超高密度光存储技术的现状和今后的发展_金国藩

第2期(总　第13期)

2001年9月

中　国　计　量　学　院　学　报J OURNAL OF CHIN A INST ITU TE OF M ETROLOGY №.2(Sep.13)Ma r.2001　【文章编号】　1004-1540(2001)02-0006-07

【收稿日期】　2001-04-09

【作者简介】　金国藩(1929-),男,浙江绍兴人,教授,中国工程院院士、国家教育部科技委副主任,目前所从事的科学研究为计算全息,二元光学,光计算.超高密度光存储技术的现状和今后的发展

金国藩,张培琨

(清华大学精仪系光电工程研究所,北京　100084)

【摘　要】　文章综述了光存储领域的研究进展,主要包括体全息存储、近场光学存储和双光子双稳态存

储技术.在介绍各种存储技术发展现状的同时,分析了各自的优势和存在的问题.从整个光存储学科发

展的角度给出了未来的趋势.

【关键词】　光存储;体全息;近场光学;双光子

【中图分类号】　T N 29;O438 【文献标识码】　A

1　信息时代的光学存储

21世纪人类进入信息社会,知识经济成为推动社会进步,促进科技发展的强大动力,信息存储、传输与处理是提高社会整体发展水平最重要的保障条件之一.全球的信息量今后几年会以更快的速度增长.由于信息的多媒体化,人们需要处理的不仅是数据、文字、声音、图像,而且是活动图像和高清晰的图像等.一页A 4文件为2KB (千字节),而一张A 4彩色照片就占5M B (兆字节),放一分钟广播级的FMV 就要占40M B,可见信息量与日俱增.在信息技术的几个环节(获取、传输、存储、显示、处理)中,信息存储是关键.20世纪80年代到90年代,人们最关心的是信息处理,即如何提高计算机芯片的处理速率和效率,全球掀起的计算机主处理器竞争已使本世纪可达1GHz 的处理速度;随后通信网络的掀起及数据共享和通信使人们认识了网络时代的到来;面对21世纪,人们又在考虑如何有效地存储和管理越来越多的数据和如何应用这些数据,信息存储空间日益拥挤,信息数据的采集和数据管理体系的复杂性越来越高,以及网络的普及,导致21世纪信息技术的浪潮将在存储领域兴起.

光信息存储(简称光存储)作为继磁存储之后新兴起的重要信息存储技术(目前以光盘为代表的光学数字数据存储技术)已成为现代信息社会中不可缺少的信息载体.与磁存储技术相比,现有的光盘存储技术具有许多特点:(1)数据存储密度高、容量大、携带方便.目前普通的Á120mm 的光盘能存储650M B,是硬磁盘的几十倍,软盘的几百倍.(2)寿命长、功能多.在常温环境下数据保存寿命在100年以上,且可根据用途采用不同介质制成只读型、一次写入型或可擦除型等不同功能的光盘.(3)非接触式读/写和擦.(4)信息的载噪比高,光盘的载噪比可达50dB 以上.(5)生产成本低廉、数据复制工艺简单、效率高.

以CD 系列为代表的第一代光盘技术产品的存储容量仍为十年前的650M B;第二代DVD 系列的单面双层存储容量为8.5GB,盘容量为17GB [1]

;2000年日本Sony 公司采用兰光激光器实现单面存储容量达25GB 的高密度DVR 已见报道[2].尽管如此,作为计算机科学中的关键研究领域

的高密度数据存储,为了满足预计到2005年新型网络系统和第三代多媒体出现时计算机外部存储容量至少应为100GB ,数据传输率至少为50M B /s 的需求,则必须运用新原理,启用新材料才有可能研究出新一代超高密度、超快速存储系统

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图1　时代对信息存储量的要求

图2　光存储的未来发展趋势

实际上,各发达国家都已投入了大量人力财力开展超高密度、超快速数据存储方面的研究.尽管人们在开展各式各样的高密度存储研究,但一致看好短期有实用前景的存储方法主要集中在三维体全息、近场光学存储、双光子效应存储等方面.美国Jet Pro pulsion 实验室、Rockw ell 科学中心、Stanford 大学、亚利桑那大学光学中心、Carnegie Mello n 大学数据存储系统中心、IBM 、AT &T 、NIST ,日本松下、NT T 、SONY 、SEIKO 等研究机构都在开展三维体全息、近场光学存储、双光子效应存储等方面的研究.我国也将这方面的研究列入了国家重点基础研究发展规划(973)项目中,以便跟上国际高新技术发展的步伐并获得自主的知识产权

.

图3　由于激光波长的减小和物镜数值孔

径的增大,DV D 盘面的坑点尺寸可

以减小而提高了DV D

的存储密度图4　体全息存储原理图

2　光学体全息存储的发展现状

光学体全息存储是超高密度存储最重要的研究领域之一.早在1963年美国科学家Pieter J.van Heerden 就曾提出利用全息术进行数据存储的概念[3]

,起初由于缺少合适的记录材料以及当时的光学及光电子元器件技术还不成熟,因而在随后很长一段时间内,体全息存储的研究工作进展很小.目前,随着计算机科学和现代信息处理技术的不断发展,一方面,对于具有大容量、高传输率、可快速存取的数据存储系统提出了日益迫切的要求,另一方面,随着新型优良全息记录材料(如光折7　第2期金国藩,等:超高密度光存储技术的现状和今后的发展

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变晶体和光聚合物)的研制出现以及相关元器件,如高密度空间光调制器(SLM)和CCD光电探测阵列制造技术的不断进步,可满足各种实际应用要求的体全息数据存储系统正逐步成为可能,人们对体全息存储的兴趣又重新高涨起来.一般的光学体全息数据存储基理可简单描述为:待存储的数据(数字或模拟)经空间光调制器(SLM)被调制到信号光上,形成一二维信息页,然后与参考光在记录介质中干涉形成体全息图并被介质记录,利用体全息图的布拉格选择性,改变参考光的入射角度或波长以实现多重存储.

1991年加州理工学院(CIT)的F.H.M ok等人[4]在1立方厘米掺铁铌酸锂晶体中存储并高保真地再现了500幅高分辨率军用车辆全息图成为再度掀起体全息存储技术研究热潮的标志.1994年斯坦福大学Hesselink领导的研究小组把数字化的压缩图像和视频数据存储在全息存储器中,图像质量无显着下降[5].1995年由美国政府和工业部门主持,投资约7000万美元,实施了光折变信息存储材料(PRISM)项目和全息数据存储系统(HDSS)项目,预期在5年内开发出具有容量为1万亿位数据、存取速率为每秒1000MB的一次写入或可重复写入的全息数据存取系统.1997年CIT的Allen Pu和D.Psaltis使用球面参考光通过移位复用在1mm厚的掺铁铌酸锂晶体上获得面密度为100bits/L m2的体全息存储[6];1998年Bell实验室的K.Curtis等利用相关复用技术(Cor relation M utiplex ing)在掺铁铌酸锂中的存储面密度超过了350bits/L m2[7].1999年D.Psaltis 等人又在铌酸锂晶体中记录了160,000幅全息图;H.J.Eichler(Berlin Technical U niversity,Ger-many)提出采用微全息盘式存储方案,使用1微米光腰的激光采用10个波长复用以及16个角度复用可以在CD大小的盘上两层共存储100Gby te的容量[8].以上研究结果表明体全息存储面密度至少能达到几百bits/L m2,而现有的二层四面的DVD总的面密度也仅近似为20bits/L m2.显然,体全息存储可使存储容量较目前光盘呈数量级地提高.在克服光折变晶体固有的读写时已有存储信息被部分擦除的缺点方面,研究焦点集中在光致聚合物全息存储和双光子无挥发双掺光折变晶体的全息存储上.2000年A.Adibi和D.Psaltis等用紫外和红光在双掺锰和铁的铌酸锂晶体上实现了无挥发全息存储[9].

我国在光折变非线性光学材料与效应的基础研究中也已取得许多成果,非线性光学晶体生长技术在国际上取得较高的地位.1998年以来清华大学相继完成单一公共体积中存储1000幅[10],动态散斑全息存储[11]及系统小型化的研究;、北京工业大学实现了盘式单轨2000幅和盘式多轨10000幅全息图像存储的验证性实验[12].

光学体全息数据存储具有如下几个显着特征:

(1)数据冗余度高:信息是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性.在传统的磁盘或光盘存储中,每一数据比特占据一定的空间位置,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,而不致引起数据丢失.

(2)数据并行传输:信息以页为单位,并行读写,因而可具有极高的数据传输率,其极限值将主要由I/O器件(SLM及CCD)来决定.目前多信道CCD探测阵列的运行速度已可达128M Hz,采用巨并行探测阵列的全息存储系统的数据传输率将有望达1Gbyte/s[13].

(3)存储密度高:利用体全息图的布拉格选择性或其它选择特性,可在同一存储体积内多重存储很多全息图,因而系统的有效存储密度很高.存储密度的理论极限值为1/K3,其中(为光波波长,在可见光谱区中,该值约为1012bits/cm3.现已发展了多种复用存储技术,例如,1991年C.Denz等采用相位编码复用技术[14]、1992年A.Yariv等采用波长复用技术[15]、1993年F.H.Mo k采用角度复用技术[16]、D.Psaltis等1995年采用移位复用技术[17]、1996年C.C.Sun等采用随机相位编码复用技术[18]以及随后其它不同的混合复用技术分别实现了多重全息存储.