光存储技术的现状及发展趋势

光存储技术的现状及发展趋势

0 引言

信息资料迅速增长是当今社会的一大特点。有人统计，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。

1 传统磁存储理论及应用

人类很早就知道某些物质具有铁磁性。近代的研究结果揭示了铁、钴、镍及一些稀土元素存在的能够在外部磁场中磁化并保持磁化状态的磁性现象称为铁磁性，铁磁性名称的由来是因为铁是具有铁磁性物质中最典型也是最常见的铁磁性物质的组成原子一般都具有不满的电子层。某些组成部分的原子不是铁磁性的合金也具有铁磁性，称为赫斯勒合金。

铁磁性物质的宏观表现一般为没有磁性，或者其磁性非常弱。但是在一个足够强的外部磁场中，磁畴中的原子的磁矩会随着外部磁场矢量方向的变化而变化，在外部磁场消失后这些磁畴中原子的磁矩会继续保持为变化后的同一的指向。这个同一的指向在变化后的磁场与临时的外部磁场之间的关系由磁滞曲线来描述。虽然这个排列整齐的磁畴的总体能量并非总是最低的，但是它可以保持为非常稳定的状态。在自然界中，铁磁性的氧化铁粒子的磁化方向能够指向它形成时的地磁场方向并且保持百万年之久。这种磁化后的铁磁性物质能够保持永久磁化方向的特性被用来进行传统的磁存储应用[1]。

1898年荷兰的Valdemar Poulsen发明了世界上第一个磁记录设备：磁线录音机，从此，开始了传统的磁记录应用实践。在随后的一个多世纪里面，出现了多种不同种类的磁记录设备：磁带机，磁芯存储器，磁盘等等。虽然有大量不同的磁存储设备出现，但是磁记录的基础原理仍然是上述的铁磁性材料能够保持外磁场磁化方向的特性。传统的磁记录的写入原理是将随时间变化的电信号转换为在线性或者旋转的铁磁性材料中的磁化强度和方向的空间变化，传统的磁记录读出原理是将分布于磁性材料中的磁化方向和强度的空间变化，通过线性或者旋转运动，利用磁电转化元件，转换为随时间变化的电信号。

不久以前，磁记录的读入还在采用经典的利用在软磁材料和线圈组成的读磁头与磁化的存储介质相对移动获得感生电流来得到存储介质上磁化强度变化

的方式来进行。但是，随着记录密度的提高（目前的硬盘记录密度已经能够达到30Gb/cm2），能够获得的感生电流的强度和信噪比已经过小，造成读入设备的误码率已经不能达到要求。因此，新的读磁头采用了磁旋阀读出磁头或者磁致隧道效应磁头等应用量子势垒效应的读出方式。读出器件的原理是利用随磁场强度和方向的变化导致的读出器件的电阻变化来获得随时间变化的电流信号。利用巨磁阻效应和隧道效应的磁头是目前高容量硬盘的主要器件。目前的磁记录这依赖于记录介质以及读、写器件的不断发展而得到。目前容量最大的硬盘已经能做到1000~2000GB的容量，在可以预见的将来，更高数量级的存储能力也是能够实现的。

2 光存储技术的原理及特点

计算机和信息产业的发展使越来越多的信息内容以数字化的形式记录、传输和存储，对大容量信息存储技术的研究也随之不断升温。激光技术的不断成熟，尤其是半导体激光器的成熟应用，使得光存储从最初的微缩照相发展成为快捷、方便、容量巨大的存储技术，各种光ROM纷纷产生。与磁介质存储技术相比，光存储具有寿命长、非接触式读/写、信息位的价格低等优点。

2.1 光存储的基本原理

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[2]。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[3]。

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[4]。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

迄今为止，绝大部分商品化光盘存储系统中所用的记录介质的记录机理都是热致效应。利用从激光束吸收的能量，作为高度集中的、强大的热源，促使介质局部熔化或蒸发，通常称为烧蚀记录[5]。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。

2.2 光存储的主要特点

光盘存储的主要特点如下[6]：

（1）记录密度高、存储容量大。光盘存储系统用激光器作光源。由于激光