Une nouvelle approche de stockage de données holographiques permet de stocker davantage de données dans le même espace.
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Des chercheurs ont mis au point une méthode de stockage de données holographique qui permet de stocker et de récupérer des informations en trois dimensions en combinant trois propriétés de la lumière : l’amplitude, la phase et la polarisation. En permettant de stocker davantage de données dans le même espace, cette nouvelle approche pourrait contribuer à répondre à la demande mondiale croissante en matière de stockage de données.
Le stockage de données holographique utilise la lumière laser pour insérer des informations numériques à l'intérieur d'un matériau. Au lieu d'enregistrer les données uniquement en surface, comme un disque dur ou un disque optique, il stocke de nombreux motifs lumineux superposés dans tout le volume du matériau, permettant ainsi une densité de stockage beaucoup plus élevée et une transmission de données plus rapide.
« Dans le stockage holographique conventionnel, l'encodage des données utilise généralement une seule dimension lumineuse, comme l'amplitude ou la phase, ou, au maximum, combine deux de ces dimensions », explique Xiaodi Tan, chef d'équipe de recherche à l'Université normale de Fujian en Chine. « En nous appuyant sur le principe de l'holographie de polarisation, nous avons utilisé une architecture d'apprentissage profond, un modèle de réseau neuronal convolutif, pour exploiter la polarisation comme une dimension d'information indépendante. »
Dans Optica , la revue du groupe Optica Publishing dédiée à la recherche à fort impact, les chercheurs décrivent leur nouvelle technique de stockage de données holographiques et démontrent qu'elle peut augmenter la densité d'informations tout en simplifiant la lecture.
« Avec la poursuite de son développement et sa commercialisation, ce type de stockage de données holographiques multidimensionnel pourrait permettre de réduire la taille des centres de données et d’améliorer l’efficacité du stockage d’archives à grande échelle, tout en optimisant le traitement et la transmission des données », a déclaré Tan. « Il pourrait également contribuer à une transmission de données plus sûre, au chiffrement optique et à l’imagerie avancée. »
Utiliser la polarisation pour stocker des informations
Le stockage de données holographiques enregistre les informations sous forme de pages de données visuelles formées par des motifs lumineux laser. L'encodage convertit les données numériques en ces pages pour l'enregistrement, et le décodage restaure les pages enregistrées sous forme de données utilisateur.
Bien que plusieurs propriétés de la lumière puissent théoriquement être utilisées pour encoder davantage d'informations dans chaque page de données, leur mise en œuvre pratique s'avère complexe. Pour y remédier, les chercheurs ont consacré des années à perfectionner l'holographie de polarisation tensorielle, qui préserve l'état de polarisation enregistré dans l'hologramme lors de sa reconstruction. La polarisation peut ainsi servir de canal fiable pour le stockage de l'information.
Dans leurs travaux récents, les chercheurs ont mis au point un schéma de codage par modulation 3D en contrôlant l'intensité et la phase de deux états de polarisation orthogonaux et en utilisant une approche d'hologramme à double phase. Ceci a permis à un simple modulateur spatial de lumière, fonctionnant uniquement en phase, de coder les informations d'amplitude, de phase et de polarisation dans le champ optique.
Le décodage des informations combinées d'amplitude, de phase et de polarisation (3D) est complexe car les capteurs ne détectent que l'intensité lumineuse (amplitude) et ne peuvent pas mesurer directement la phase et la polarisation. Les chercheurs ont résolu ce problème en utilisant la théorie de l'holographie tensorielle de polarisation et en concevant un modèle de réseau neuronal convolutif pour extraire simultanément les informations 3D directement à partir d'images d'intensité de diffraction.
Le modèle apprend les caractéristiques d'amplitude, de phase et de polarisation du champ optique à partir de deux images de diffraction complémentaires : l'une capturée avec un polariseur vertical et l'autre sans. En utilisant ces images d'intensité comme entrées, le réseau neuronal entraîné peut décoder simultanément l'amplitude, la phase et la polarisation, ce qui permet d'accroître la densité de stockage et d'améliorer la vitesse de transmission.
Légende : (a) Schéma du système, (b) Plan complexe pour la décomposition en deux phases de l’amplitude complexe, (c) Exemple de motif en damier pour deux valeurs de phase m et n, (d) Exemple de distribution d’intensité dans le plan image, (e) Exemple de distribution de phase dans le plan image. En (f), les premier (I) et deuxième (II) enregistrements sont présentés, la lecture étant illustrée en (g). Crédit : Xiaodi Tan, Université normale du Fujian en Chine
Décodage avec un réseau neuronal
Après avoir validé la théorie sous-jacente à la nouvelle méthode, les chercheurs ont conçu un dispositif compact pour enregistrer et reconstruire le champ optique encodé dans un milieu sensible à la polarisation. Lors de l'évaluation et du décodage, les images d'intensité enregistrées ont été analysées afin d'identifier les signatures d'amplitude, de phase et de polarisation dans les distributions d'intensité. Ces signatures ont ensuite servi d'entrées pour le décodage par réseau de neurones, permettant ainsi la reconstruction simultanée de données 3D à partir de mesures d'intensité uniquement.
« Globalement, nos résultats ont montré que l'encodage conjoint multidimensionnel augmentait considérablement la quantité d'informations contenues sur une seule page de données holographiques, améliorant ainsi la capacité de stockage », a déclaré Tan. « De plus, le décodage synchrone par réseau neuronal a réduit le besoin de mesures complexes et de reconstruction étape par étape, permettant une lecture et un décodage plus efficaces. Ceci pourrait ouvrir la voie à un stockage de données holographiques à haut débit et haute capacité. »
Les chercheurs précisent que ces travaux restent au stade de la démonstration et que des recherches supplémentaires sont nécessaires avant toute commercialisation. Afin de les adapter aux conditions d'utilisation réelles, ils prévoient d'augmenter le nombre de niveaux de gris du codage pour accroître la capacité et améliorer la stabilité, l'uniformité et la reproductibilité à long terme du support d'enregistrement.
Ils souhaitent également combiner le système avec des techniques de multiplexage holographique volumétrique pour permettre le stockage multipage et multicanal et renforcer la co-intégration du matériel optique et des algorithmes de décodage, afin d'obtenir une récupération des données plus rapide et plus fiable en conditions réelles.
Article : R. Chen, J. Wang, H. Wu, M. Song, Y. Yang, D. Lin, X. Tan, « Encodage et décodage de la modulation de champ optique multidimensionnelle dans le stockage de données holographiques » Optica 13, 591-601 (2026).
DOI : 10.1364/OPTICA.586593 .