光电存储技术

论光存储技术
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2013.10.8
目录
摘要---------------------------------------------------------------------- 关键词---------------------------------------------------------------------- 引言----------------------------------------------------------------------
一、光存储技术的原理及特点---------------------------------------
二、光存储技术的分类-----------------------------------------------
三、光存储技术的发展及前景----------------------------------------- 参考文献
论光存储技术
辽宁科技大学应用物理系 2010级
指导老师：王颖
摘要伴随信息资源的数字化和信息量的迅猛增长，对存储器的存储密度、存取速率及存储寿命的要求不断提高。

在这种情况下，光存储技术应运而生。

光存储技术具有存储密度高、存储寿命长、非接触式读写和檫出、信息的信噪比高、信息位的价格低等优点。

关键词存储；信息；容量；介质
引言信息资料迅速增长是当今社会的一大特点。

据统计，科技文献数量大约每7年增加1倍，而一般的情报资料则以每2年~3年翻一番的速度增加。

大量资料的存储、分析、检索和传播，迫切需要高密度、大容量的存储介质和管理系统。

磁存储和光存储作为当今数据存储的两种常用方式，具有各自的特点。

磁存储应用较早，适合与计算机联用，信息存取方便、可靠，技术相对成熟，得到了广泛的应用；光存储的发展及应用则是随着激光技术的发明，步入了高密度光学数据存储的新阶段，指明了未来数据存储的新方向。

一、光存储技术的原理及特点
1.光存储的概念及其基本原理
光存储技术是用激光照射介质，通过激光与介质的相互作用使介质发生物理、化学变化，将信息存储下来的技术。

其基本物理原理是：存储介质受到激光照射后，介质的某种性质（如反射率、反射光极化方向等）发生改变，介质性质的不同状态映射为不同的存储数据，存储数据的读出则通过识别存储单元性质的变化来实现。

作为光储存方式，已有近百年的发展历史。

常见的照相术就是最早的光存储
技术。

无论是胶片感光灵敏度、分辨率、色彩，还是照相仪器，都取得了长足的进步，不仅能拍摄静止景物，还能通过电影、电视将活动图像记录和再现。

然而，包括全息照相在内的照相术，都属于模拟光存储范畴，它在存储容量、存储密度及传输速率等方面都受到一定限制。

随着信息社会的发展，特别是激光的出现和计算机的日益普及，数字光储技术开始兴起，数字光盘的诞生成为存储技术的一项重大突破。

下图1示出数字光盘存储的基本原理。

图1 数字光盘存储基本原理
在实际操作中，一般用电脑来处理信息，因为电脑只能识别二进制数据，所以要在存储介质上面储存数据、音频和视频等信息，首先要将信息转化为二进制数据。

现在常见的CD光盘、DVD光盘等光存储介质，与软盘、硬盘相同，都是以二进制数据的形式来存储信息的。

写入信息时，将主机送来的数据经编码后送入光调制器，使激光源输出强度不同的光束，调制后的激光束通过光路系统，经物镜聚焦然后照射到介质上，存储介质经激光照射后被烧蚀出小凹坑，所以在存储介质上，存在被烧蚀和未烧蚀两种不同的状态，这两种状态对应着两种不同的二进制的数据。

聚焦光束人射到光盘上，如果光盘上已经存在记录信息，反射光的特征，例如，光强、光的相位或者光的偏振状态将发生某种变化，通过电子系统处理可以再现原始记录的数据信息，这就是光盘的基本读出过程。

具体来说，就是读取信息时，激光扫描介质，在凹坑处由于反射光与入射光相互抵消入射光不返回，而在未烧蚀的无凹坑处，入射光大部分返回。

这样，根据光束反射能力的不同，就可以把存储介质上的二进制信息读出，然后再将这些二进制代码转换成为原来的信息。

另外，可擦写光盘的存储介质为使光照点的结晶态发生变化，即相变型介质。

而磁光存储材料的光盘的存储介质则是产生磁化方向的改变，从而记录或删除信
息。

2.光存储的主要特点
光盘存储的主要特点如下：
（1）记录密度高、存储容量大。

（2）光盘采用非接触式读写，光学读写头与记录盘片间通常有大约2mm的距离。

这种结构带来了一系列优点：首先，由于无接触，没有磨损，所以可靠性高、寿命长，记录的信息不会因为反复读取而产生信息哀减；然后，记录介质上附有透明保护层，因而光盘表面上的灰尘和划痕，均对记录信息影响很小，这不仅提高了光盘的可靠性，同时使光盘保存的条件要求大大降低；其次，焦距的改变可以改变记录层的相对位置，这使得光存储实现多层记录成为可能；最后，光盘片可以方便自由的更换，并仍能保持极高的存储密度。

这既给用户带来使用方便，也等于无限制的扩大了系统的存储容量。

（3）激光是一种高强度光源，聚焦激光光斑具有很高的功率，因而光学记录能达到相当高的速度；
（4）易于和计算机联机使用，这就显著地扩大了光存储设备的应用领域；
（5）光盘信息可以方便地复制，这个特点使光盘记录的信息寿命实际上为无限长。

同时，简单的压制工艺，使得光存储的位信息价格低廉，为光盘产品的大量推广应用创造了必要的条件。

二、光存储技术的分类
2.1 三维体存储技术
三维体存储是实现超高密度信息存储的重要途径，研究领域主要集中在体全息存储和光子三维存储两个方面。

2.1.1体全息存储
体全息数据存储机理为：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，形成一个二维信息页，然后与参考光在记录介质中干涉形成体全息图从而完成信息的记录读出时使用和原来相同的参考光寻址，可以读出相应地存储在晶体中的全息图。

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，就可在一个单位体积内复用多幅图像，实现多重存储，达到超高密度存储的目的。

全息存储具有以下特点：
（1）存储密度高、容量大：在可见光谱中存储密度可达1012bits/cm3；
（2）数据冗余度高：全息记录是分布式的，存储介质的缺陷和损伤只会使所有信号的强度降低，而不致于引起数据丢失；
（3）数据传输速率高：信息以页为单位，并行读写，从而达到极高的数据传输率。

目前采用多通道并行探测阵列的全息存储系统，数据传输率有望达到1Gbyte/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，数据访问时间可降至亚毫秒范围或者更低；
（5）存储寿命长：存储介质记录的信息可以保持30年以上。

2.1.2 光子三维存储
存储材料中的激活中心，在光激发下使电子产生跃迁而达到光存储的目的，称光子存储。

它是一种不经过材料吸收光子后产生热效应阶段而形成的光存储，区别于目前一般应用的光热存储方式。

主要研究包括光谱烧孔存储和双光子吸收三维存储。

1.光谱烧孔存储
固体机制中的掺杂分子由于局域环境的差异出现能级的非均匀加宽。

当用窄频带激光照射后，在掺杂分子吸收带内，在激光频率处出现吸收的减小，这种现象称为光谱烧孔。

该烧孔可以用相同频率的激光读出。

由于可通过改变激光频率在吸收带内烧出多个孔，即利用频率维变量来记录信息，从而可以在一个光斑存储多个信息。

2.双光子吸收三维存储
双光子吸收三维记录的基本原理是：两种光子同时作用于某种介质时，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，若使两个光束从两个方向聚焦至材料的空间同一点时，便可实现三维空间的寻址与读写。

利用材料折射率、吸收度、荧光或电性质的改变来实现存储，能实现T bits/cm3的体密度，可达到4MB/s的传输率。

双光子吸收三维存储原理基于能级的跃迁，材料的响应时间可达到皮秒量级，能够实现高密度体存储，理论上的分辨率可达到分子尺度。

但由于大多数材料的双光子吸收截面很小限制了其应用，因而要使双光子三维存储走向实用化，就必须开展对存储材料的研究。

2.2 介质多阶光存储
有多种介质可以用来实现多阶光存储。

在电子俘获多阶技术中的光盘的记录层中掺杂有两种稀土元素，当第一种掺杂离子吸收短波长激光的光子后，其电子被激发到高能级状态，该电子可能被第二种掺杂离子“俘获”，实现数据的写入。

用另一长波长激光( 例如红光) 将俘获的电子释放到原来的低能级状态，存储
的能量以荧光的形式释放出来，由于发出的荧光强度与俘获的电子数量成比例，同时也与写入激光的强度成比例，该写入/读出过程具有线性响应，使得电子俘获材料适用于数字光存储。

电子俘获光存储的反应速度快，可以实现ns时间的读写。

2.3 近场光学存储技术
近场光学存储采用的是近场光，它是由记录介质与光源在小于半波长量级的距离时获得的隐失光。

隐失光为非传输光，当距离超过波长量级时迅速衰减到接近于零。

近场光学存储的基本原理就是通过亚波长尺寸的光学头和亚波长尺寸的距离控制，实现亚波长尺寸的光点记录。

只要将光学存储介质放在近场光学显微镜中，保持光学探针与存储介质的距离在近场范围内，则在存储介质中形成的记录点尺寸就可能在亚波长量级内，从而克服衍射极限，实现高密度存储。

与其它超高密度存储方法相比，近场光学存储主要有以下优点：
（1）高密度、大容量：读写光斑小，大大提高了存储的密度，使得存储容量有了很大提高。

随着近场光存储技术的进一步完善，还可以获得比较高的数据传输速率；
（2）可充分利用已有存储技术，如硬盘驱动器中的空气悬浮磁头技术和光盘存储中的光头飞行技术，而不必另外再去进行新的系统设计与开发，因而有助于减低产品的价格，增加竞争优势。

三、光存储技术的发展及前景
记录密度高是光存储技术最突出的特点，也是用作计算机外设最具吸引力的方面。

但是随着科学技术的发展和制造工艺的改善，磁记录技术也在不断取得新的进展。

目前，与磁盘相比，光盘单机的存储容量已无绝对优势，而存取速度差距并无明显缩小。

因此，提高记录密度，从而提高光存储的容量，以及提高读写速度是光存储技术研究工作的主要方向。

而全息体存储、蓝光存储以及基于超分辨率近场结构存储是主要的研究方向。

其中，蓝光技术作为第三代光存储技术，即将成为数字视频传播等领域的主流技术。

从长远来看，只有将蓝光技术进行扩展，即与多阶、超分辨近场结构、多波长等技术相结合才能进一步扩大存储容量，适应未来发展的需要。

光存储的发展趋势是：从二维光存储到多维光存储，从光热存储到光子存储，从远场光学存储到近场光学存储。

具体发展方向主要着重于以下几个方面：
（1）进一步缩小记录单元是发展高密度光存储的有效途径，最具代表性的就是超分辨率近场结构存储。

（2）采用数字式记录作为最基本和最有效的记录方式；
（3）采用并行读写逐步代替串行读写，从而提高数据的读取传输率。

体全息存储的一个固有特性就是具有并行读写功能，这是体全息存储被普遍重视的原因之一；
（4）改善寻址方法，发展无机械寻址功能，提高随机寻址速度；
（5）加强超高密度光存储记录材料的基础研究仍是解决超高密度存储和超快速响应等问题的关键，主要方向是开发适于光致模式的超高密度近场光存储的有机介质。

总之，光存储技术在迅速发展，容量不断增大，速度不断提高。

据有人估计，光盘的容量每8年提高10倍。

但是光盘性能的提高远远赶不上信息科学的发展和实际需要。

为此在现有技术基础上，如前所述，采用并行读写技术、阵列式结构以及光盘库等建造具有超大容量、超高速度的存储和记录应用系统是现实可行的途径。

参考文献
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