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标题: 三维光存储的研究及发展 [打印本页]

作者: 屋檐上的狗 时间: 2010-7-13 02:08
标题: 三维光存储的研究及发展
摘要: 由于光在空间中不相互干扰且相互不屏蔽，使得三维光存储成为可能。本文就三维光存储的理论基础和发展状况进行研究。就其中两种技术，即基于双光子吸收的分层读取技术和全息存储技术，进行了详细的分析及讨论。

关键字：三维存储，光子吸收，全息存储，数字光存储

Abstract: Due to the fact that light does not interfere with and shield each other, it makes 3-dimension storage possible. In this paper, the principle and development of 3-dimension is researched. Two main technology, multi-layers based photon-absorption and holographic memory, is analyzed and discussed.

Key words: 3-dimension storage, photon-absorption, holographic memory, digital optical memory

1概述

随着计算机技术，特别是多媒体技术的发展，需要处理和存储的数据量大幅度增加。例如，一部通常长度的电影没有压缩的数据量将超过10TB。大型探测器，如哈勃望远镜所传回的数据量达到每天10TB；医学及大地遥感图数据量巨大。显然现在基于二维方式的光存储器已难于满足这种日益增长的要求了。现行的CD、磁光和相变的光盘的容量在650MB左右，即使新兴的DVD光盘，单面单层的DVD-5的容量也只达到4.7GB，因此发展三维存储十分必要。

传统的光存储是存储在光盘或全息膜等二维存储介质上，而三维存储则是像一摞二维光存储介质，故存储容量很大，从原理上讲，三维存储有着巨大的理论存储能量。在理论上说，在三维存储中，一个记录点可存储于λ3的体积内，也就是说，对于一个体积为V的存储体来说，如使用的存储波长为λ，则其存储量可达到V/λ3。例如，如选用波长为CD中使用的780nm时，一个1cm3的存储体可存储2×1012位，即2.5×1011字节。相当于300张CD-ROM盘的存储量。可见，三维存储可在不改变激光波长的情况下，极大的提高存储密度。而且，由于从理论上说，其密度与波长的三次方成反比，因此缩短波长在三维存储中会获得较之二维更大的收益。

2三维存储容量

在光存储中，光束通过透镜聚焦在记录介质上。但由于衍射的影响，聚焦点光斑的直径为，其中λ是波长，NA是数值孔径。由于数值孔径一般在0.3到0.7之间。故实际光斑直径约为λ。在二维光存储，其记录单位大小极限为λ2。在逐点记录三维存储中，考虑到三维上的衍射影响，每个记录斑点的大小极限为λ3。

此外在三维存储中，我们也可以记录图像的傅立叶（Fourier）变换的全息图作为记录。在读取时，只要使用与记录时相同的参考光照射，便可获得原始的图象。图象是通过傅立叶变换透镜实现。在一个平面上，其最小记录斑点是λ×λ。在立体全息存储中，存储量扩大了（d/λ）倍。存储密度仍为V/λ3。

所以在三维存储中，不管是逐点记录方式还是全息记录方式，其记录密度为1/λ3。

3 基于光子吸收的多层存储

具有双光子吸收的光致变材料的发现，为逐点三维存储提供了实现的可能。以光致变色为基础的数字存储技术，利用光子作用下发生的化学变化实现信息存储，是一种光子吸收的存储技术，它的反应时间极短（皮秒或飞秒），能够实现高速存储；此外，由于这种反应建立在分子尺度上，因此理论上可将单个信息符尺度缩小到分子量级，从而有利于大幅度提高介质的存储密度，实现高密度存储。由于其反应时间短和分子量级上的尺度突破了传统热效应存储在时间和空间上的极限。

图1光学双稳态记录原理图

许多光致变色材料，如螺吡喃、螺恶嗪、俘精酸酐以及二芳基环烯分子等，具有相对稳定的光学双稳态效应，每一种状态对一特定波长的光线有明显的吸收，如图1所示。同时，在一定条件下以该状态吸收波长的激光照射，可使之激发至另一稳定状态，而且该过程是可逆的。光学双稳态记录即是根据这一光化学现象，以这两种稳定状态来表示数字“0”和“1”，从而实现数字式数据存储。读出时，用两种波长之一的激光以较小功率照射，通过检测反射率变化或荧光效应即可辨别读出点处的记录介质处于何种稳定状态，从而读出记录信息。

实现这种三维存储的必要条件是双光子光致变色反应：

λ1和λ2既可以是等能量的光子，也可以是不等能量的两个光子。任何一个光子都可以穿透介质而不被吸收，只有当两个光子聚焦于一点，能量叠加才会导致光致变色反应发生，从而实现光信息记录。同时为了能有效的读出相应的信息，材料还需具有荧光特性，它需要三种不同波长的激光。写入与上述类似，也是使用短波长激光（如355nm+590nm）使介质发生光化学反应，分子从状态“0”变成状态“1”。读出时使用较长波长（如590nm）的激光，处于状态“1”的分子在该波长激光照射下会发出荧光，而处于状态“0”的分子则不会，因此通过检测读出光照射下介质的荧光效应就可以区分所写入的信号。对于发荧光材料而言，只要提高分子的荧光量子产率，就可以避免分子在读出光照射下发生状态变化，因此这是一种无损读出过程。擦除时由于需要更高的能量，因此需要用两束光同时照射（比如1064nm+590nm）。

图2 空间三维数字记录示意图在目前的各种光子吸收的三维存储中，重要基于如下模式。如图3，一个平面光用于选择工作面，而另一激光束则照射在已选择的面上实现读写。两束光通过不同的光路和控制系统。当要读写某一位置的时，先移动平面光到相应的平面，再由另一束激光垂直于此平面照射。在两束光的交点处完成读写。基于这种模式，实现了三维存储提高了密度，并且由于一次实现一个图象的存储可以大大提高存储的速度。但目前，这种读写模式仍存在着一些问题。如光需从两个方向同时照射，限制了存储体的体积，现在，这种方式下存储体体积都在1cm3以内。这样由于存储体体积的限制，存储量无法进一步提高。最后是读写设备的问题，由于需要在两维上定位，读写设备必须安置于XYZ三维工作台上，这样设备体积庞大且昂贵难以实用。

1. 柱面镜 2.平面光 3.入射像镜 4.入射光

5.读出像镜 6读出光 7双光子吸收存储材料

图3垂直两光束三维读写方法示意图

4全息三维存储

如图4所示，全息存储的是由被存储的图象被激光照射下通过透镜射到记录晶体上和同激光光源参考光束相干涉，这样干涉信息被记录在记录晶体中。当参考光束改变角度时，就可以记录另一图象。以目前的水平，0.1。记录一个图象已比较成熟了。而且在实验室中，相隔10"的记录也已实现。这样可以在同一记录点上记录超过1000幅(1024×1024)的图象, 即一点1G的存储量。此外，由于全息光信息不会相互干扰，这样记录点无需完全分开，可进一步提高存储的密度，在读出时可以用相同的参考光，通过CCD读出。

与光子吸收的逐层读取不同，三维全息存储实质上是记录在整个记录体内。如果我们仍认为图象是分层记录的，那么图象是以不同的编码方式记录在所有层上。当读取内容时，所有的层都将被读取。这样依据相应的解码可以重现记录的图形。

当然，全息三维存储目前也有尚需解决的问题。其中最突出的是当一个记录点被照亮时，此点上所有的记录图象都显现出来。如图5所示，为了读取正确的信息需选择好方向，且消除相互之间的干扰和噪声。因此，噪声处理问题成为全息存储目前主要要解决的难题。

5 总结

综上所述，尽管许多实现三维光存储的努力正在研究中，但不管是基于光子吸收的多层记录方式还是基于全息存储，三维光存储在理论和实践上都取得突破。实际上，在DVD中已走向了多层和多面存储，如单面双层的DVD-9和双面双层的DVD-18等。虽然它还不是真正意义上的三维存储，但它反映出光存储正在努力突破二维存储的极限，实现更大的存储容量。由此可见，虽然目前三维光存储在实用化和产业化的过程中仍然有许多问题需要解决，但在需求的巨大刺激下，相信在不久的将来三维存储将得到巨大的发展并应用到实际当中来。

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