信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)海量信息存儲(chǔ)的需求迅猛增長(zhǎng)。然而，正在全世界興起的信息高速公路網(wǎng)和起級(jí)計(jì)算機(jī)小型化發(fā)展中，信息存儲(chǔ)系統(tǒng)仍是一個(gè)相對(duì)薄弱的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。光存儲(chǔ)目前達(dá)到的存儲(chǔ)密度和數(shù)據(jù)傳輸速率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了飛速發(fā)展的信息科學(xué)技術(shù)的要求

為了提高存儲(chǔ)密度和數(shù)據(jù)傳輸速率，光存儲(chǔ)正在由長(zhǎng)波向短波、低維向高維(即由平面向立體)、遠(yuǎn)場(chǎng)向近場(chǎng)、光熱效應(yīng)向光子效應(yīng)、逐點(diǎn)存儲(chǔ)向并行存儲(chǔ)發(fā)展。

三維體存儲(chǔ)技術(shù)

三維體存儲(chǔ)是實(shí)現(xiàn)超高密度信息存儲(chǔ)的重要途徑 ， 研究領(lǐng)域主要集中在體全息存儲(chǔ)和光子三維存儲(chǔ)兩個(gè)方面。

體全息存儲(chǔ)

體全息存儲(chǔ)是20世紀(jì)60年代隨著光全息技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種大容量高存儲(chǔ)密度的存儲(chǔ)方式。隨著計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，也由于在光電器件和全息存儲(chǔ)材料領(lǐng)域的研究取得了突破，使得人們?cè)谌⒋鎯?chǔ)領(lǐng)域獲得了巨大的進(jìn)展，從 而也使全息存儲(chǔ)成為超高密度光存儲(chǔ)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

一般光學(xué)體全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)理為：待存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)(數(shù)字或模擬)經(jīng)空間光調(diào)制器(SLM)被調(diào)制到信號(hào)光上，形成一個(gè)二維信息頁(yè)，然后與參考光在記錄介質(zhì)中干涉形成體全息圖從而完成信息的記錄讀出時(shí)使用和原來(lái)相同的參考光尋址，可以讀出相應(yīng)地存儲(chǔ)在晶體中的全息圖。利用體全息圖的布拉格選擇性，改變參考光的入射角度或波長(zhǎng)，就可在一個(gè)單位體積內(nèi)復(fù)用多幅圖像，實(shí)現(xiàn)多重存儲(chǔ)，達(dá)到超高密度存儲(chǔ)的目的。

全息存儲(chǔ)具有以下特點(diǎn)：

(1)存儲(chǔ)密度高、容量大：在可見光譜中存儲(chǔ)密度可達(dá)1012bits/cm3[8];

(2)數(shù)據(jù)冗余度高：全息記錄是分布式的，存儲(chǔ)介質(zhì)的缺陷和損傷只會(huì)使所有信號(hào)的強(qiáng)度降低，而不致于引起數(shù)據(jù)丟失;

(3)數(shù)據(jù)傳輸速率高：信息以頁(yè)為單位，并行讀寫，從而達(dá)到極高的數(shù)據(jù)傳輸率。目前采用多通道并行探測(cè)陣列的全息存儲(chǔ)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸率有望達(dá)到1Gbyte/s;

(4)尋址速度快：參考光可采用聲光、電光等非機(jī)械式尋址方式，數(shù)據(jù)訪問時(shí)間可降至亞毫秒范圍或者更低;

(5)存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)：存儲(chǔ)介質(zhì)記錄的信息可以保持30年以上。

體全息存儲(chǔ)的研制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)TB量級(jí)的存儲(chǔ)容量和1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸率，美國(guó)的Inphase公司和日本的Optware公司已經(jīng)取得了令人矚目的成就，而且在商品化進(jìn)程中取得了很大的進(jìn)展 。同時(shí)，體全息存儲(chǔ)發(fā)展也存在著很多的難題 ， 主要就是尋找一種同時(shí)兼具性能、容量和價(jià)格方面綜合優(yōu)勢(shì)的存儲(chǔ)材料。

光子三維存儲(chǔ)

存儲(chǔ)材料中的激活中心，在光激發(fā)下使電子產(chǎn)生躍遷而達(dá)到光存儲(chǔ)的目的，稱光子存儲(chǔ)( photo induced optical memory)。它是一種不經(jīng)過材料吸收光子后產(chǎn)生熱效應(yīng)階段而形成的光存儲(chǔ)，區(qū)別于目前一般應(yīng)用的光熱存儲(chǔ)方式。主要研究包括光譜燒孔存儲(chǔ)和雙光子吸收三維存儲(chǔ)。

1、光譜燒孔存儲(chǔ)

固體機(jī)制中的摻雜分子由于局域環(huán)境的差異出現(xiàn)能級(jí)的非均勻加寬。當(dāng)用窄頻帶激光照射后，在摻雜分子吸收帶內(nèi)，在激光頻率處出現(xiàn)吸收的減小，這種現(xiàn)象稱為光譜燒孔。該燒孔可以用相同頻率的激光讀出。由于可通過改變激光頻率在吸收帶內(nèi)燒出多個(gè)孔，即利用頻率維變量來(lái)記錄信息，從而可以在一個(gè)光斑存儲(chǔ)多個(gè)信息。

光譜燒孔包括單光子光譜燒孔和雙光子光譜燒孔。兩類材料的光子選通燒孔均在低溫下進(jìn)行，由于目前材料的電子俘獲陷阱深度較淺，導(dǎo)致燒孔的孔深也較淺，而且在序列燒孔過程中，先燒出的孔容易出現(xiàn)逐漸被填充的現(xiàn)象，因而尋找室溫下能燒孔的材料是關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)外主要研究?jī)深惒牧象w系：Sm離子摻雜的無(wú)機(jī)材料體系以及給體和受體電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的有機(jī)材料體系。

2、雙光子吸收三維存儲(chǔ)

雙光子吸收三維記錄的基本原理是：兩種光子同時(shí)作用于某種介質(zhì)時(shí)，能使介質(zhì)的原子中某一特定能級(jí)上的電子激發(fā)至另一穩(wěn)態(tài)，并使其光學(xué)性能發(fā)生變化，若使兩個(gè)光束從兩個(gè)方向聚焦至材料的空間同一點(diǎn)時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)三維空間的尋址與讀寫。利用材料折射率、吸收度、熒光或電性質(zhì)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)[10]，能實(shí)現(xiàn)T bits/cm3的體密度，可達(dá)到4MB/s的傳輸率。國(guó)際上最有代表性的是美國(guó)加州大學(xué)San Diego分校及Call&Recall公司100層的記錄方法。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)從1995年開始從事這方面的研究，初步建立了針對(duì)有機(jī)介質(zhì)的記錄物理模型并完成了對(duì)雙光子記錄介質(zhì)特性測(cè)試專用設(shè)備的研制。

雙光子吸收三維存儲(chǔ)原理基于能級(jí)的躍遷，材料的響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到皮秒量級(jí)，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度體存儲(chǔ)，理論上的分辨率可達(dá)到分子尺度。但由于大多數(shù)材料的雙光子吸收截面很小限制了其應(yīng)用，因而要使雙光子三維存儲(chǔ)走向?qū)嵱没?/span> 就必須開展對(duì)存儲(chǔ)材料的研究。

多階光存儲(chǔ)技術(shù)

多階光存儲(chǔ)是目前國(guó)內(nèi)外光存儲(chǔ)研究的重點(diǎn)之一，緣于它可以大大地提高存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)傳輸率。在傳統(tǒng)的光存儲(chǔ)系統(tǒng)中，二元數(shù)據(jù)序列存儲(chǔ)在記錄介質(zhì)中，記錄符只有兩種不同的物理狀態(tài)，例如只讀光盤中交替變化的坑岸形貌。如將數(shù)據(jù)流調(diào)制成M進(jìn)制數(shù)據(jù)(M>2)，令調(diào)制后的數(shù)據(jù)與記錄介質(zhì)的M種不同物理狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，即可實(shí)現(xiàn)M階存儲(chǔ)。如圖所示的坑深調(diào)制多階存儲(chǔ)，就是通過改變信息符的深度來(lái)實(shí)現(xiàn)多值存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)流經(jīng)調(diào)制轉(zhuǎn)換成盤基多種不同坑深的變化，即可實(shí)現(xiàn)多階坑深存儲(chǔ)。

多階光存儲(chǔ)分為信號(hào)多階光存儲(chǔ)和介質(zhì)多階光存儲(chǔ)。

其早期方案是坑深調(diào)制(PDM：Pit Depth Modulation)。在這種多階只讀光盤中，信息坑的寬度固定為t min，信息坑的深度具有M種不同的可能，代表著不同的階次。不同深度的信息坑，其讀出光呈現(xiàn)不同光強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)多階坑深調(diào)制。Sony公司研發(fā)的是利用信息坑邊沿相對(duì)于固定時(shí)鐘的變化，進(jìn)行多階信息存儲(chǔ)，即利用信息坑長(zhǎng)度的變化實(shí)現(xiàn)多階光存儲(chǔ)。信息坑的起始和結(jié)束邊沿相對(duì)于時(shí)鐘邊沿都可以按一定的步長(zhǎng)變化。若信息坑的起始和結(jié)束邊沿的可能位置數(shù)均為 8，那么一個(gè)信息坑的邊沿變化可能出現(xiàn)64種狀態(tài)，信息坑可存儲(chǔ)6比特(byte)的信息，因此顯著高于傳統(tǒng)光盤的記錄密度。

有多種介質(zhì)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)多階光存儲(chǔ)。在電子俘獲多階技術(shù)中的光盤的記錄層中摻雜有兩種稀土元素，當(dāng)?shù)谝环N摻雜離子吸收短波長(zhǎng)激光的光子后，其電子被激發(fā)到高能級(jí)狀態(tài)，該電子可能被第二種摻雜離子“俘獲”，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入。用另一長(zhǎng)波長(zhǎng)激光( 例如紅光) 將俘獲的電子釋放到原來(lái)的低能級(jí)狀態(tài)，存儲(chǔ) 的能量以熒光的形式釋放出來(lái)，由于發(fā)出的熒光強(qiáng)度與俘獲的電子數(shù)量成比例，同時(shí)也與寫入激光的強(qiáng)度成比例，該寫入/讀出過程具有線性響應(yīng)，使得電子俘獲材料適用于數(shù)字光存儲(chǔ)。電子俘獲光存儲(chǔ)的反應(yīng)速度快，可以實(shí)現(xiàn)ns時(shí)間的讀寫。

近場(chǎng)光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)

傳統(tǒng)光驅(qū)使用包含物鏡的光學(xué)頭進(jìn)行寫、讀、擦操作，由于物鏡距盤片記錄層多為幾個(gè)毫米，屬于遠(yuǎn)場(chǎng)光存儲(chǔ)方式，光無(wú)法聚焦成直徑小于半波長(zhǎng)的點(diǎn)，存儲(chǔ)密度受到了限制。近場(chǎng)光學(xué)存儲(chǔ)采用的是近場(chǎng)光，它是由記錄介質(zhì)與光源在小于半波長(zhǎng)量級(jí) 的距離時(shí)獲得的隱失光。隱失光為非傳輸光，當(dāng)距離超過波長(zhǎng)量級(jí)時(shí)迅速衰減到接近于零。近場(chǎng)光學(xué)存儲(chǔ)的基本原理就是通過亞波長(zhǎng)尺寸的光學(xué)頭和亞波長(zhǎng)尺寸的距離控制，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺寸的光點(diǎn)記錄。只要將光學(xué)存儲(chǔ)介質(zhì)放在近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡中，保持光學(xué)探針與存儲(chǔ)介質(zhì)的距離在近場(chǎng)范圍內(nèi)，則在存儲(chǔ)介質(zhì)中形成的記錄點(diǎn)尺寸就可能在亞波長(zhǎng)量級(jí)內(nèi)，從而克服衍射極限，實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)。

與其它超高密度存儲(chǔ)方法相比，近場(chǎng)光學(xué)存儲(chǔ)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)高密度、大容量：讀寫光斑小，大大提高了存儲(chǔ)的密度，使得存儲(chǔ)容量有了很大提高。隨著近場(chǎng)光存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)一步完善，還可以獲得比較高的數(shù)據(jù)傳輸速率;

(2)可充分利用已有存儲(chǔ)技術(shù)：如硬盤驅(qū)動(dòng)器中的空氣懸浮磁頭技術(shù)和光 盤存儲(chǔ)中的光頭飛行技術(shù)，而不必另外再去進(jìn)行新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)，因而有助于減低產(chǎn)品的價(jià)格，增加競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

光存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及展望

記錄密度高是光存儲(chǔ)技術(shù)最突出的特點(diǎn)，也是用作計(jì)算機(jī)外設(shè)最具吸引力的方面。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和制造工藝的改善，磁記錄技術(shù)也在不斷取得新的進(jìn)展。目前，與磁盤相比，光盤單機(jī)的存儲(chǔ)容量已無(wú)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而存取速度差距并無(wú)明顯縮小。因此，提高記錄密度，從而提高光存儲(chǔ)的容量，以及提高讀寫速度是光存儲(chǔ)技術(shù)研究工作的主要方向。

超高密度光存儲(chǔ)技術(shù)代表著信息存儲(chǔ)的發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)的非常激烈。相對(duì)于國(guó)外的發(fā)展態(tài)勢(shì)，國(guó)內(nèi)仍然存在一定的差距。光存儲(chǔ)方向的研究，是為了滿足日益發(fā)展的信息技術(shù)的需要，所以，各種存儲(chǔ)技術(shù)都是以提高存儲(chǔ)容量、密度、可靠性和數(shù)據(jù)傳輸率作為主要發(fā)展目標(biāo)。

更多相關(guān)資訊，敬請(qǐng)關(guān)注“成都吉福匯”，服務(wù)熱線：400-028-4366/028-85538251