم تعديل أشعة الإشارة والمرجع باستخدام جهازين ميكرومرايا رقميين (DMDs). يتم تقسيم شعاع الإشارة وتعديله بشكل منفصل على كل DMD، يليه نظام تصوير 4F يجمع الأشعة من أجل خياطة صفحات البيانات بشكل فعال. تعتبر المحاذاة الدقيقة لـ DMDs أمرًا حاسمًا، حيث يمكن أن تؤدي الفروق في المحاور البصرية إلى تحديات في تحقيق سطوع موحد عبر الأنماط المشفرة. كشفت التجارب أن واحدًا فقط من بين الثلاثة DMDs المختبرة استوفى متطلبات سطوع الموحد اللازمة لتخزين البيانات بشكل فعال، مع معدل خطأ بت (BER) يبلغ 1.56×10⁻⁴ ونسبة إشارة إلى ضوضاء (SNR) تبلغ 6.58، مما يشير إلى أداء مرضٍ.
بالإضافة إلى ذلك، تم تناول تعديل شعاع المرجع، مع تصميم قناع مخصص لضمان التناسق مع هيكل المرايا في DMD. تم تأكيد معلمات القناع لتلبية مواصفات التصميم، مما يتيح التكامل الناجح مع شعاع الإشارة لتخزين البيانات عالي السرعة. أظهرت اختبارات النظام باستخدام كاميرا عالية السرعة معدل كتابة بيانات يبلغ 20.06 Gb/s، مع إمكانية تحقيق سرعات قراءة أعلى تعتمد على معدلات الإطارات لمكونات التصوير. تؤكد النتائج فعالية نهج تعديل مزدوج DMD المقترح في تحقيق معدلات نقل بيانات عالية السرعة، متجاوزة بشكل كبير طرق التخزين الضوئي التقليدية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة الضوء على التقدم في أنظمة تخزين البيانات الهولوجرافية، مع التركيز بشكل خاص على نهج تعديل مزدوج DMD المقترح. تعزز هذه الطريقة بشكل كبير سعة البيانات ومعدلات النقل مقارنةً بالأنظمة التقليدية. يمكن للنظام المقترح ترميز صفحة بيانات واحدة بسعة 769,536 بت، متفوقًا بشكل كبير على 13,056 بت التي يمكن تحقيقها بواسطة أنظمة الهولوجرافيا التقليدية التي تستخدم جهاز ميكرومرايا رقمي واحد (DMD). يسمح إعداد DMD المزدوج، الذي يستخدم نظام ترميز سعة 5:16، بمعدل نقل بيانات مثير للإعجاب يبلغ 20.06 Gb/s أثناء الكتابة، مما يمثل زيادة بمقدار 59 مرة في تعديل البيانات لكل إطار.
تناقش الورقة أيضًا قيود التخزين الهولوجرافي التقليدي، حيث يحد استخدام DMD واحد من منطقة التصوير لتعديل البيانات، مما يؤدي إلى استخدام غير فعال للبكسلات. من خلال خياطة بصريًا لخطوط تصوير DMD المزدوجة واستخدام قناع شعاع مرجع مخصص، يزيد النظام المقترح من منطقة التصوير المتاحة، مما يعزز الأداء. على الرغم من أن التقدم واعد، يشير المؤلفون إلى أن فعالية تخزين البيانات الهولوجرافية لا تزال مقيدة بقدرات أجهزة التحويل الضوئي. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لمعالجة العوامل المختلفة التي تؤثر على سرعة تخزين البيانات، بما في ذلك قوة الليزر، وطرق التسجيل، والتداخل، لتحقيق الإمكانات الكاملة لتخزين البيانات الهولوجرافية عالية السرعة في سياق الطلبات المتزايدة على البيانات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-41672-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41781522
Publication Date: 2026-03-04
Author(s): Yongkun Lin et al.
Primary Topic: Photorefractive and Nonlinear Optics
Overview
The section discusses advancements in holographic data storage technology, which is essential for meeting the increasing demands for high-density data storage and rapid data transmission in the information age. The technology leverages three-dimensional volume holographic recording combined with two-dimensional planar transmission to achieve significant data rates. A critical challenge identified is the limited modulation area of spatial light modulators (SLMs), which constrains the overall data transmission capacity of these systems.
To address this limitation, the paper introduces an innovative ultra-high-speed holographic data storage system that expands the size of data pages. This is accomplished by stitching and aligning signal beams modulated by two digital micromirror devices (DMDs) through an optical system. Additionally, a mask is employed to modulate the reference beam, optimizing the use of the DMDs’ pixel resources. By implementing a 5:16 amplitude data encoding rule, the proposed system achieves an impressive data transmission rate of 20.06 Gb/s, significantly enhancing the performance of holographic data storage.
Introduction
The introduction of this research paper outlines the evolution and significance of holography, initially proposed by Dennis Gabor to enhance electron microscope resolution. Holography has since found applications in various fields, including information display, biomedical engineering, and data storage, particularly in response to the increasing demands for efficient data management driven by artificial intelligence technologies. Unlike traditional storage methods, holographic data storage utilizes volume holography to record two-dimensional encoded data pages in three-dimensional media, achieving higher transmission rates through simultaneous data page transfers.
The paper highlights the limitations of current spatial light modulators (SLMs), particularly liquid crystal on silicon (LCOS) devices, which are hindered by slow response times, making them unsuitable for ultra-high-speed applications. In contrast, digital micromirror devices (DMDs) offer advantages such as high refresh rates and reliability, making them preferable for high-speed modulation in holographic systems. However, the fixed size of DMD micromirrors limits the number of addressable pixels and, consequently, the data writing rate. To address these challenges, the authors propose an innovative ultra-high-speed holographic data storage system that utilizes two DMDs to extend the data page size, thereby increasing the modulation area without compromising the reference beam’s modulation. By upgrading the encoding scheme from 3:16 to 5:16, the system enhances the information capacity per pixel, achieving a remarkable data transmission rate of 20.06 Gb/s, thus providing a robust solution for modern data storage demands.
Methods
In this section, the authors outline the methods employed to enhance the data writing speed of a holographic data storage system, focusing on the modulation capabilities of a Digital Micromirror Device (DMD). The writing speed is primarily influenced by the amount of modifiable information per frame and the fixed refresh rate of the SLM, which cannot be exceeded. To optimize performance, the authors propose a novel data encoding scheme that maximizes the use of available pixels on the DMD. Instead of using a single DMD for both the signal and reference beams, the reference beam is loaded using a mask, freeing up more pixels for signal modulation. This approach allows for a combined resolution of 1024×1536 pixels for the signal light.
The encoding scheme utilizes a 5:16 amplitude encoding format, where each 4×4 pixel encoding unit contains 5 “ON” pixels representing 12-bit data. Each data subpage consists of 32 encoding units and includes a positioning mark for data alignment and correction. The effectiveness of the proposed method is evaluated through the bit error rate (BER) and signal-to-noise ratio (SNR), calculated using specific formulas that account for the average values and variances of the ON and OFF pixels. This innovative approach aims to significantly enhance the data writing capabilities of holographic storage systems by optimizing pixel usage and encoding efficiency.
Results
The results section of the research paper details the experimental setup and findings related to dual-DMD modulation for holographic data storage. The optical path diagram illustrates how the signal and reference beams are modulated using two Digital Micromirror Devices (DMDs). The signal beam is split and modulated separately on each DMD, followed by a 4F imaging system that combines the beams for effective data page stitching. The precision alignment of the DMDs is critical, as discrepancies in the optical axes can lead to challenges in achieving uniform brightness across the encoded patterns. The experiments revealed that only one of the three tested DMDs met the brightness uniformity requirements necessary for effective data storage, with a Bit Error Rate (BER) of 1.56×10⁻⁴ and a Signal-to-Noise Ratio (SNR) of 6.58, indicating satisfactory performance.
Additionally, the modulation of the reference beam was addressed, with a custom mask designed to ensure consistency with the DMD’s micromirror structure. The mask’s parameters were confirmed to meet design specifications, enabling successful integration with the signal beam for high-speed data storage. System tests using a high-speed camera demonstrated a data writing rate of 20.06 Gb/s, with the potential for even higher reading speeds contingent on the frame rates of the imaging components. The findings underscore the effectiveness of the proposed dual-DMD modulation approach in achieving ultra-high-speed data transmission rates, significantly surpassing traditional optical storage methods.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the advancements in holographic data storage systems, particularly focusing on the proposed dual-DMD modulation approach. This method significantly enhances data capacity and transmission rates compared to traditional systems. The proposed system can encode a single data page with a capacity of 769,536 bits, vastly outperforming the 13,056 bits achievable by conventional collinear holographic systems that utilize a single Digital Micromirror Device (DMD). The dual-DMD setup, employing a 5:16 amplitude encoding scheme, allows for an impressive data transmission rate of 20.06 Gb/s during writing, marking a 59-fold increase in data modulation per frame.
The paper also addresses the limitations of traditional holographic storage, where the use of a single DMD restricts the imaging area for data modulation, leading to inefficient pixel utilization. By optically stitching dual-DMD imaging planes and employing a custom reference beam mask, the proposed system maximizes the available imaging area, thus enhancing performance. While the advancements are promising, the authors note that the effectiveness of holographic data storage is still constrained by the capabilities of photoelectric conversion devices. Future research is necessary to address various factors affecting data storage speed, including laser power, recording methods, and crosstalk, to fully realize the potential of ultra-high-speed holographic data storage in the context of increasing data demands.