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摘要：当光存储发展到DVD级时，其记录符尺寸已接近了光学记录极限。突破这一存储极限，实现更高密度的存储成为目前新一代光存储技术研究的主要内容。为了实现更高密度的存储，目前主要有三维体存储和超分辨存储两个主要的研究方向。本文将介绍目前这两个方向的主要内容和对未来光存储的预测。 关键字： 高密度存储，三维存储，超分辨存储 1．提高密度的传统方法及其极限 提高光盘存储密度的传统方法，是减小读写光斑的尺寸。通常聚焦光斑的尺寸受激光束衍射效应的限制，其光斑半径R与激光波长l成正比，与光学头物镜数值孔径NA成反比： 目前，CD光盘激光波长为780nm、物镜数值孔径为0.45，轨道间距为1.6mm、最短信息坑长度约0.8mm，容量为650MB；发展到最新的DVD光盘，激光波长减小到635/650nm、物镜数值孔径增加到0.6，轨道间距为0.74mm，最短信息坑长度约0.4mm，物理密度比CD光盘提高了4倍以上，实现单面单层4.7GB。下一代主流光盘将进一步沿着这一传统方式发展。目前的目标是进一步缩短激光器波长而增大数值孔径。其波长缩短至蓝光段（400nm左右）而数值孔径加大至0.8~0.9，最终实现120mm盘的单面单层容量在20G左右。这一代存储光盘在实验室基本完成，但尚未商品化推向市场，故目前尚无统一的名称，通常被统称为高密度DVD(HD-DVD)。Philips公司推出的这一代产品取名为DVR，其波长为400nm，数值孔径为0.85，轨道间距为0.3mm、最短信息坑长度约0.168mm、容量为22G。图1显示了CD，DVD和DVR盘片坑点尺寸。
CD光盘坑纹 DVD光盘坑纹 DVR光盘坑纹 在HD-DVD之后，传统的提高密度的方法将变得非常困难。首先波长的减小毕竟有限，这不仅是由于器件本身的研制比较困难，而且当波长达到紫外时，塑料盘基对光的传输性能可能减弱，从而给应用带来困难。另一个传统方法是增大数值孔径，但用于光存储系统中的大数值孔径的非球面透镜的制作在工艺上比较困难；同时，根据象差分析，即使在物镜很好地校正了象差的情况下，盘片厚度的变化也将引起光程变化，这一变化可以用球差表示为： 其中，Δt是盘片厚度的变化，n是盘基折射率。由（2）知，随着数值孔径的增加，这一光程差将迅速增大，从而使得读出信号质量下降。此外在远场记录的情况下，数值孔径有理论极限，其最大值为1。 在传统的光学系统和二维存储模式下，光存储的密度已经接近由物镜的数值孔径和激光波长所确定的衍射极限，所以存储密度的提高受到极大的制约。为了突破这一极限并进一步提高存储密度，目前主要有三维光存储技术和超分辨率存储技术两个方面的研究方向。前者将传统的二维面存储发展到三维体存储。考虑到由于衍射的影响，二维的记录单位大小极限约为l2，而在三维存储中，考虑到三维上的衍射的影响，每个记录斑点的极限为l3。这样三维存储将理论的记录容量由S/l2提高到V/l3, 其理论存储容量扩大了d/l倍（以上表达式中，S为存储体面积，V为存储体体积，d为存储体高度，l为记录波长）。而后者则是利用光学技术和存储介质的性质等方法，在二维存储上实现突破衍射极限的光斑尺寸，实现高密度的存储。 2 三维光存储技术 由于光相互之间不会被屏蔽，所以光存储较之磁存储更为容易实现三维存储。三维存储是指利用双波长、多波长、多偏振态光波和光波干涉等方法在存储体上实现体存储的方法。三维存储主要包括页面存储、多层存储、多色存储和全息存储几个方面。 页面存储是三维存储中应用较早的方法，主要采用具有双光子吸收特性的光致变色材料作为存储体。目前美国加州大学的三维存储的研究就是基于这种存储模式，其原理如图2所示。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侯，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。写入时对入射光进行调制，并在两束光的交点处完成记录。而读取时，入射光作为激励光，在平面光所选择的平面上发生荧光效应，在输出处采用CCD摄像实现页面记录。这种方法原理相对简单，由于由平面光束来选择操作页面，避免了层间的串扰，同时数据是以页面形式存储，可以实现整页并行数据写入和读出。由于平面光移动的速度的限制以及平面图像数据的处理等问题，在速度上的提高受到制约。此外这种方法需要两维上定位，因此读写设备需安置于精度较高的XYZ三维工作台上，由于目前这种设备体积庞大且昂贵，所以具体实现还有许多工作要做。
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2 页面三维存储示意图 为了克服页面存储方式的缺点，清华大学提出了多层存储方式，这种方式也是采用双光子吸收的光致变色材料。如图3所示，与页面三维存储方式不同，感光材料分层涂布在盘上，每一层之间的距离大于焦深，这样可以避免串扰。通过二元光学器件将两种不同波长的光通过不同路径汇聚在同一焦点，这样使得只有焦点处存在两种波长的光子并发生光致变色反应，而其它感光层由于没有两种波长的光同时存在，而不发生反应。由于只有两个波长光束同时存在才能记录，其有效光斑尺寸将由较小的短波长的激光的光斑决定。这种方案中的主要问题是聚焦和跟踪伺服控制。因为只有顶面和底面可以提供用于聚焦和跟踪的伺服信号，如何有效利用这些信号实现各层信息的正确写入和读取是这一方案的关键。为了实现有效的聚焦和跟踪伺服，现在一些技术，如辅助光束法，正在研究中。
1. 较短波长光束l1 2. 较长波长光束l2 3. 焦点 4. 焦点轨迹5.染料层 6. 分离层 7 物镜. 图3 分层三维存储示意图 随着染料研究的深入，染料的感光波长区域可以选择并可控制在相对窄的范围内。这样多色存储是运用不同感光波长的染料实现多层的记录。松下公司的研究人员利用SP1822、BSP1822、MSP1822、SP150和CSP0122这5种吸收带不同的螺吡喃实现了写一次型10重记录。5种介质中每一种能独立实现两个方向的偏振记录。图4是这5种螺吡喃分子的吸收带及其盘片的膜层结构。5种分子的吸收峰在450nm到700nm之间，每种螺吡喃的吸收峰宽度都不到50nm，而且间隔均匀。以旋涂技术制成的5个分记录层构成一个总记录层，分记录层之间有两个隔离层。总记录层的厚度是1mm。实验所用光源是脉冲式染料激光器，对应各记录层所用波长分别是485nm、530nm、580nm、618nm和650nm。但由于各分子的吸收带有重叠，会造成不同波长记录层之间的串扰问题。
(A)分子吸收带 b) 膜层结构 图4 一种多重记录分子吸收带及其盘片膜层结构 清华大学也在进行彩色多层记录的研究工作。这种方案中采用四层方案，使染料的吸收光谱相互重叠较小，克服了不同波长的串扰。但由于波长范围相对拓宽，为有效利用材料，采用了掩膜层使长波长的光斑缩小（有关掩膜的作用原理将在下面的章节中详细分析）。染料的吸收光谱和存储方案见图5所示。
(a)染料吸收带 (b) 读写方案 图5 彩色多层存储方案 全息存储技术是60年代随着激光全息术的发展而出现的一种大容量高存储密度的存储方式。如图6所示，全息存储技术是用所需记录的图像对物光进行调制，被调制的物光与参考光在存储介质内相交，在全息记录介质上的交点处相遇的两束激光产生干涉而形成亮、暗图样，全息记录介质在经曝光和处理后，形成与原来亮、暗图样对应的全息图。改变激光束波长或介质上激光束相交的角度，在同一部位可记录不同的全息图。目前，0.1。记录一个图像的技术已经比较成熟，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(10241024)的图像, 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，用CCD读出。目前，国内清华大学和北京工业大学都在进行这方面的研究工作。
图6 全息光存储示意图 3 超分辨率存储技术 另一种提高光存储密度的方法是使用超分辨的方法。超分辨的技术主要包括光学系统超分辨技术和介质的超分辨技术两类。这两类技术分别通过改变光学系统和存储介质的结构来获得小于衍射极限的记录标记的尺寸，从而获得更高密度的光存储。 光学系统超分辨技术是在不进一步减小激光波长而在光学系统的改进而获取超过衍射极限的小光斑，从而实现高密度的存储。目前光学系统超分辨技术的研究主要包括固态浸润物镜(SIL)、近场探针记录、光学变迹术等。
(a)SIL记录系统 (b) 超半球SIL的结构 图7 固态浸润物镜的系统及结构 固态浸润物镜首先是在光学显微镜中应用的。1990年，Gordon Kino申请了带有固体浸润物镜的光学显微镜的专利，之后这种技术被进一步发展应用于光存储领域中。如图7(a)所示，它的原理是在光学头前端加入一半球形固体浸润物镜，入射光束在有较大折射律的固体浸润物镜中汇聚形成较小的光斑。将带有固体浸润物镜的光学头作出飞行光学头，使其足够靠近记录层表面。这样，由于倏逝场的作用，汇聚在固体浸润物镜中的较小光斑可作用于记录层上。通过计算，对于半球形的固体浸润物镜的作用数值孔径NAeff为： NAeff=nNAair 式中n为固体浸润物镜的折射率，NAair是后端物镜在空气中的数值孔径。 目前超半球固体浸润物镜得到广泛重视和研究，其结构如图7所示。其选用的固体浸润物镜的高度为： t=r(l+l/n) 这种固体浸润物镜的作用数值孔径为 NAeff=n2NAair 对于目前DVD系统: NAair=0.6, l=650nm，由(1)可得其理论光斑半径为650nm。在折射率n=1.843，半径r=1mm的两种固体浸润物镜的作用下的结果如表1所示： 表1 两种固体浸润物镜作用比较
从表中结果可见固体浸润物镜有效的提高了作用数值孔径，并且都突破了衍射的极限。在固体浸润物镜作用下，记录光斑的直径可减至400~600nm。现在这种技术已经被实际应用于母盘的制作中，如英国的Nimbus公司。但由于固体浸润物镜系统需要超净的工作环境，并且记录层与光学头之间不能有盘基或保护层，这样使得它在用户端驱动器和播放机上的使用受到制约。但固体浸润物镜在超分辨记录上的优势，仍然吸引众多研究机构和公司在这一技术上进行深入研究。目前国内的清华大学，北京航空航天大学和中国科技大学都在进行这方面的研究。 近场探针记录是在扫描近场显微镜（SNOM）的基础上发展起来的一种新型的超分辨存储方式。这种方法运用光纤作为光传播途径。将光纤的顶端拉伸具有微小孔径的探针，这样光束只能从光纤微小孔径内射出。当探针头与记录层表面的距离小于半个波长时，光束不发散而获得微小的记录光斑。记录系统如8所示。这较之固体浸润物镜记录方式可获得更小的记录符，且与使用的激光波长无关。根据报道这种方式已经实现了小于60nm的记录标志。它的记录斑点的尺寸可减小一个量级，是目前运用光学手段能达到的最小记录标志。但这种记录方式同样属于近场记录，需要超净的环境且记录介质与光学头之间不能有保护层的存在。另外，由于当光波在小于波长的光纤中传输时，呈现能量快速衰减的模式。在这种模式下，射出的光线的光强较弱，所以探测时需要使用光电倍增器件来获取信号。这些因素制约了近场探针的记录方式在普通用户端的应用。
图8 近场探针记录 光学变迹术的基本原理如图9所示，这种方法是利用在光路中加入一个挡光片来实现超分辨的。孔径中心的挡光片的作用可以理解为从全孔径中减去一个小孔径，这意味着会聚的超衍射光斑的实际光振幅分布可以从焦平面的全孔径光振幅分布中减去小孔径的光振幅分布而得到。因此，超衍射光斑振幅的第一次过零点距离光斑中心的位置比全孔径时减小了，导致读出系统空间响应频率的改进。这种方法能减小读出光斑，实现超分辨读出；但同时也应当看到，变迹术将入射光能强烈地衍射到了主瓣之外的旁瓣上，由此造成强烈的背景噪声，影响读出信号的对比度。浙江大学现代光学仪器国家重点实验室和中科院上海光机所提出的共焦技术与变迹术相结合的方法在一定程度上解决了这一问题，但这将使得光学读出系统变得复杂。
图9 光学超分辨原理 介质超分辨率技术是将以一个或两个掩膜层涂布在记录层之上，利用这一两个掩膜层的磁、光、热等效应，在不改变光学系统的情况下，实现记录层上的突破衍射极限的小的记录斑点。现在应用于磁光和相变原理的超分辨率存储都取得了一定的成果，特别是磁致超分辨技术(MSR)已经在实际的盘片中使用，并已取得可观的记录密度。MSR盘的设想最早由SONY公司的M. Kaneko等人提出，他们在盘片中使用三到四个磁性介质层，利用外部磁场实现读出时的超分辨效果。MSR有两种方式：一种是前孔径探测（FAD），如图10（a）；另一种是中心孔径探测（CAD），如图10（b）。
(a) FAD类MSR (b) CAD类MSR 图10 磁致超分辨率原理 前孔径探测方式的介质层由三层组成：读出层、转换层、记录层。其中，记录层用于磁场信息的记录；读出层将记录层的信息通过转换层耦合上来，信息最终通过读出层恢复。在这三层中，转换层的居里温度最低，它控制着记录层和读出层间的耦合力。温度较低时，由于读出层的矫顽力低于耦合力，因此记录层的信息能传递到读出层上；当转换层温度高于居里温度时，转换层的磁性消失，记录层的信息不能被耦合上来，这一部分读出区域的磁场方向由外加偏置磁场决定。由于转换层的这一热效应，使得在读出光斑中的记录层信息有一部分被“遮住”，无法通过读出层读出，从而达到掩膜效果，减小实际读出光斑尺寸，实现超分辨读出。FAD虽然能实现超分辨读出，但它具有如下缺点：a.这种方式只提高了线密度，而没有提高道密度，因此密度提高有限；b.需要外加偏置磁场，这一磁场会降低读出信号质量；c.盘片结构比较复杂，至少需要三层（实际盘片由于介质特性和工艺的要求，比三层要多）。 中心孔径探测方式能在一定程度上解决FAD方式的问题。CAD方式的主要改进一是读出时不需要外加磁场，二是盘片只需要两层。其超分辨的读出原理是：在常规温度下，读出层的磁场方向在层内呈水平方向，从而使得记录层的信息被屏蔽，不能被读出；当温度升高到居里温度时，读出层磁场由水平变成垂直，记录层的信息能“映射”到读出层上，从而实现信息的读出。由于读出光斑的中心区域温度比周围区域温度高，因此只有中心部分读出层的磁场才会发生转化，使得记录层的信息能被耦合到读出层中；周围部分由于读出层的磁场水平，将对记录层的信息产生屏蔽作用，减小了实际读出光斑尺寸，达到超分辨读出的效果。CAD方式读出时不需要外加磁场；而且读出层磁场方向常温下为水平，不会对读出光束的偏振状态产生影响，因此读出信号有较高的信噪比；这种方式不仅提高了线密度，而且提高了道密度，能实现更高密度的存储。据分析，在目前光学系统的情况下（波长680nm），使用这种方法能实现2.2Gbit/in2的存储密度。 磁致超分辨掩膜技术有一定的局限性，主要是它只能用于磁光记录介质，而不能应用于相变和只读光盘等光存储中的主流产品，因此应用于预模压光盘的超分辨掩膜(PSR)将会是下一代光存储中的关键技术。目前PSR的研究方向主要有热致超分辨掩膜和光致超分辨掩膜。两种掩膜盘片的结构类似，如图11所示。两者都是将掩膜层涂布在反射层与盘基之间。这一层掩膜的透明度随读出光束的照射时间的增长而增强，而且是非线性关系的。对于热致掩膜主要是由于读出光束的热效应，而光致掩膜主要是依靠对于材料对读出激光的光致变反应而实现。在读出时，如图12所示，因光斑扫描过程导致光斑区从前部到后部照射时间线性增长，而掩膜的透明度则非线性加强，从而实际光斑的后部形成一个尺寸更小的有效光斑，用于透过掩膜读取光盘信号，这就是“后孔径”读取方法。由于有效光斑的尺寸在切向和径向两个方向都小于实际光斑，这样可以实现更高密度的存储。
图11 PSR盘片结构 图12 掩膜盘片超分辨原理 目前，日本的索尼，松下和胜利等公司已经对热效应掩膜盘的材料和特性进行了研究。主要使用的材料是相变材料Ge2SB2Te5和有机染料Leuco。在读取信号时，由于盘片的旋转，光斑的后部温度要高于前部。对于相变材料掩膜，当相变层的温度达到熔点时（大约600℃），掩膜层的材料将由固态变为液态。由于这种材料液态的反射率比固态的反射率要低很多，这样在后部形成减小的有效光斑。对于有机染料，掩膜层材料在加热时，其分子结构发生变化，使其变成透明状态，在冷却后分子结构可以恢复到原来的结构上。以Leuco染料为例，当温度高于50℃时，透射率急剧降低并且在150℃时达到饱和。在冷却后，反射率将略带迟滞的逐渐降低。这样掩膜层表现出热模式下的可逆性而实现了超分辨读取，如图13所示。但热模式的材料要求激光束在焦点处产生足够的热量使掩膜材料熔化或产生分子结构的变化，使得对于激光器功率和光盘盘基的抗热性有较高的要求。同时，用于热场的积累和分布等特性的制约，使得灵敏度和孔径大小都将受到较大的制约。
图13 热效应掩膜读取原理图 正如上一节中所分析的，光致变色材料的变色反应属于光子级反应，具有材料灵敏度高，速度快，光学性能可通过改变分子结构来调整，利于有机合成等优点。这些优点使得光致变色材料更为适合作为超分辨率掩膜材料。从文献上看，日本的三洋公司进行了光致变色超分辨率掩膜的实验和研究。三洋公司使用的是一种二芳基乙烯类光致变色材料FC-124，这种材料的分子结构和吸收光谱如图14所示。这种材料有开环和闭环两种分子结构。在开环状态下，材料对红光（600-700）有较强的吸收光谱（图14中实线）。这种状态下材料对红光不透。但被较强红光照射下材料发生光致变色反应，分子的结构在光诱导下由闭环转为开环。此时材料只在紫外区（300nm~350nm）有吸收峰而对于红光段则完全透明（图14中虚线）。这样，首先对光致变色掩膜进行初始化，即用紫外光照射使得掩膜层材料都先转换为闭环状态。在读取光盘信息时，读取的激光束将诱导掩膜层染料发生光致变色反应，出现一个漂白区。在光斑后部有一个与漂白区域的重合区，这一重合区便是实际有效读出光斑，如图15所示。
图14 FC-124的分子结构和吸收光谱 图15 光致变色掩膜示意图 由于这种掩膜盘片制作比较简单（其工艺与目前的CD-R和DVD-R类似，在反射层和盘基之间旋涂一次有机染料），超分辨效果明显（理论计算可使线密度提高一倍，即可使CD级播放机读取DVD级掩膜盘），能与现行播放机兼容等优点，预计光致掩膜超分辨光盘会在以上众多的高密度存储方案中率先实现商品化并投入市场。目前清华大学光盘中心正和中科院感光化学所和清华大学化学系合作，进行光致变色的超分辨掩膜盘片的研究。在材料、机理和驱动器设计上已取得了相当的成果。 4. 小结 除了上面提到的三维体存储和二维的超分辨存储以外，现在多值存储也是光存储技术研究的热点之一。它通过深度、反射率等的多阶调制的方法，实现更高密度的存储。但由于深度和反射率阶数不能太高，否则信噪比就会明显地下降，所以现在多值存储的方法主要是4阶。从前面分析可以看出，光存储的研究方向主要是沿着三维体存储、二维超分辨存储和多值存储这三个方面进行的，这三个方向的存储潜力如图16所示。由图可知，三维体存储和二维超分辨存储的潜力巨大（500倍），因此这两个方向将是未来高密度光存储的主流方向。□
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