一文讀懂光儲(chǔ)存技術(shù)及原理

信息資料迅速增長(zhǎng)是當(dāng)今社會(huì)的一大特點(diǎn)。有人統(tǒng)計(jì)，科技文獻(xiàn)數(shù)量大約每7年增加1倍，而一般的情報(bào)資料則以每2年~3年翻一番的速度增加。大量資料的存儲(chǔ)、分析、檢索和傳播，迫切需要高密度、大容量的存儲(chǔ)介質(zhì)和管理系統(tǒng)。

1898年荷蘭的Valdemar Poulsen發(fā)明了世界上第一個(gè)磁記錄設(shè)備：磁線(xiàn)錄音機(jī)，從此，開(kāi)始了傳統(tǒng)的磁記錄應(yīng)用實(shí)踐。在隨后的一個(gè)多世紀(jì)里面，出現(xiàn)了多種不同種類(lèi)的磁記錄設(shè)備：磁帶機(jī)，磁芯存儲(chǔ)器，磁盤(pán)等等。雖然有大量不同的磁存儲(chǔ)設(shè)備出現(xiàn)，但是磁記錄的基礎(chǔ)原理仍然是上述的鐵磁性材料能夠保持外磁場(chǎng)磁化方向的特性。傳統(tǒng)的磁記錄的寫(xiě)入原理是將隨時(shí)間變化的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為在線(xiàn)性或者旋轉(zhuǎn)的鐵磁性材料中的磁化強(qiáng)度和方向的空間變化，傳統(tǒng)的磁記錄讀 出原理是將分布于磁性材料中的磁化方向和強(qiáng)度的空間變化，通過(guò)線(xiàn)性或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用磁電轉(zhuǎn)化元件，轉(zhuǎn)換為隨時(shí)間變化的電信號(hào)。

但是，隨著記錄密度的提高(目前的硬盤(pán)記錄密度已經(jīng)能夠達(dá)到 30Gb/cm2)，能夠獲得的感生電流的強(qiáng)度和信噪比已經(jīng)過(guò)小，造成讀入設(shè)備的誤碼率已經(jīng)不能達(dá)到要求。計(jì)算機(jī)和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展使越來(lái)越多的信息內(nèi)容以數(shù)字化的形式記錄、傳輸和存儲(chǔ)，對(duì)大容量信息存儲(chǔ)技術(shù)的研究也隨之不斷升溫 。激光技術(shù)的不斷成熟，尤其是半導(dǎo)體激光器的成熟應(yīng)用，使得光存儲(chǔ)從最初的微縮照相發(fā)展成為快捷、方便、容量巨大的存儲(chǔ)技術(shù)，各種光ROM紛紛產(chǎn)生。與磁介質(zhì)存儲(chǔ)技術(shù)相比，光存儲(chǔ)具有壽命長(zhǎng)、非接觸式讀/寫(xiě)、信息位的價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。

光存儲(chǔ)的基本原理

光存儲(chǔ)技術(shù)是用激光照射介質(zhì)，通過(guò)激光與介質(zhì)的相互作用使介質(zhì)發(fā)生物理、化學(xué)變化，將信息存儲(chǔ)下來(lái)的技術(shù)。其基本物理原理是：存儲(chǔ)介質(zhì)受到激光照射后，介質(zhì)的某種性質(zhì)(如反射率、反射光極化方向等)發(fā)生改變，介質(zhì)性質(zhì)的不同狀態(tài)映射為不同的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀出則通過(guò)識(shí)別存儲(chǔ)單元性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。

作為光儲(chǔ)存方式，已有近百年的發(fā)展歷史。常見(jiàn)的照相術(shù)就是最早的光存儲(chǔ)技術(shù)。無(wú)論是膠片感光靈敏度、分辨率、色彩，還是照相儀器，都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，不僅能拍攝靜止景物，還能通過(guò)電影、電視將活動(dòng)圖像記錄和再現(xiàn)。然而， 包括全息照相在內(nèi)的照相術(shù)，都屬于模擬光存儲(chǔ)范疇，它在存儲(chǔ)容量、存儲(chǔ)密度及傳輸速率等方面都受到一定限制。隨著信息社會(huì)的發(fā)展，特別是激光的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)的日益普及，數(shù)字光儲(chǔ)技術(shù)開(kāi)始興起，數(shù)字光盤(pán)的誕生成為存儲(chǔ)技術(shù)的一項(xiàng)重大突破。

迄今為止，絕大部分商品化光盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)中所用的記錄介質(zhì)的記錄機(jī)理都是熱致效應(yīng)。利用從激光束吸收的能量，作為高度集中的、強(qiáng)大的熱源，促使介質(zhì)局部熔化或蒸發(fā)，通常稱(chēng)為燒蝕記錄。在實(shí)際操作中，一般用電腦來(lái)處理信息，因?yàn)殡娔X只能識(shí)別二進(jìn)制數(shù)據(jù)，所以要在存儲(chǔ)介質(zhì)上面儲(chǔ)存數(shù)據(jù)、音頻和視頻等信息，首先要將信息轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)。現(xiàn)在常見(jiàn)的CD光盤(pán)、DVD光盤(pán)等光存儲(chǔ)介質(zhì)，與軟盤(pán)、硬盤(pán)相同，都是以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式來(lái)存儲(chǔ)信息的。寫(xiě)入信息時(shí)，將主機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后送入光調(diào)制器，使激光源輸出強(qiáng)度不同的光束，調(diào)制后的激光束通過(guò)光路系統(tǒng)， 經(jīng)物鏡聚焦然后照射到介質(zhì)上，存儲(chǔ)介質(zhì)經(jīng)激光照射后被燒蝕出小凹坑，所以在存儲(chǔ)介質(zhì)上，存在被燒蝕和未燒蝕兩種不同的狀態(tài)，這兩種狀態(tài)對(duì)應(yīng)著兩種不同的二進(jìn)制的數(shù)據(jù)。

聚焦光束人射到光盤(pán)上，如果光盤(pán)上已經(jīng)存在記錄信息，反射光的特征，例如，光強(qiáng)、光的相位或者光的偏振狀態(tài)將發(fā)生某種變化，通過(guò)電子系統(tǒng)處理可以再現(xiàn)原始記錄的數(shù)據(jù)信息，這就是光盤(pán)的基本讀出過(guò)程。具體來(lái)說(shuō)，就是讀取信息時(shí)，激光掃描介質(zhì)，在凹坑處由于反射光與入射光相互抵消入射光不返回，而在未燒蝕的無(wú)凹坑處，入射光大部分返回。這樣，根據(jù)光束反射能力的不同，就可以把存儲(chǔ)介質(zhì)上的二進(jìn)制信息讀出，然后再將這些二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成為原來(lái)的信息。

另外，可擦寫(xiě)光盤(pán)的存儲(chǔ)介質(zhì)為使光照點(diǎn)的結(jié)晶態(tài)發(fā)生變化，即相變型介質(zhì)。而磁光存儲(chǔ)材料的光盤(pán)的存儲(chǔ)介質(zhì)則是產(chǎn)生磁化方向的改變，從而記錄或刪除信息。

光存儲(chǔ)的主要特點(diǎn)

1、記錄密度高、存儲(chǔ)容量大。光盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)用激光器作光源。由于激光的相干性好，可以聚焦為直徑小于0.001mm的小光斑。用這樣的小光斑讀寫(xiě)，光盤(pán)的面密度可高達(dá)107bit/cm2~108bit/cm2。一張CD-ROM光盤(pán)可存儲(chǔ)3億個(gè)漢字。我國(guó)花了14年方才出版齊的中國(guó)百科全書(shū)共1.2×108多萬(wàn)字，也就是說(shuō)，全部的百科全書(shū)還裝不滿(mǎn)一張CD-ROM光盤(pán)。

2、光盤(pán)采用非接觸式讀寫(xiě)，光學(xué)讀寫(xiě)頭與記錄盤(pán)片間通常有大約2mm的距離。這種結(jié)構(gòu)帶來(lái)了一系列優(yōu)點(diǎn)：首先，由于無(wú)接觸，沒(méi)有磨損，所以可靠性高、壽命長(zhǎng)，記錄的信息不會(huì)因?yàn)榉磸?fù)讀取而產(chǎn)生信息哀減;第二，記錄介質(zhì)上附有透明保護(hù)層，因而光盤(pán)表面上的灰塵和劃痕，均對(duì)記錄信息影響很小，這不僅提高了光盤(pán)的可靠性，同時(shí)使光盤(pán)保存的條件要求大大降低;第二，焦距的改變可以改變記錄層的相對(duì)位置，這使得光存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)多層記錄成為可能;第四，光盤(pán)片可以方便自由的更換，并仍能保持極高的存儲(chǔ)密度。這既給用戶(hù)帶來(lái)使用方便，也等于無(wú)限制的擴(kuò)大了系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量。

3、激光是一種高強(qiáng)度光源，聚焦激光光斑具有很高的功率，因而光學(xué)記錄能達(dá)到相當(dāng)高的速度;

4、易于和計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)使用，這就顯著地?cái)U(kuò)大了光存儲(chǔ)設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域;

5、光盤(pán)信息可以方便地復(fù)制，這個(gè)特點(diǎn)使光盤(pán)記錄的信息壽命實(shí)際上為無(wú)限長(zhǎng)。同時(shí)，簡(jiǎn)單的壓制工藝，使得光存儲(chǔ)的位信息價(jià)格低廉，為光盤(pán)產(chǎn)品的大量推廣應(yīng)用創(chuàng)造了必要的條件。

當(dāng)然，光存儲(chǔ)技術(shù)也有缺點(diǎn)和不足。光學(xué)頭無(wú)論體積還是質(zhì)量，都還不能與磁頭相比，這影響光盤(pán)的尋址速度，從而影響其記錄速度。一般地說(shuō)，光盤(pán)讀寫(xiě)速度還比磁盤(pán)低。而由于光盤(pán)的記錄密度如此之高，盤(pán)片上極小的缺陷也會(huì)引起錯(cuò)誤。光盤(pán)的原生誤碼率比較高，使得光盤(pán)系統(tǒng)必須采用強(qiáng)有力的誤碼校正措施，從而增加了設(shè)備成本。

光盤(pán)及存儲(chǔ)類(lèi)型

光盤(pán)類(lèi)型通常有：只讀存儲(chǔ)光盤(pán)(ROM, Read only memory)、一次寫(xiě)入光盤(pán)(WORM, Write once read memory )、可擦重寫(xiě)光盤(pán)(Rewrite)、直接重寫(xiě)光盤(pán)(Overwrite)。

只讀存儲(chǔ)光盤(pán)

激光束被聚焦成～1um光點(diǎn)，光盤(pán)的凹坑一般寬度為0.4um，深度為讀出光波長(zhǎng)l/4，約為0.11um，螺旋線(xiàn)型的紋跡間距為1.67um。

經(jīng)過(guò)調(diào)制的激光束以不同的功率密度聚焦在甩有光刻膠的玻璃襯盤(pán)上，使光刻膠曝光，之后經(jīng)過(guò)顯影、刻蝕、制成主盤(pán)(又稱(chēng)母盤(pán)，master)，再經(jīng)噴鍍、電鍍等工序制成副盤(pán)(又稱(chēng)印膜，stamper)，然后再經(jīng)過(guò)“2P”注塑形成ROM光盤(pán)。

襯盤(pán)甩膠：對(duì)玻璃等襯盤(pán)進(jìn)行精密研磨、拋光后進(jìn)行超聲清洗，得到規(guī)格統(tǒng)一、表面清潔的襯盤(pán);在此光盤(pán)上滴以光刻膠，放入高速離心機(jī)中甩膠，以在襯盤(pán)表面形成一層均勻的光刻膠膜;取出放入烘箱中進(jìn)行前烘，以得到與襯底附著良好且致密的光刻膠膜。

調(diào)制曝光：將膜片置入高精度激光刻錄機(jī)中，按預(yù)定調(diào)制信號(hào)進(jìn)行信息寫(xiě)入。

顯影刻蝕：若為負(fù)性光刻膠，不曝光部分脫落，于是信息道出現(xiàn)符合調(diào)制信號(hào)的信息凹坑，凹坑的形狀、深度、及坑間距與攜帶信息有關(guān)。這種攜帶有調(diào)制信息的凹凸信息結(jié)構(gòu)的盤(pán)片就是主盤(pán)。由于此過(guò)程中所用的光刻膠一般為正性，因而所得主盤(pán)為正像主盤(pán)。

噴鍍銀層：在主盤(pán)表面噴鍍一層銀膜。這層銀膜一方面用來(lái)提高信息結(jié)構(gòu)的反射率，以便檢驗(yàn)主盤(pán)的質(zhì)量，另一方面，還作為下一步電鍍鎳的電極之一。

電鍍鎳層：在噴鍍銀的盤(pán)片表面用電解的方法鍍鎳，使得主盤(pán)上長(zhǎng)出一層厚度符合要求的金屬鎳膜。

將上述盤(pán)片經(jīng)過(guò)化學(xué)處理，使得鎳膜從主盤(pán)剝脫，形成一個(gè)副盤(pán)。上述主盤(pán)每一個(gè)都可用通過(guò)(5)、(6)步驟的重復(fù)，制得若干個(gè)副像子盤(pán)-副盤(pán);而每一副盤(pán)又都可以通過(guò)(5)、(6)步驟的重復(fù)，制得若干個(gè)正像子盤(pán)。

將上述所得正像或副像子盤(pán)作為“印膜(stamper)”加工中心孔和外圓后裝入“2P”噴塑器中，經(jīng)進(jìn)一步的“2P”復(fù)制過(guò)程來(lái)制作批量ROM光盤(pán)。

總的來(lái)講，只讀存儲(chǔ)光盤(pán)的記錄介質(zhì)是光刻膠，記錄方式是用聲光調(diào)制的氬離子激光器將信息刻錄在介質(zhì)上，然后制成主盤(pán)及副盤(pán)，再用副盤(pán)作為原模，大量復(fù)制視頻錄像盤(pán)或數(shù)字音像唱片。

一次寫(xiě)入光盤(pán)

一次寫(xiě)入光盤(pán)是利用激光光斑在存儲(chǔ)介質(zhì)的微區(qū)產(chǎn)生不可逆的物理化學(xué)變化進(jìn)行信息記錄的盤(pán)片，其記錄方式主要有以下幾種：

燒蝕型：存儲(chǔ)介質(zhì)可以是金屬、半導(dǎo)體合金、金屬氧化物或有機(jī)染料。利用介質(zhì)的熱效應(yīng)，是介質(zhì)的微區(qū)熔化、蒸發(fā)，以形成信息坑孔。

起泡型：存儲(chǔ)介質(zhì)由聚合物-高熔點(diǎn)金屬兩層薄膜組成。激光照射使聚合物分解排出氣體，兩層間形成的氣泡使上層薄膜隆起，與周?chē)纬煞瓷渎实牟町惗鴮?shí)現(xiàn)信息的記錄。

熔絨型：存儲(chǔ)介質(zhì)用離子刻蝕的硅，表面呈現(xiàn)絨狀結(jié)構(gòu)，激光光斑使照射部分的絨面熔成鏡面，實(shí)現(xiàn)反差記錄。

合金化型：用Pt-Si、Rh-Si或Au-Si制成雙層結(jié)構(gòu)，激光加熱的微區(qū)熔成合金，形成反差記錄。

相變型：存儲(chǔ)介質(zhì)多用硫?qū)倩衔锘蚪饘俸辖鹬瞥杀∧ぃ媒饘俚臒嵝?yīng)和光效應(yīng)使被照微區(qū)發(fā)生非晶到晶相的相變。

可擦重寫(xiě)光盤(pán)

可擦重寫(xiě)光盤(pán)從記錄介質(zhì)寫(xiě)、讀、擦的機(jī)理來(lái)講，主要分為兩大類(lèi)：

相變光盤(pán)：這類(lèi)光盤(pán)采用多元半導(dǎo)體元素配制成的結(jié)構(gòu)相變材料作為記錄介質(zhì)膜，利用激光與介質(zhì)膜相互作用時(shí)，激光的熱和光效應(yīng)導(dǎo)致介質(zhì)在晶態(tài)與玻璃態(tài)之間的可逆相變來(lái)實(shí)現(xiàn)反復(fù)寫(xiě)、擦要求，可分為熱致相變光盤(pán)和光致相變光盤(pán)。

磁光盤(pán)：這類(lèi)光盤(pán)采用稀土-過(guò)渡金屬合金制成的磁性相變介質(zhì)作為記錄薄膜，這種薄膜介質(zhì)具有垂直于薄膜表面的易磁化軸，利用光致退磁效應(yīng)以及偏置磁場(chǎng)作用下磁化強(qiáng)度取向的正或負(fù)來(lái)區(qū)別二進(jìn)制中的“0”或“1”。

可擦重寫(xiě)相變光盤(pán)的原理

RW相變光盤(pán)是利用記錄介質(zhì)在兩個(gè)穩(wěn)定態(tài)之間的可逆相結(jié)構(gòu)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)反復(fù)的寫(xiě)和擦。常見(jiàn)的相結(jié)構(gòu)變化有下列幾種：1、晶態(tài)Ⅰ晶態(tài)Ⅱ之間的可逆相變，這種相變反襯度太小，沒(méi)有使用價(jià)值。2、非晶態(tài)Ⅰ非晶態(tài)Ⅱ之間的可逆相變，這種相變的反襯度亦太小，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。3、發(fā)生玻璃態(tài)晶態(tài)之間的可逆相變，這種相變有實(shí)用價(jià)值。

存儲(chǔ)原理與過(guò)程：近紅外波段的激光作用在介質(zhì)上，能加劇介質(zhì)結(jié)構(gòu)中原子、分子的振動(dòng)，從而加速相變的進(jìn)行。因此近紅外激光對(duì)介質(zhì)的作用以熱效應(yīng)為主。

信息的記錄：對(duì)應(yīng)介質(zhì)從晶態(tài)C向玻璃態(tài)G的轉(zhuǎn)變。選用功率密度高、脈寬為幾十至幾百鈉秒的激光脈沖，使光斑微區(qū)因介質(zhì)溫度剎那間超過(guò)熔點(diǎn)Tm而進(jìn)入液相，再經(jīng)過(guò)液相快淬完成達(dá)到玻璃態(tài)的相轉(zhuǎn)變。

信息的讀出：用低功率密度、短脈沖的激光掃描信息道，從反射率的大小辨別寫(xiě)入的信息。一般介質(zhì)處在玻璃態(tài)(即寫(xiě)入態(tài))時(shí)反射率小，處在晶態(tài)(擦除態(tài))時(shí)反射率大，在讀出的過(guò)程中，介質(zhì)的相結(jié)構(gòu)保持不變。

信息的擦除：對(duì)應(yīng)介質(zhì)從玻璃態(tài)G向晶態(tài)C的轉(zhuǎn)變。選用中等功率密度、較寬脈沖的激光，使光斑微區(qū)因介質(zhì)溫度升至接近Tm處，再經(jīng)過(guò)成核-生長(zhǎng)完成晶化。在此過(guò)程中，光誘導(dǎo)缺陷中心可以成為新的成核中心，因此，由于激光作用使成核速率、生長(zhǎng)速度大大增加，從而導(dǎo)致激光熱晶化比單熱晶化速率高。

光信息存儲(chǔ)新技術(shù)

信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)海量信息存儲(chǔ)的需求迅猛增長(zhǎng)。然而，正在全世界興起的信息高速公路網(wǎng)和起級(jí)計(jì)算機(jī)小型化發(fā)展中，信息存儲(chǔ)系統(tǒng)仍是一個(gè)相對(duì)薄弱的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。光存儲(chǔ)目前達(dá)到的存儲(chǔ)密度和數(shù)據(jù)傳輸速率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了飛速發(fā)展的信息科學(xué)技術(shù)的要求

為了提高存儲(chǔ)密度和數(shù)據(jù)傳輸速率，光存儲(chǔ)正在由長(zhǎng)波向短波、低維向高維(即由平面向立體)、遠(yuǎn)場(chǎng)向近場(chǎng)、光熱效應(yīng)向光子效應(yīng)、逐點(diǎn)存儲(chǔ)向并行存儲(chǔ)發(fā)展。

三維體存儲(chǔ)技術(shù)

三維體存儲(chǔ)是實(shí)現(xiàn)超高密度信息存儲(chǔ)的重要途徑 ， 研究領(lǐng)域主要集中在體全息存儲(chǔ)和光子三維存儲(chǔ)兩個(gè)方面。

體全息存儲(chǔ)

體全息存儲(chǔ)是20世紀(jì)60年代隨著光全息技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種大容量高存儲(chǔ)密度的存儲(chǔ)方式。隨著計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，也由于在光電器件和全息存儲(chǔ)材料領(lǐng)域的研究取得了突破，使得人們?cè)谌⒋鎯?chǔ)領(lǐng)域獲得了巨大的進(jìn)展，從 而也使全息存儲(chǔ)成為超高密度光存儲(chǔ)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

一般光學(xué)體全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)理為：待存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)(數(shù)字或模擬)經(jīng)空間光調(diào)制器(SLM)被調(diào)制到信號(hào)光上，形成一個(gè)二維信息頁(yè)，然后與參考光在記錄介質(zhì)中干涉形成體全息圖從而完成信息的記錄讀出時(shí)使用和原來(lái)相同的參考光尋址，可以讀出相應(yīng)地存儲(chǔ)在晶體中的全息圖。利用體全息圖的布拉格選擇性，改變參考光的入射角度或波長(zhǎng)，就可在一個(gè)單位體積內(nèi)復(fù)用多幅圖像，實(shí)現(xiàn)多重存儲(chǔ)，達(dá)到超高密度存儲(chǔ)的目的。

全息存儲(chǔ)具有以下特點(diǎn)：

(1)存儲(chǔ)密度高、容量大：在可見(jiàn)光譜中存儲(chǔ)密度可達(dá)1012bits/cm3[8];

(2)數(shù)據(jù)冗余度高：全息記錄是分布式的，存儲(chǔ)介質(zhì)的缺陷和損傷只會(huì)使所有信號(hào)的強(qiáng)度降低，而不致于引起數(shù)據(jù)丟失;

(3)數(shù)據(jù)傳輸速率高：信息以頁(yè)為單位，并行讀寫(xiě)，從而達(dá)到極高的數(shù)據(jù)傳輸率。目前采用多通道并行探測(cè)陣列的全息存儲(chǔ)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸率有望達(dá)到1Gbyte/s;

(4)尋址速度快：參考光可采用聲光、電光等非機(jī)械式尋址方式，數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間可降至亞毫秒范圍或者更低;

(5)存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)：存儲(chǔ)介質(zhì)記錄的信息可以保持30年以上。

體全息存儲(chǔ)的研制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)TB量級(jí)的存儲(chǔ)容量和1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸率，美國(guó)的Inphase公司和日本的Optware公司已經(jīng)取得了令人矚目的成就，而且在商品化進(jìn)程中取得了很大的進(jìn)展 。同時(shí)，體全息存儲(chǔ)發(fā)展也存在著很多的難題 ， 主要就是尋找一種同時(shí)兼具性能、容量和價(jià)格方面綜合優(yōu)勢(shì)的存儲(chǔ)材料。

光子三維存儲(chǔ)

存儲(chǔ)材料中的激活中心，在光激發(fā)下使電子產(chǎn)生躍遷而達(dá)到光存儲(chǔ)的目的，稱(chēng)光子存儲(chǔ)( photo induced optical memory)。它是一種不經(jīng)過(guò)材料吸收光子后產(chǎn)生熱效應(yīng)階段而形成的光存儲(chǔ)，區(qū)別于目前一般應(yīng)用的光熱存儲(chǔ)方式。主要研究包括光譜燒孔存儲(chǔ)和雙光子吸收三維存儲(chǔ)。

1、光譜燒孔存儲(chǔ)

固體機(jī)制中的摻雜分子由于局域環(huán)境的差異出現(xiàn)能級(jí)的非均勻加寬。當(dāng)用窄頻帶激光照射后，在摻雜分子吸收帶內(nèi)，在激光頻率處出現(xiàn)吸收的減小，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光譜燒孔。該燒孔可以用相同頻率的激光讀出。由于可通過(guò)改變激光頻率在吸收帶內(nèi)燒出多個(gè)孔，即利用頻率維變量來(lái)記錄信息，從而可以在一個(gè)光斑存儲(chǔ)多個(gè)信息。

光譜燒孔包括單光子光譜燒孔和雙光子光譜燒孔。兩類(lèi)材料的光子選通燒孔均在低溫下進(jìn)行，由于目前材料的電子俘獲陷阱深度較淺，導(dǎo)致燒孔的孔深也較淺，而且在序列燒孔過(guò)程中，先燒出的孔容易出現(xiàn)逐漸被填充的現(xiàn)象，因而尋找室溫下能燒孔的材料是關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)外主要研究?jī)深?lèi)材料體系：Sm離子摻雜的無(wú)機(jī)材料體系以及給體和受體電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的有機(jī)材料體系。

2、雙光子吸收三維存儲(chǔ)

雙光子吸收三維記錄的基本原理是：兩種光子同時(shí)作用于某種介質(zhì)時(shí)，能使介質(zhì)的原子中某一特定能級(jí)上的電子激發(fā)至另一穩(wěn)態(tài)，并使其光學(xué)性能發(fā)生變化，若使兩個(gè)光束從兩個(gè)方向聚焦至材料的空間同一點(diǎn)時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)三維空間的尋址與讀寫(xiě)。利用材料折射率、吸收度、熒光或電性質(zhì)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)[10]，能實(shí)現(xiàn)T bits/cm3的體密度，可達(dá)到4MB/s的傳輸率。國(guó)際上最有代表性的是美國(guó)加州大學(xué)San Diego分校及Call&Recall公司100層的記錄方法。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)從1995年開(kāi)始從事這方面的研究，初步建立了針對(duì)有機(jī)介質(zhì)的記錄物理模型并完成了對(duì)雙光子記錄介質(zhì)特性測(cè)試專(zhuān)用設(shè)備的研制。

雙光子吸收三維存儲(chǔ)原理基于能級(jí)的躍遷，材料的響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到皮秒量級(jí)，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度體存儲(chǔ)，理論上的分辨率可達(dá)到分子尺度。但由于大多數(shù)材料的雙光子吸收截面很小限制了其應(yīng)用，因而要使雙光子三維存儲(chǔ)走向?qū)嵱没?就必須開(kāi)展對(duì)存儲(chǔ)材料的研究。

多階光存儲(chǔ)技術(shù)

多階光存儲(chǔ)是目前國(guó)內(nèi)外光存儲(chǔ)研究的重點(diǎn)之一，緣于它可以大大地提高存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)傳輸率。在傳統(tǒng)的光存儲(chǔ)系統(tǒng)中，二元數(shù)據(jù)序列存儲(chǔ)在記錄介質(zhì)中，記錄符只有兩種不同的物理狀態(tài)，例如只讀光盤(pán)中交替變化的坑岸形貌。如將數(shù)據(jù)流調(diào)制成M進(jìn)制數(shù)據(jù)(M>2)，令調(diào)制后的數(shù)據(jù)與記錄介質(zhì)的M種不同物理狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，即可實(shí)現(xiàn)M階存儲(chǔ)。如圖所示的坑深調(diào)制多階存儲(chǔ)，就是通過(guò)改變信息符的深度來(lái)實(shí)現(xiàn)多值存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)流經(jīng)調(diào)制轉(zhuǎn)換成盤(pán)基多種不同坑深的變化，即可實(shí)現(xiàn)多階坑深存儲(chǔ)。

多階光存儲(chǔ)分為信號(hào)多階光存儲(chǔ)和介質(zhì)多階光存儲(chǔ)。

其早期方案是坑深調(diào)制(PDM：Pit Depth Modulation)。在這種多階只讀光盤(pán)中，信息坑的寬度固定為t min，信息坑的深度具有M種不同的可能，代表著不同的階次。不同深度的信息坑，其讀出光呈現(xiàn)不同光強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)多階坑深調(diào)制。Sony公司研發(fā)的是利用信息坑邊沿相對(duì)于固定時(shí)鐘的變化，進(jìn)行多階信息存儲(chǔ)，即利用信息坑長(zhǎng)度的變化實(shí)現(xiàn)多階光存儲(chǔ)。信息坑的起始和結(jié)束邊沿相對(duì)于時(shí)鐘邊沿都可以按一定的步長(zhǎng)變化。若信息坑的起始和結(jié)束邊沿的可能位置數(shù)均為 8，那么一個(gè)信息坑的邊沿變化可能出現(xiàn)64種狀態(tài)，信息坑可存儲(chǔ)6比特(byte)的信息，因此顯著高于傳統(tǒng)光盤(pán)的記錄密度。

有多種介質(zhì)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)多階光存儲(chǔ)。在電子俘獲多階技術(shù)中的光盤(pán)的記錄層中摻雜有兩種稀土元素，當(dāng)?shù)谝环N摻雜離子吸收短波長(zhǎng)激光的光子后，其電子被激發(fā)到高能級(jí)狀態(tài)，該電子可能被第二種摻雜離子“俘獲”，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入。用另一長(zhǎng)波長(zhǎng)激光( 例如紅光) 將俘獲的電子釋放到原來(lái)的低能級(jí)狀態(tài)，存儲(chǔ) 的能量以熒光的形式釋放出來(lái)，由于發(fā)出的熒光強(qiáng)度與俘獲的電子數(shù)量成比例，同時(shí)也與寫(xiě)入激光的強(qiáng)度成比例，該寫(xiě)入/讀出過(guò)程具有線(xiàn)性響應(yīng)，使得電子俘獲材料適用于數(shù)字光存儲(chǔ)。電子俘獲光存儲(chǔ)的反應(yīng)速度快，可以實(shí)現(xiàn)ns時(shí)間的讀寫(xiě)。

近場(chǎng)光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)

傳統(tǒng)光驅(qū)使用包含物鏡的光學(xué)頭進(jìn)行寫(xiě)、讀、擦操作，由于物鏡距盤(pán)片記錄層多為幾個(gè)毫米，屬于遠(yuǎn)場(chǎng)光存儲(chǔ)方式，光無(wú)法聚焦成直徑小于半波長(zhǎng)的點(diǎn)，存儲(chǔ)密度受到了限制。近場(chǎng)光學(xué)存儲(chǔ)采用的是近場(chǎng)光，它是由記錄介質(zhì)與光源在小于半波長(zhǎng)量級(jí) 的距離時(shí)獲得的隱失光。隱失光為非傳輸光，當(dāng)距離超過(guò)波長(zhǎng)量級(jí)時(shí)迅速衰減到接近于零。近場(chǎng)光學(xué)存儲(chǔ)的基本原理就是通過(guò)亞波長(zhǎng)尺寸的光學(xué)頭和亞波長(zhǎng)尺寸的距離控制，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺寸的光點(diǎn)記錄。只要將光學(xué)存儲(chǔ)介質(zhì)放在近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡中，保持光學(xué)探針與存儲(chǔ)介質(zhì)的距離在近場(chǎng)范圍內(nèi)，則在存儲(chǔ)介質(zhì)中形成的記錄點(diǎn)尺寸就可能在亞波長(zhǎng)量級(jí)內(nèi)，從而克服衍射極限，實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)。

與其它超高密度存儲(chǔ)方法相比，近場(chǎng)光學(xué)存儲(chǔ)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)高密度、大容量：讀寫(xiě)光斑小，大大提高了存儲(chǔ)的密度，使得存儲(chǔ)容量有了很大提高。隨著近場(chǎng)光存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)一步完善，還可以獲得比較高的數(shù)據(jù)傳輸速率;

(2)可充分利用已有存儲(chǔ)技術(shù)：如硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器中的空氣懸浮磁頭技術(shù)和光 盤(pán)存儲(chǔ)中的光頭飛行技術(shù)，而不必另外再去進(jìn)行新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，因而有助于減低產(chǎn)品的價(jià)格，增加競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

光存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及展望

記錄密度高是光存儲(chǔ)技術(shù)最突出的特點(diǎn)，也是用作計(jì)算機(jī)外設(shè)最具吸引力的方面。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和制造工藝的改善，磁記錄技術(shù)也在不斷取得新的進(jìn)展。目前，與磁盤(pán)相比，光盤(pán)單機(jī)的存儲(chǔ)容量已無(wú)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而存取速度差距并無(wú)明顯縮小。因此，提高記錄密度，從而提高光存儲(chǔ)的容量，以及提高讀寫(xiě)速度是光存儲(chǔ)技術(shù)研究工作的主要方向。

超高密度光存儲(chǔ)技術(shù)代表著信息存儲(chǔ)的發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)的非常激烈。相對(duì)于國(guó)外的發(fā)展態(tài)勢(shì)，國(guó)內(nèi)仍然存在一定的差距。光存儲(chǔ)方向的研究，是為了滿(mǎn)足日益發(fā)展的信息技術(shù)的需要，所以，各種存儲(chǔ)技術(shù)都是以提高存儲(chǔ)容量、密度、可靠性和數(shù)據(jù)傳輸率作為主要發(fā)展目標(biāo)。