Ultraschnelles holografisches Datenspeichersystem durch Vergrößerung der Datenseitengröße

Warum schnellere Daten wichtig sind

Vom Streaming von Filmen bis zum Training von KI erzeugt unsere Welt mehr Informationen, als heutige Festplatten und optische Scheiben bequem bewältigen können. Ein Großteil dieser „kalten“ Archivdaten wird inzwischen häufiger abgerufen, wird damit unerwartet „heiß“ und setzt Speicherlösungen unter Druck, Daten deutlich schneller zu bewegen. Dieses Papier untersucht eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Speichern: ein holografisches System, das große Informationsblöcke mit Licht schreibt und liest, und zeigt einen Weg, seine Datenrate über 20 Gigabit pro Sekunde hinaus zu treiben.

Informationen in Lichtmustern speichern

Im Gegensatz zu vertrauten Speichermedien, die Bits nacheinander entlang einer Spur schreiben, zeichnet die holografische Datenspeicherung ganze Bildseiten auf einmal auf. Jede „Seite“ ist ein zweidimensionales Muster aus hellen und dunklen Pixeln, das digitale Informationen kodiert. Trifft dieser gemusterte Signalstrahl innerhalb eines speziellen Mediums auf einen zweiten, saubereren Referenzstrahl, wird ihr Interferenzmuster in drei Dimensionen aufgezeichnet, ähnlich einem eingefrorenen Wellenfeld. Da gesamte Seiten in einem einzigen Schuss geschrieben und gelesen werden, kann dieser Ansatz prinzipiell Daten um Größenordnungen schneller bewegen als bitweise Verfahren.

Das Nadelöhr: winzige Spiegel, begrenzte Fläche

Um elektronische Daten in Lichtmuster zu verwandeln, verwenden Ingenieure räumliche Lichtmodulatoren — Chips, die Hunderttausende winziger Elemente ein- und ausschalten können. Eine führende Variante, das digitale Mikromirror-Gerät (DMD), nutzt ein Array mikroskopisch kippender Spiegel, die sich Zehntausende Mal pro Sekunde umklappen lassen und sich so ideal für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb eignen. Physik- und Fertigungsgrenzen setzen jedoch eine Untergrenze für die Größe jedes Spiegels und begrenzen die Anzahl, die auf einen Chip passen. Traditionelle holografische Aufbauten fordern ein einzelnes DMD dazu auf, sowohl den datentragenden Signalstrahl als auch den Referenzstrahl zu handhaben, wodurch die begrenzte Spiegelfläche des Chips zwischen beiden aufgeteilt wird. Diese schrumpfende Nutzfläche begrenzt stark, wie viel Information in jeder Seite geschrieben werden kann.

Verdoppeln und Freiräume schaffen

Die Forscher gehen dieses Problem auf zwei Wegen an. Zunächst teilen sie den Signalstrahl auf zwei DMD-Chips statt auf einen auf. Jeder Chip kodiert die Hälfte der Datenseite; ein optisches System „näht“ dann die obere und untere Hälfte auf der Aufzeichnungsebene zu einem großen, nahtlosen Muster zusammen. Dadurch wird die Datenseitengröße effektiv auf die kombinierte Fläche beider Geräte erweitert, ohne kleinere Spiegel zu benötigen. Zweitens belasten sie die DMDs nicht länger mit der Formung des Referenzstrahls. Stattdessen prägt eine speziell gefertigte ringförmige Maske das benötigte Muster auf einen separaten Strahl und imitiert so die gitterähnliche Struktur des DMD, ohne dessen Pixel zu verbrauchen. Zusammen widmen diese Schritte nahezu die gesamte DMD-Fläche dem Tragen nützlicher Informationen.

Schlauere Kodierung für jedes kleine Feld

Über die Vergrößerung der Lichtfläche hinaus packt das Team auch mehr sinnvolle Information in jeden kleinen Bereich dieser Fläche. Sie teilen die Seite in viele winzige 4‑mal‑4-Pixel-Blöcke und verwenden ein Konstantgewichtsschema, bei dem genau fünf Pixel in jedem Block hell und die übrigen dunkel sind. Durch sorgfältige Auswahl, welche fünf angeschaltet sind, repräsentiert jeder Block eines von 4.096 möglichen Mustern — ausreichend, um 12 Bits in einem Bereich von nur 16 Pixeln zu kodieren. Im Vergleich zu einem früheren Schema, das 8 Bits pro Block speicherte, erhöht diese dichtere Kodierung den Nutzinhalt pro Seite erheblich, während die zuverlässige Trennung zwischen „ein“ und „aus“ erhalten bleibt. Tests der zusammengesetzten Signalpattern zeigen niedrige Fehlerraten und gesunde Signal‑zu‑Rausch‑Verhältnisse, was bestätigt, dass die stärker gefüllten Seiten weiterhin lesbar sind.

Auf dem Weg zu ultraschnellem Speichern

Um zu prüfen, was ihr Design praktisch leisten kann, ersetzten die Autoren das holografische Medium durch einen Spiegel und verwendeten eine Hochgeschwindigkeitskamera, um die kodierten Seiten aufzufangen und so die Leistung der optischen Frontend-Einheit zu isolieren. Mit dem Dual-DMD-Aufbau, der nahe 28.000 Bilder pro Sekunde lief, und jeder erweiterten Seite, die etwa 770.000 Bits trug, erreicht das System eine Schreibdatenrate von 20,06 Gigabit pro Sekunde. Prinzipiell könnte dieselbe Architektur bei zukünftigen Kameras und photoelektrischen Wandlern, die schnell genug sind, Lese­raten weit über 100 Gigabit pro Sekunde unterstützen — weit über die heutigen gängigen optischen Scheiben hinaus. Während die vollständige Verwirklichung dieses Potenzials Fortschritte bei den Aufzeichnungsmedien und der Systemstabilität erfordert, zeigt diese Arbeit einen klaren Weg zu holografischem Speicher, der mit dem datenhungrigen Zeitalter Schritt halten kann.

Zitation: Lin, Y., Ke, S., Xu, X. et al. Ultra-high-speed holographic data storage system based on extending data page size. Sci Rep 16, 12100 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41672-3

Schlüsselwörter: holografische Datenspeicherung, hochgeschwindigkeits-optische Speicherung, digitales Mikrospektrospiegelgerät, Big-Data-Archivierung, Codierung von Datenseiten