Extremt snabb holografisk datalagring baserad på att utöka datapagesstorlek

Varför snabbare data spelar roll

Från strömmande filmer till träning av AI genererar vår värld mer information än vad dagens hårddiskar och optiska skivor bekvämt klarar av. Mycket av denna “kalla” arkivdata används nu oftare, blir oväntat “het” och utsätter lagringssystem för krav på att flytta data betydligt snabbare. Denna artikel undersöker ett lovande alternativ till konventionell lagring: ett holografiskt system som skriver och läser stora informationsblock med ljus, och visar ett sätt att pressa dess dataflöde över 20 gigabit per sekund.

Att lagra information i ljusmönster

Till skillnad från välbekanta lagringsenheter som skriver bitar efter varandra längs ett spår, registrerar holografisk datalagring hela bilder av data på en gång. Varje ”page” är ett tvådimensionellt mönster av ljusa och mörka pixlar som kodar digital information. När denna mönstrade signalstråle möter en andra, renare referensstråle inne i ett särskilt medium, registreras deras interferensmönster i tre dimensioner, som ett fruset vågfält. Eftersom hela pages skrivs och läses i ett enda skott kan denna metod i princip flytta data med flera storleksordningar snabbare än bit‑för‑bit‑metoder.

Flaskhalsen: små speglar, begränsad yta

För att förvandla elektronisk data till ljusmönster använder ingenjörer rumsliga ljusmodulatorer—chip som kan slå hundratusentals små element av och på. En ledande version, den digitala mikrospegelenheten (DMD), använder ett fält av mikroskopiska tiltbara speglar som kan flippa tiotusentals gånger per sekund, vilket gör den idealisk för höghastighetsdrift. Men fysikaliska och tillverkningsmässiga begränsningar sätter gräns för hur små varje spegel kan vara och hur många som får plats på ett chip. Traditionella holografiska uppställningar kräver att en enda DMD hanterar både signalstrålen som bär data och referensstrålen, vilket tvingar chippet att dela sin värdefulla spegelyta mellan dem. Denna krympande yta sätter en kraftig gräns för hur mycket information som kan skrivas i varje page.

Dubbla enheter och frigjord yta

Forskarna angriper denna begränsning på två fronter. För det första delar de upp signalstrålen över två DMD‑chip istället för ett. Varje chip kodar halva datapagen; ett optiskt system ”syr” sedan ihop övre och nedre halvorna till ett stort, sömlöst mönster på inspelningsplanet. Detta förlänger effektivt datapagesstorleken till den kombinerade ytan av båda enheterna utan att behöva mindre speglar. För det andra belastar de inte längre DMD:erna med formningen av referensstrålen. Istället präglar en särskilt tillverkad ringformat mask det nödvändiga mönstret på en separat stråle, vilket imiterar den gallerliknande strukturen hos DMD utan att förbruka några av dess pixlar. Tillsammans ägnar dessa steg nästan hela DMD‑ytan åt att bära användbar information.

Smartare kodning för varje liten fläck

Utöver att göra ljusduken större packar teamet också mer meningsfull information i varje liten fläck på duken. De delar sidan i många små block om 4×4 pixlar och använder ett konstant‑vikt‑schema där exakt fem pixlar i varje block är ljusa och resten är mörka. Genom att noggrant välja vilka fem som är på representerar varje block ett av 4 096 möjliga mönster—tillräckligt för att koda 12 bitar data i ett område som bara är 16 pixlar stort. Jämfört med ett tidigare schema som lagrade 8 bitar per block ökar denna tätare kodning avsevärt nyttolasten per page samtidigt som pålitlig separation mellan ”på” och ”av” bevaras. Tester av de ihopsydda signalmönstren visar låga felnivåer och goda signal‑till‑brus‑nivåer, vilket bekräftar att de mer trängda pages förblir läsbara.

Mot ultrahög hastighet

För att se vad deras design kunde uppnå i praktiken bytte författarna ut det holografiska mediet mot en spegel och använde en höghastighetskamera för att fånga de kodade pages, och isolerade därigenom prestandan hos den optiska frontenden. Med dubbel‑DMD‑uppsättningen som körde nära 28 000 bildrutor per sekund och varje utökad page som bar cirka 770 000 bitar, når systemet en skrivhastighet på 20,06 gigabit per sekund. I princip, med framtida kameror och fotoelektriska omvandlare snabba nog att hinna med, skulle samma arkitektur kunna stödja läshastigheter långt över 100 gigabit per sekund—långt bortom dagens vanliga optiska skivor. Att fullt ut realisera detta löfte kommer visserligen kräva framsteg i inspelningsmaterialen och systemets stabilitet, men detta arbete visar en tydlig väg mot holografisk lagring som kan hålla jämna steg med den datahungriga tidsåldern.

Citering: 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

Nyckelord: holografisk datalagring, hög hastighet optisk lagring, digital mikrospegelenhet, arkivering av big data, kodning av datapage