[转帖]光子存贮技术

乏味 · 发表于 2003-3-23 00:21:00

现代化信息社会对大容量、快速存取时间的存储系统有着日益增长的要求。传统的磁存储系统已不能满足需要，光子存储技术则越来越显示出优越性。
  1, 光子存储技术的发展
  光盘存储(CD-ROM)由于具有方便、易于复制和可移动性等优点而在信息技术领域拥有优势。新一代的数码视盘DVD较之CD又有进步，其存储容量达8.5Gb，数据传输速率为11Mb/s。正在研制的蓝光DVD，有望将存储容量提高到50Gb以上。
就目前而言，磁存储，特别是在现代计算机中尚有优势。磁盘是发展相当成熟的存储技术。由于它的存储容量大(20Mb~4Gb)、存取时间短(0.1ms)、存储时间长并具可擦写性等，因此在一段时间里仍将起重要作用。但它遇到的两方面的困难：一是尺寸限制，一是信噪比限制难以克服。两维数据光盘(CD)在存储密度、存储寿命等方面已显示出优势。新一代光盘(DVD)已开始进入市场，这种光盘的密度比CD高出近一个量级，它将很快成为数据存储的主流。但光盘不可擦除和重写以及在数据传输速率等方面与磁盘相比不占优势。另一方面，光盘存储由于受光斑尺寸的限制，密度提高有限，而全息存储由于其存储密度高和信息存取的并行性而具有潜在的竞争力，其存储密度可达1013bit/cm2，数据传输率容易达到1Gbit/s以上，是磁盘的200倍，而存取时间则比磁盘快两个量级以上，即在10μs 内可读取500个全息图。同时，由于光全息记录具有并行性和可实现内容寻址等特点，因此在光互连、神经网络及智能计算机等领域均有广泛的应用前景。在21世纪，光子存储有望成为存储技术的主流。
(1) 新材料、新器件为光子存储提供了发展基础和条件
  A 空间光调制器(SLM)技术的发展，为E/O信息变换提供了先进、快速的手段；
  B 快速、高灵敏度电荷耦合器件(CCD)的发展，为O/E信息转换提供先进的手段；
  C 微型半导体激光器(LD)、垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)阵列、可调谐LD、蓝绿光LD等的成功开发，为先进的存储技术提供了可靠的光源；
  D 先进的存储材料，特别是光全息存储材料的研究开发是促成光子存储技术发展的关键。光子存储技术对材料的要求是：高的分辨率、高的再现效率、快的响应时间和长的写擦寿命。正在开发研究的材料有：电介质晶体材料(特别是光折变材料)、半导体材料、生物薄膜、有机高分子聚合物等。它们作为全息存储材料有极高的分辨率和超大容量的存储能力，具有可擦除、可重复实时写入等优异特性。
  (2) 先进的光子存储技术开发
  尽管光盘（两维存储器）极大地提高了信息存储量，但目前已接近它的理论极限值(108bit/cm2)，为满足信息社会对存储量不断以指数形式增加的要求，必须进一步开拓三维高密度光子存储的新途径。当今，实现大的存储容量(1012bit/cm2)、逐页进行信息写/读方式、可并行处理信息等是光子存储技术的主要发展方向。为此，进行了对诸多存储新机制开展了研究工作，例如：
  A 双光子吸收存储
  利用双光子效应，将一路光子载入的信息转化为介质的电子布居状态，信息被记录下来。读出时，用地址光照射所需信息的介质层面上，促使相关激发态上的电子回落到基态，发射出强度与信息分布一致的荧光，再现出记录的信息。显然，利用双光子吸收方法可实现三维存储，这正是该方法的优势所在。
B 光谱烧孔存储
通过光谱烧孔效应可将诸多信息记录在介质的同一位置上，而读出时，可依据读出光的透射频率分布再现记录的信息。由于光谱烧孔介质对频率及外加电场具有敏锐的选择性，因此在介质的同一点上可记录大量信息，实现超高密度的光子存储。
C 光子回波存储
在光子回波介质中，输入一个光脉冲，改变了介质中激发中心的电子极化方向；当这个光脉冲消失后，介质中这种极化的改变将保留一段时间。在原子能级平均相位弛豫时间内，输入第二个脉冲，它将与保留在介质中的电子极化方向改变相互作用，产生第三个光脉冲，即光子回波。这样，第一个光脉冲（信息光）所携带的信息，由第二个光脉冲（读出光）读出，产生光子回波，再现了记录的信息。光子回波同样具有波长选择性，在介质的一点上，可以记录下许多频率的光脉冲。同时，光子回波又具有时间选择性，第一个光脉冲可以是一系列短间隔的脉冲叠加，读出时，光子回波会按原时间序列将这些信息一一再现出来。利用上述光子回波的两种选择性，将极大地提高其光存储量。
D 光折变存储
在具有光折变效应的介质中射入两束光（信息光与参考光）产生干涉效应，即可写入体全息折射率相位光栅，实现全息记录。改变两束光的干涉位置，就能完成三维存储。显然，这时也可用满足布喇格条件的单束光作读出光，读出所记录的信息。由于光折变相位光栅对角度、波长等有选择性，因此在介质的同一点也可记录大量信息。另外，利用有机介质中光致异构过程，也能够产生一种类光折变效应，因此也能写入全息光栅，实现高密度光子存储。
2, 先进的光子存储系统
近年来，已研制了诸多光子存储实验系统，为光子存储技术的发展与未来展现出诱人的前景。
(1) 全息数字-数据存储系统，角度/空间编码
近来研制的数字全息数据存储(DHDS)系统，可提供相当高的存储密度，与普通的CD-ROM或磁盘驱动相比，其数据存储密度高出2～3个数量级。信息以页码形式排列，存取时间比盘式驱动缩短1/10～1/100。在记录过程中，激光被分为两束：用于编码数据的信号光束和参考光束。信号光束通过一种电子掩模—SLM以方框矩阵表示数据，对应于二进制的1或0。该信号光束与参考光束在记录介质上产生干涉模式，以不同的角度和空间编码。用这种系统，已能在LiNbO3晶体中存储5000个带有灰度阶的全息图。
(2) 位移多路编码
这种方法特别适应于全息3D光盘。通过3D全息图的布喇格选择性，采用球面参考波使多个全息图记录在不同位置，形成多幅编码方式的光子存储。
(3) 光折变晶体光纤数据存储
用多根晶体光纤组成阵列。写入过程是，将待存储的电子数据通过空间光调制器(SLM)转变为相干光信号。再将此信号的傅里叶变换入射到记录介质上。同时，将角度编码、正交相位编码或波长编码的参考光也入射到记录介质的同一位置上，在同一晶体光纤阵列中记录多幅图象。然后，信号光与参考光在记录介质上扫描，以充分利用整个记录体积。读出过程是，使用与写入时相应编码的参考光作读出，读出的光信号经逆傅里叶变换入射到CCD上，再经CCD变换为电信号，送至相应的后续处理器。
(4) 大型关系数据库的体全息存储
由于信息量的迅速增长，计算机的容量不断扩大，大型数据库的需求也与日俱增。对于大型数据库，兆兆字节的数据量很容易达到。但若用全息方法来实现这一数据量的存储，则只要一块很小的晶体即可。现在，在1Cm2的LiNbO3晶体面上已能存储2.11Gb的数据。更重要的是，关系数据库中的数据是以单调文件或表格方式排列的，其中每行对应一个记录，而每列则描述数据的特征。这种2-D的数据格式与全息体存储的页面方式极为接近。在光系统中，使用绿光（如532nm的激光）作光源。通过可变分束器将光束分为图象光束与参考光束，后者作为唯一编码的光束（或地址），一般多采用角度编码。图象光束通过SLM调制后，得到待存储物体的编码信息。用寻址方式读出时，用参考光照射晶体，晶体中布喇格光栅将光衍射到原来的页面，原来的页面便被图象光束探测系统接收。每一个与搜索量密切相关的全息图都在训练过的相关平面上产生一个强度峰值，它们分别对应于匹配的全息图参考光束。这些峰值点被参考光探测系统接收后送入主机，根据地址，恢复出希望的页面。与通常的联想存储不同，这种方法是先搜索后恢复，并实现多幅全息图的恢复。在该系统中再通过对交叉校验码的改进，可存储50000幅图象，有效存储能力达到500Gbit。
  (5) 医学图象的数字体全息存储
  目前的计算机X射线层析(CT)摄影与磁共振(MR)扫描虽说也可采集三维信息，但实质上，得到的不是真正的三维图象。传统的光学全息记录系统要有一个物体，一个物光与一个参考光。数字体全息记录对象可以不是物体，而是数字数据（患者的CT或MR切片的数据等）。保持参考光束不变，每一个CT或MR切片曝光一次，记录过程中移动整个投影系统，使不同的CT或MR切片位于相对记录介质的不同位置曝光，这样，不但记录了每幅数字图象的强度分布信息，而且记录了它的位置信息。再现时，各切片同时再现于它相应的位置上，因此获得了真正的三维立体图。这种数字全息图的优点是，具有透明性、透视性、结构性和交互性，可靠性也是上佳的。
3, 光子存储技术近期的研究重点
(1) 先进的光子存储材料的探索与研究
存储材料的优劣是光子存储技术成败的关键。
A 新型光折变材料及其性能研究
  包括对新材料的探索，成分与结构设计与分析等。有机光折变材料有重要应用前景，需要深入研究其光折变机理；
B 新型光折变材料的关键工艺研究
a,光折变效应中的光擦抹问题，它类似全息干板的定影过程，可采取热的和电的畴反转方法解决，其中热固定的动力学行为应深入研究；
  b,读出噪声问题，它是直接影响存储器性能的关键。
  (2) 光子存储技术中关键元器件的研究与研制
  研制性能优异的元器件，如短波长LD、高分辨的SLM等是发展先进的光子存储技术的重要基础；
  (3) 对光子存储技术新方法、新技术的研究与探索
A 空间多路复用技术研究
如用若干小块晶体铺成一个两维平面的方法，可构成空间多路复用，大幅度增加存储容量；
B 用相位复共轭或部分反馈消除图象退化与噪声
C 探索新的图象固化方法。
(4) 自由空间电荷场及其波场在介质中传输的理论研究
A 标量与矢量衍射理论与计算方法研究
B 光散射及其影响的研究
C 光折变全息图的耦合动力学分析
(5) 光子存储中的近场光学与光子力研究
(6) 先进的实用化光子存储装置或系统的研制

流云120 · 发表于 2003-11-27 20:45:00

对空间光调制器了解吗

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