激光存储技术..

光盘存储器的光学系统大致可分为单光束光学系统和双光束光 学系统两类。单光束光学系统适合于只读光盘和一次写入光盘， 具备信息的写／读功能，而双光束光学系统用于可擦重写光盘。
激光光盘存储技术具有低成本、可大量模压复 制等优势，这是其他光存储技术难于替代的。 但目前光盘的直接重写性能仍然不及磁盘，所 以光盘存储技术在提高其存储密度优势的同时， 正在继续提高其数据存储、传输速率。随着短 波长激光技术和其它光学存储技术的成熟以及 新存储介质材料的发现，激光光盘存储技术还 将有更大的发展。
二.激光光盘存储
• 1.基本原理 光盘存储包括信息“写入”和“读出”两个过程。在 信息的“写入”过程中，首先用待存储信息调制写入激光 的强度，并使激光聚焦在记录介质中，形成极微小的光照 微区，其光照区发生相应的物理、化学变化（反射率、折 射率、偏振特性或其它特性），这样记录介质上有无物理、 化学性质的变化就代表了信息的有无，从而完成信息的 “写入”。在信息的“读取”过程中，用低强度的稳定激 光束扫描信息轨道，随着光盘的高速旋转，介质表面的反 射光强度（或光的其他性质）随存储信息区域的物理、化 学性质变化而发生变化。用光电探测器检测反射光信号并 加以解调，便可取出所存储的信息
• 光存储技术的特点
1．数据存储密度高、容量大。理论估计光储存的面密度为1/λ2（其中λ 是用于光存储的波长）的数量级，存储的体密度可达1/λ3 2.寿命长。磁存储的信息一般只能保留2－3年。而光存储只要其介质稳 定，寿命一般在10年以上。 3.非接触式读/写和擦。用光读/写不会磨损和划伤存储介质，这不仅延长 了存储寿命，而且使存储介质易于更换、移动，从而更易实现海量存 储。 4.信息位价格低。由于光存储密度高，其信息位价格可比磁记录的低几十 倍 5.光存储还有并行程度高，抗电磁干扰性能
3.激光光盘存储器
激光光盘存储器由光存储盘片及其驱动器组成。驱动器提供高质量读 出光束、引导精密光学头、读出信息、给出检测光盘聚焦误差信号并 实现光束高精度伺服跟踪等功能。
光盘存储器的光学系统一般都采以半导体激光器 作为光源，采用一束激光、一套光路进行信息的 写／读(如只读存储器及一次写入存储器)；或用两 个独立的光源、配置两套光路，一套用来读／写， 另一套用来擦除(如可擦重写存储器)。直接重写式 相变光盘存储器，只需一束激光、一套光路完成 全部读、写、擦功能，可与一次写入存储器兼容。
一.激光存储的基本原理、分类及特点
原理： 利用材料的某种性质对光敏感。带有信息的光照射材料时，该
性质发生改变，且能够在材料中记录这种改变，这就实现了光 信息的存储。用激光对存储材料读取信息时，读出光的性质随 存储材料性质的改变而发生相应的变化，从而实现已存储光信 息的读取。
分类：
1.按数据存取方式可分为光打点式存储和页面并行存储 2.按存储介质的厚度可分为二维存储和三维存储 3.按鉴别存储数据的方式可分为位置选择存储和频率选择存储
0.6μ m
分束器
物镜 准直镜 激光器
光盘
探测器
由凹坑和凸区组成的螺旋形 光道
基本的激光光盘系统图
激光光盘记录斑示意图
2.激光光盘的类型
• 计算机控制的数字光盘存储技术，按读写功能划分主要有 如下四种： (1)只读存储(Read only memory)光盘 只读式存储光盘的记录介质主要是光刻胶，记录方式是先 将信息刻录在介质上制成母盘，然后进行模压复制大量子 盘。这种光盘只能用来播放已经记录在盘片上的信息，用 户不能自行写入。 (2)一次写入光盘WORM (Write Once Read Memory，或称为 DRAW，Direct Read After Write) 一次写人光盘利用聚焦激光在介质的光照微区产生不可逆 的物理或化学变化写入信息。其写入过程主要是利用激光 的热效应，记录方式有烧蚀型、起泡型、熔融型、合金型、 相变型等很多种。这类光盘具有写、读两种功能，用户可 以自行一次写入，写完即可读，但信息一经写入便不可擦 除，也不能反复使用。这种光盘可用于文档和图像的存储。
盘
OEIC
参考光束
BaTiO3
参考光
液晶光束偏转器
堆叠的全息图
共轭参考光束
图9-31 紧凑型集成化的角度复用全息存储模块 图9-32 分块式全息存储盘的示意图
四.激光存储技术的新进展
• 电子俘获存储技术
一种适用于未来大容量计算系统的理想存储器必 须同时具有高存储密度、高存取速率和长寿命三 个特点。电子俘获存储方式可具有这些特点，它 是通过低能量激光去俘获光盘特定斑点处的电子 来实现存储的，它是一种高度局域化的光电子过 程。理论上讲它的写、读、擦不受介质物理性能 退化的影响。最新开发的电子俘获材料的写、读、 擦次数已达108次以上，且写、读、擦的速率快 至纳秒量级。因此，借助于电子俘获材料的固有 特性，可以使激光存储密度远远高于其他类型的 光存储介质。
• 光学双光子双稳态三维数字存储
基于高速响应、锁模脉冲激光器的双光子吸收产生了光学 双光子双稳态三维数字记录方法，其基本原理是根据两种 光子同时作用于原子时，能使介质的原子中某一特定能级 上的电子激发至另一稳态，并使其光学性能发生变化，所 以若使两个光束从两个方向聚焦至材料的同一空间点时， 便可实现三维空间的寻址写入。利用材料折射率、吸收度、 荧光或电性质的改变来实现信息存储。这种存储技术的光 信号是由荧光读出，在未写入点无荧光（零背景），所以 读出灵敏度很高。由于光信号的写入与读取属于原子对光 量子的吸收过程，反应速度为皮秒级。最小记录单元的尺 寸在理论上可达到原子级。这种方法能实现Tb/cm3的体 密度、 40Mb/s的传输速率。
双光子存储技术的特点：
• 在双光束记录结构中，对各光束的峰值功率要求不太高 • 在单光束记录结构中，对光束的峰值功率要求很高，必须 采用飞秒级锁模脉冲激光器 • 存储体的形状可采用立方体或多层盘片结构，以提高存储 容量 • 记录信息的读取，普遍采用“共焦显微”系统以及CCD摄 像头 • 对于光色变材料的记录信息可采用双光子读出或者单光 子读出方案 • 在光色变存储方案中，掺杂AF240（2%）光色变分子 （有机聚合物）的存储密度可达到100Gbits/cm3以上
• (2)超大容量全息存储器 • 人们利用体全息材料进一步研究超大容量的全息存储技术， 目前已经发展了几种盘式全息存储的方案，如三维盘式全 息存储方案就是实现超大容量存储的一种途径。 • 出基于全息存储技术的分块盘式全息存储示意图，图中沿 盘面上的同心圆轨道上划分为互不重叠的空间位置(全息 块)，每个位置上复用存储大量全息图。可用傅里叶全息 图也可以用像面全息图的形式记录物信息，参考光采用平 面波。复用方式可以是角度复用、波长复用或相位复用。 研究发现：角度复用和波长复用可以存储的全息图总数大 致相同，但波长复用有着更高的面密度。全息盘潜在的高 数据传输率不是依靠盘面转速的提高，而是通过整页并行 读出实现的，这也将相应地缓解系统对高速机械运动的要 求
体全息存储的原理
• 根据光波干涉原理，当信号光和参考光都是平面波时，在 一定厚度的记录介质内部会形成等间距的、具有平面族结 构的体光栅，从而实现对光信号的存储
• 光信号存储时，待存储的信号光O和参考光R分别以角度 θ1和θ2入射到介质内，形成的条纹面与两束光的夹角θ满 足关系式θ＝(θ1－θ2)/2，该等间距的平面族结构被记录 并形成体光栅（其光栅常数Λ满足布拉格条件：2Λsinθ=λ， 其中λ为光波在介质内传播的波长），从而实现某波长光 信号在某角度下的存储。 • 体全息图对再现光的衍射作用与布拉格晶体对X射线的衍 射现象相似，也满足布拉格条件：2Λsinα=λ，式中α称为 布拉格角。图b是其再现示意图。只有满足布拉格条件的 再现光才能得到最强的衍射光，任何对布拉格角和光波长 的偏离都会使衍射光急剧衰减，即布拉格条件表现出很强 的选择性。当某一波长的光以某一角度入射到存储介质的 某一区域 （该区存有数据信息）时，如果出现较强的、 满足布拉格条件的衍射光，则表示该区域在该波长和角度 下的存储信息为“1”，反之则为“0”。由此可见，体全息 可采用波长复用和角度复用来实现超高密度存储。
三.体全息光存储
特点
1.高冗余度。信息以全息图的形式存储在一定的扩展体积
内，因而具有高度的冗余度。在传统的磁盘或光盘存储中， 每一数据比特占据很小的空间位置，当存储密度增大，存 储介质的缺陷尺寸与数据单元大小相当时，必将引起对应 数据失真或丢失，而对全息存储来说，缺陷只会使得所有 的信号强度降低，而不致于引起数据丢失。 2.存储容量大。利用体全息图可在同一存储体积内存储多 个全息图，有效存储密度很高，该值在可见光谱区中约为 1012bits/cm3。存储密度的理论极限值为1/λ3（其中λ为 光波波长）。
• 光盘是在衬盘上淀积了记录介质及其保护 膜的盘片，在记录介质表面沿螺旋形轨道， 以信息斑的形式写入大量的信息，其记录 轨道的密度达1000道／mm左右。可见信息 斑越小，光盘的存储密度越大。由于物镜 衍射极限影响焦点处光汇聚的最小直径 （约为λ/（2NA），其中NA为物镜的数值 孔径），因此光盘的存储密度为(NA/λ)2。
3.数据并行传输。信息以页为单位并行读取，因而具有极
高的数据传输率，其极限值主要由I/O（输入/输出）器件 来决定。目前多信道CCD探测阵列的运行速度已达到 128MHz/s，采用并行探测阵列的全息存储系统的数据传 输率将有望达8Gbits/s。 4.寻址速度快。参考光可采用声光、电光等非机械式寻址 方式，因而系统的寻址速度很快，数据访问时间可降至亚 毫秒范围或更低。 5.关联寻址功能。块状角度复用体全息存储用角度多重法 存储多个全息图，读出时若用物光中的某幅图像光波（或 其部分）照射其公共体积，则会读出一系列不同方向的 “参考光”，其强度大小代表对应存储图像与输入图像之 间的相似程度，利用此关联特性，可以实现关联寻e，或Erasable—DRAW即EDAW) 这类光盘顾名思义可多次写入、读取信息，但写入前需先将已有的信 息擦去，然后再写入新的信息，即写、擦信息是分开的两个过程。写 入时先用擦激光将某一信道上的信息擦除，然后再用写激光将新信息 写入。可见这种先擦后写的两步过程限制了数据的存储速率，因而尚 未应用到计算机系统的随机存取存储器(Random Access Memory．RAM)，但它在海量脱机存储和图像数字存储方面应用广泛。 目前它的记录介质主要是磁光型(热磁反转型)存储材料。 (4)直接重写光盘(overwrite) 可擦重写光盘需要擦、写两次动作完成信息的更换，这使光盘数据传 输速率受到限制。直接重写光盘用一束激光，一次动作在完成写入新 信息的同时自动擦除原有信息，这种光盘利用某些材料在激光作用下 可实现晶态与非晶态间相互转化的特性，使记录介质在写入激光束的 粒子作用下快速晶化，从而实现信息的存储。这种光致晶化的可逆相 变过程非常快，当擦除激光脉宽与写入激光脉宽相当时(20～50ns)， 相变光盘可直接进行重写，从而大大缩短了数据的存取时间。