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标题: 光电信息存储技术及其发展趋势 [打印本页]

作者: 遗忘的回忆 时间: 2016-3-10 13:11
标题: 光电信息存储技术及其发展趋势
本文简介了一写多读式光盘、可擦除式光盘、大容量光带、高密度多层彩色光盘等光电信息存贮技术，以及下一代有实用前景的三维体全息存贮、近场光学存贮、双光子双稳态三维数字存贮、光谱烧孔存贮、电子俘获存贮等超高密度光电存贮技术及其发展趋势。

一、引言
随着光电等科学技术的发展，人类步入了一个全新的数字化时代和信息时代。由于信息的多媒体化，人们处理的不仅是简单的数据、文字、声音、图像，而是由高清晰度的和高质量的声音和运动图像等综合在一起的数字多媒体信息。
光电信息存贮技术是一种非接触的写入和读出，如光盘与磁盘相比，有使用寿命长、存贮密度高（比磁盘约高1～2个数量级）、容量大、可靠性高、图像质量好、存贮成本低等优点，因而获得广泛的应用。
尽管新一代的DVD已经进入市场，但光盘在不可擦除和重写以及在数据传输速率等方面不占优势，而且又受光斑尺寸的限制，因而存储密度提高有限，所以出现了各种新型的超高密度光电存储技术。
下面简介一下目前常用与即将使用的光电信息存贮技术，以及下一代具有实用前景的几种光电存储技术。
二、目前常用与即将使用的光电信息存贮技术
1.一写多读式光盘存贮
一写多读式光盘允许用户直接写入信息，并可在写后直接读出（DRAM），但不能擦除。因此，它非常适用于存贮需永久保存的图像或资料。
目前，这种光盘多使用650nm的红色激光，其记录单元凹槽的最小直径为0.4mm,而使用短波长的兰光，其最小直径减小到0.14 mm。因此，兰光DVD单面单层盘片的存贮容量可达27GB，是红光4.7GB的近6倍。日本索尼和三洋公司均已推出这种产品。
荷兰philips公司在2002年7月已推出用兰光DVD的袖珍产品，虽然其盘片直径只有3cm，其存贮容量却达1GB，而驱动器非常小（5.6×3.4×0.75cm3），因而可放入数码相机，掌上电脑及手机当中。
2.可擦除式光盘存贮
可擦除式光盘与磁盘相似，不仅可以写入，还可以随时擦除。它也称可重写光盘或可逆式光盘，因而同硬磁盘一样，可方便用于各类系统中。
可擦除式光盘有两种：
① 用激光的热效应使磁光介质局部发生磁反转的磁光盘；
② 利用激光照射使记录介质局部结晶或使结晶态向非结晶态转变的相变光盘。
3.大容量光带存贮
在多频道多媒体时代，要求图像素材的有效应用日益提高，为此需要一种可以代替过去录像带，在小盒内可长期保存并可多次再生的大容量存贮媒体-光带。这种光带存贮系统，可实现磁带、磁盘、光盘等不能实现的高可靠，大容量记录。
光带存贮与光盘存贮相比，存贮面积可以高2～3个数量级以上。通过利用光盘的高密度技术，在VHS磁带盒那样光带上将可实现1太（1012）字节以上的存贮容量。并且光带行走系统简单，所以可高速存取。若是200GB，光带可实现5秒以内的平均存取时间。
4.高密度多层彩色光盘存贮
该光盘系统利用不同频率的光波不发生干涉这一特性，而采用多波长激光进行三维立体分层记录信息，配合特殊设计的光学头，实现信息的同时读写。其制作方法是，在光盘盘基上镀N个记录层，而每个记录层都在光学头复消色差物镜的焦深之内。并且每个记录层都有一种光致变色材料组成，它们分别只能与一种激光发生作用，而对其它波长的激光则全部透射。如在彩色N层光盘系统中，N种不同波长的激光经过整形和准直系统通过光栅并合光后，成为方向完全重合的圆形平行光束，然后再经过复消色差物镜系统聚焦于光盘上的同一点，它们被相应的记录介质吸收能量后反射，这样多波长光束回到主光路后通过衍射光栅按波长分光，从而为各探测器件接收并读取信息。
利用彩色多层光盘系统记录信息可以有效地增加光盘的存贮容量和显著提高光盘的读写速度。如使用N层存储，则可将容量和速度同时提高到单层存储的N倍。
三、下一代有实用前景的超高密度光电存储技术
光盘存贮由于受光斑尺寸的限制，密度提高有限。为满足信息时代发展的需要，必须研发新的超高密度光电存贮系统。科学家们一致看好短期有实用前景的超高密度光电存贮技术，主要有下面几种：
1、三维体全息存储技术
这种存储方式是利用光的干涉原理，在记录材料上以体全息图的形式记录信息，并在特定条件下以衍射形式恢复所存储的信息。三维多重体全息存储，是利用某些光学晶体的光折变效应记录全息图形图像。一般常用的材料有重铬酸盐明胶、光致聚合物和光致变色材料等。
三维体全息存储的原理是，待存储的数据由空间光调制器调制成二维信息，然后与参考光在记录介质中发生干涉，并利用材料的光折变效应形成体全息图而完成信息的记录。读取时使用和原来相同的参考光寻址，以读出存储在晶体中的相应的全息图。根据体全息图的布拉格角度或波长选择性，改变参考光的入射角度或波长以实现多重存储。由于布拉格选择性非常高，所以体全息存储可在一个单位体积内复用多幅图像，从而实现超高密度存储。
体全息存储技术的主要特点是：
（1）存储密度高。存储密度的理论极限值为λ-3（λ为光波波长），在可见光谱中该值约为1012bit/cm3.
（2）数据冗余度高。因信息是以全息图的形式存储在一定的扩展体积内，而记录介质局部的缺陷和损伤只会使信号的强度降低，而不会引起信号的丢失，所以冗余度高，抗噪能力强。
（3）数据并行传输。全息图数据以页面的形式存储和恢复，一页中所有的位都并行地记录和读出（不像磁、光盘那样串行方式逐点存取），其存取一页的时间达1秒或更快，总的数据传输速率可达1.25Gbit/s。
（4）寻址速度快。数据检索采用声光或电光非机械寻址方式，因而寻址一个页面的时间可小于50μs。
（5）有关联寻址功能。用物光中的某幅图像（或其部分）照射公共体积内由角度复用存储的多重全息图，将会读出一系列不同方向的“参考光”，各光的强度大小代表对应存储图像与输入图像之间的相似程度。用此关联特性，可实现内容寻址操作和基于图像相关运算的快速目标识别。
2、近场光学存储技术
目前各种光盘驱动器均用光学镜头进行读或写，其物镜离介质为毫米量级，属于远场光学存储系统。虽然可通过短波长光激光器和固体浸没透镜等技术能使光盘记录密度有一定的提高。但物镜聚焦的光斑尺寸受远场衍射极限的制约，而不可能从根本上实现光学存储的超高密度。
在近场光学显微镜中，近场的小孔功能由光学探针的针尖来完成。光学探针尖端孔径远小于光的波长。当把这样的纳米小孔置于距样品表面一个波长以内（即近场区域时），不仅可以探测到由物体衍射的传导分量，而且可探测到非辐射场--隐失场分量（对应于高的空间频率，包括丰富的纳米光学信息）。因此，近场光学存储的基本原理是，通过纳米尺寸的光学头和纳米尺寸的距离控制，实现纳米尺寸的光点记录。所以克服了衍射极限而提高了光存储的密度。因此，就提高光学存储密度来说，近场光学的超衍射分辨方法是最基本的方法。与其它高密度存储方法相比，这种存储方法具有两大优点：
（1）密度高、容量大。由于其读写光斑小，可大大提高存储密度和存储容量。并且存储每兆数据的花费比普通光盘大大降低。如果采用多光束多光点并行的方法，其数据传输率还可进一步地提高。
（2）可充分运用已有的存储中的成熟技术，以减少开发的时间和投资。这种近场光学存储方法，可以利用其它存储技术已经成熟的相关技术。如硬盘驱动器中的磁头悬浮技术和光盘存储中的光头飞行技术，因而不用另外去进行新的系统设计和开发。显然，这对降低产品的价格起了很大的作用。
3、双光子双稳态三维数字存储技术
双光子双稳态三维数字存储，是根据两个不同光束中的光子同时作用于原子时，能使介质的原子中某一特定能级上的电子激发至高的电子能态即另一稳态，并使其光学性能发生变化。因此，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、写入与读出。
任何光性质的不同，都可用作信息的光记录和读出，所以双光子吸收光学存储有很多种形式：如光致色变、光敏聚合物、光致荧光漂白、光折变效应等。
光致色变存储是一种光子型记录，它是在光子作用下发生化学变化而实现信息存储的，其反应时间极短。由于该过程是分子尺度上的一种反应，因而能实现超高密度存储。由于一定光致色变材料对一定波长的光线有吸引并反应，而对其它波长的光线不敏感。因此，若记录层含有吸收带不同的多种或多层光致色变材料，则可用相应的多种波长分别写入和读出，从而实现多波长的多重记录。所以，通过多重多维记录，在不改变光斑尺寸的情况下，能进一步提高单盘存储容量。
光致色变存储化合物作为光存储介质有许多优点：
（1）灵敏度高、速度快，可达纳米量级；
（2）可用旋转涂布法制作光盘，制作成本低；
（3）信噪比高、抗磁性好；
（4）光学性能可通过改变分子结构来调整，有利于有机合成等。
光致色变的实用化，还需解决与半导体激光器波长相适应、热稳定性、写擦疲劳等问题。
4、光谱烧孔存储技术
光谱烧孔存储技术是利用分子对不同频率光吸收率不同来识别不同的分子，从而可以实现用一个分子来存储一位信息，达到了超高密度存储的目的。
由于可以通过改变激光频率在吸收谱线内烧出多个孔，即利用频率维来记录信息，从而在一个光斑内存出多个信息，其存储密度可提高2～3个数量级。
5、电子俘获存储技术
电子俘获存储技术的原理是电子的俘获和释放。其信息的记录和读取的过程只与电子的俘获和释放有关，而和光学材料的状态及结构变化无关。因此，可以以纳秒时间实现写入和读出，反应时间很快；无热效应；可反复擦除、使用寿命非常长等。
四、超高密度光电存储技术的发展趋势
上述这些新型的存贮技术可以实现存贮密度达入-3，或者是其记录材料的微观结构的分辨率，所以能够实现真正意义上的海量存贮。
由上看出，上述光电存储技术都是以提高存储密度、容量、可靠性和数据传输率作为主要的发展目标。因此光电存储技术的发展趋势是：
从远场光存储到近场光存储；
从二维光存储到多维光存储；
从光热存储到光子存储等。；
超高密度光电存储技术是一种代表着信息存储发展方向的新技术，它在新世纪的信息光子时代将会发挥巨大的威力。与国外的发展态势相比，必须加快我国超高密度光存储技术的研究和发展，使它在促进我国信息科学与产业的发展中起到关键的作用。

作者: update 时间: 2018-3-8 10:05

作者: echo8537 时间: 2020-6-10 13:14
这个一定要顶啊

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