波长复用衍射光学信息存储与图像投影

人工智能、云计算和现代数字基础设施所产生的数据呈爆炸式增长，给现有信息存储技术带来越来越大的压力。尽管硬盘驱动器等磁存储系统仍是数字存储的主导平台，但它们面临成本上升、寿命有限和信息检索相对较慢等挑战。为应对这些挑战，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员开发了一种新型光信息存储平台，利用经过工程设计的衍射结构来存储并快速检索数千张图像。

UCLA团队推出了一种波长复用衍射光存储系统，该系统由多个无源介质层组成，并利用深度学习对其进行了空间工程设计。这项研究发表在《Advanced Photonics》期刊上。

按波长存储的图像

该系统并非以电子方式存储信息，而是将数千张不同图像存储在透明材料内紧密堆叠的衍射层紧凑叠层中。每张图像被分配一个独特的照明波长，只需改变入射光的波长，就能选择性地检索信息。

就像将收音机调谐到不同电台一样，用不同波长照射衍射结构，就会显示出不同的已存储图像，且所有图像都投射到同一个输出视场上。波长复用衍射光存储提供了一种稳健、高密度的解决方案，对于海量数据集的长期、稳定归档尤为重要。

通过消除机械部件以及传统磁介质所伴随的退化风险，该技术确保了信息在长时间内的可靠保存与快速访问。

从仿真到原型

通过在可见光谱范围内进行数值仿真，UCLA研究人员证明，他们的衍射存储平台能够存储并重建超过4000个独立图像模式，同时保持高图像保真度和极低的波长通道间串扰。重建图像的平均峰值信噪比超过48 dB，凸显了检索信息的高质量。

为了通过实验验证这一概念，研究团队制作了一个原理验证性的双层衍射器件，并演示了六种不同图像模式的存储与检索。

通过用波长范围从500 nm到740 nm的六种波长依次照射该器件，研究人员成功地在同一输出视场内重建出六幅不同的图像，证实了在物理系统中实现波长编码光存储的可行性。

可扩展的容量空间

重要的是，所提出的架构具有高度的可扩展性，无需依赖复杂的材料色散工程，即可在电磁频谱的不同区域工作。

此外，波长复用策略还可以与其他光学复用方法（如偏振、照明角度或空间位移）相结合，以进一步提高存储容量。

“我们的工作确立了波长复用衍射光学作为全光信息存储的可扩展平台，”该研究的通讯作者、UCLA的Aydogan Ozcan教授说。“通过在波长通道上编码信息，单个无源光学结构就能承载数千张独立图像，为信息的长期存储、信息处理和显示技术开辟了新的机遇。”

超越归档的潜在用途

该研究所展示的大存储容量、紧凑外形和快速波长编码读出能力，有望使广泛的应用受益，包括光数据存储、信息安全、先进显示系统和未来光子计算硬件。

随着对高效、长期数据存储的需求持续增长，衍射光存储技术或将为传统电子存储系统提供一种颇具吸引力的替代方案。

这项研究由UCLA的Aydogan Ozcan教授和Mona Jarrahi教授指导。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1117/1.ap.8.4.046011