激光存储技术..

一.激光存储的基本原理、分类及特点原理：利用材料的某种性质对光敏感。带有信息的光照射材料时，该性质发生改变，且能够在材料中记录这种改变，这就实现了光信息的存储。用激光对存储材料读取信息时，读出光的性质随存储材料性质的改变而发生相应的变化，从而实现已存储光信息的读取。分类：1.按数据存取方式可分为光打点式存储和页面并行存储2.按存储介质的厚度可分为二维存储和三维存储3.按鉴别存储数据的方式可分为位置选择存储和频率选择存储•光存储技术的特点1．数据存储密度高、容量大。理论估计光储存的面密度为1/λ2（其中λ是用于光存储的波长）的数量级，存储的体密度可达1/λ32.寿命长。磁存储的信息一般只能保留2－3年。而光存储只要其介质稳定，寿命一般在10年以上。3.非接触式读/写和擦。用光读/写不会磨损和划伤存储介质，这不仅延长了存储寿命，而且使存储介质易于更换、移动，从而更易实现海量存储。4.信息位价格低。由于光存储密度高，其信息位价格可比磁记录的低几十倍5.光存储还有并行程度高，抗电磁干扰性能二.激光光盘存储•1.基本原理光盘存储包括信息“写入”和“读出”两个过程。在信息的“写入”过程中，首先用待存储信息调制写入激光的强度，并使激光聚焦在记录介质中，形成极微小的光照微区，其光照区发生相应的物理、化学变化（反射率、折射率、偏振特性或其它特性），这样记录介质上有无物理、化学性质的变化就代表了信息的有无，从而完成信息的“写入”。在信息的“读取”过程中，用低强度的稳定激光束扫描信息轨道，随着光盘的高速旋转，介质表面的反射光强度（或光的其他性质）随存储信息区域的物理、化学性质变化而发生变化。用光电探测器检测反射光信号并加以解调，便可取出所存储的信息•光盘是在衬盘上淀积了记录介质及其保护膜的盘片，在记录介质表面沿螺旋形轨道，以信息斑的形式写入大量的信息，其记录轨道的密度达1000道／mm左右。可见信息斑越小，光盘的存储密度越大。由于物镜衍射极限影响焦点处光汇聚的最小直径（约为λ/（2NA），其中NA为物镜的数值孔径），因此光盘的存储密度为(NA/λ)2。光盘物镜激光器准直镜探测器分束器基本的激光光盘系统图0.6μm由凹坑和凸区组成的螺旋形光道激光光盘记录斑示意图2.激光光盘的类型•计算机控制的数字光盘存储技术，按读写功能划分主要有如下四种：(1)只读存储(Readonlymemory)光盘只读式存储光盘的记录介质主要是光刻胶，记录方式是先将信息刻录在介质上制成母盘，然后进行模压复制大量子盘。这种光盘只能用来播放已经记录在盘片上的信息，用户不能自行写入。(2)一次写入光盘WORM(WriteOnceReadMemory，或称为DRAW，DirectReadAfterWrite)一次写人光盘利用聚焦激光在介质的光照微区产生不可逆的物理或化学变化写入信息。其写入过程主要是利用激光的热效应，记录方式有烧蚀型、起泡型、熔融型、合金型、相变型等很多种。这类光盘具有写、读两种功能，用户可以自行一次写入，写完即可读，但信息一经写入便不可擦除，也不能反复使用。这种光盘可用于文档和图像的存储。(3)可擦重写光盘(Rewrite，或Erasable—DRAW即EDAW)这类光盘顾名思义可多次写入、读取信息，但写入前需先将已有的信息擦去，然后再写入新的信息，即写、擦信息是分开的两个过程。写入时先用擦激光将某一信道上的信息擦除，然后再用写激光将新信息写入。可见这种先擦后写的两步过程限制了数据的存储速率，因而尚未应用到计算机系统的随机存取存储器(RandomAccessMemory．RAM)，但它在海量脱机存储和图像数字存储方面应用广泛。目前它的记录介质主要是磁光型(热磁反转型)存储材料。(4)直接重写光盘(overwrite)可擦重写光盘需要擦、写两次动作完成信息的更换，这使光盘数据传输速率受到限制。直接重写光盘用一束激光，一次动作在完成写入新信息的同时自动擦除原有信息，这种光盘利用某些材料在激光作用下可实现晶态与非晶态间相互转化的特性，使记录介质在写入激光束的粒子作用下快速晶化，从而实现信息的存储。这种光致晶化的可逆相变过程非常快，当擦除激光脉宽与写入激光脉宽相当时(20～50ns)，相变光盘可直接进行重写，从而大大缩短了数据的存取时间。3.激光光盘存储器激光光盘存储器由光存储盘片及其驱动器组成。驱动器提供高质量读出光束、引导精密光学头、读出信息、给出检测光盘聚焦误差信号并实现光束高精度伺服跟踪等功能。光盘存储器的光学系统一般都采以半导体激光器作为光源，采用一束激光、一套光路进行信息的写／读(如只读存储器及一次写入存储器)；或用两个独立的光源、配置两套光路，一套用来读／写，另一套用来擦除(如可擦重写存储器)。直接重写式相变光盘存储器，只需一束激光、一套光路完成全部读、写、擦功能，可与一次写入存储器兼容。图9-29光盘存储器的双光束光学系统器件1—8、10－13构成写／读光路，器件14－19、5－8、20-21构成擦除光路，9是可擦重写的光盘。其中关键器件的作用如下：1---写／读激光器(0．83μm)；5---二向色反射镜，它只反射特定波长的入射光；11---刀口，将从光盘反射回来的激光分割为两部分，分别进入探测器12和13，得到读出和聚焦、跟踪误差信号；18、19---一对正、负柱面透镜，改变光束为椭圆截面，以利擦除；17---偏振分束器；14---擦除激光器。光盘存储器的光学系统大致可分为单光束光学系统和双光束光学系统两类。单光束光学系统适合于只读光盘和一次写入光盘，具备信息的写／读功能，而双光束光学系统用于可擦重写光盘。激光光盘存储技术具有低成本、可大量模压复制等优势，这是其他光存储技术难于替代的。但目前光盘的直接重写性能仍然不及磁盘，所以光盘存储技术在提高其存储密度优势的同时，正在继续提高其数据存储、传输速率。随着短波长激光技术和其它光学存储技术的成熟以及新存储介质材料的发现，激光光盘存储技术还将有更大的发展。三.体全息光存储1.高冗余度。信息以全息图的形式存储在一定的扩展体积内，因而具有高度的冗余度。在传统的磁盘或光盘存储中，每一数据比特占据很小的空间位置，当存储密度增大，存储介质的缺陷尺寸与数据单元大小相当时，必将引起对应数据失真或丢失，而对全息存储来说，缺陷只会使得所有的信号强度降低，而不致于引起数据丢失。2.存储容量大。利用体全息图可在同一存储体积内存储多个全息图，有效存储密度很高，该值在可见光谱区中约为1012bits/cm3。存储密度的理论极限值为1/λ3（其中λ为光波波长）。特点3.数据并行传输。信息以页为单位并行读取，因而具有极高的数据传输率，其极限值主要由I/O（输入/输出）器件来决定。目前多信道CCD探测阵列的运行速度已达到128MHz/s，采用并行探测阵列的全息存储系统的数据传输率将有望达8Gbits/s。4.寻址速度快。参考光可采用声光、电光等非机械式寻址方式，因而系统的寻址速度很快，数据访问时间可降至亚毫秒范围或更低。5.关联寻址功能。块状角度复用体全息存储用角度多重法存储多个全息图，读出时若用物光中的某幅图像光波（或其部分）照射其公共体积，则会读出一系列不同方向的“参考光”，其强度大小代表对应存储图像与输入图像之间的相似程度，利用此关联特性，可以实现关联寻址操作。体全息存储的原理•根据光波干涉原理，当信号光和参考光都是平面波时，在一定厚度的记录介质内部会形成等间距的、具有平面族结构的体光栅，从而实现对光信号的存储•光信号存储时，待存储的信号光O和参考光R分别以角度θ1和θ2入射到介质内，形成的条纹面与两束光的夹角θ满足关系式θ＝(θ1－θ2)/2，该等间距的平面族结构被记录并形成体光栅（其光栅常数Λ满足布拉格条件：2Λsinθ=λ，其中λ为光波在介质内传播的波长），从而实现某波长光信号在某角度下的存储。•体全息图对再现光的衍射作用与布拉格晶体对X射线的衍射现象相似，也满足布拉格条件：2Λsinα=λ，式中α称为布拉格角。图b是其再现示意图。只有满足布拉格条件的再现光才能得到最强的衍射光，任何对布拉格角和光波长的偏离都会使衍射光急剧衰减，即布拉格条件表现出很强的选择性。当某一波长的光以某一角度入射到存储介质的某一区域（该区存有数据信息）时，如果出现较强的、满足布拉格条件的衍射光，则表示该区域在该波长和角度下的存储信息为“1”，反之则为“0”。由此可见，体全息可采用波长复用和角度复用来实现超高密度存储。全息存储的应用(1)数字数据的存储1997年，一个集成化的角度复用全息存储模块由Drolet等人设计出来。该模块包括一个BaTiO3光折变晶体、一对液晶光束偏转器（图中只能见到一个，另一个在晶体后面）和光电子集成电路(OEIC包括光电子SLM、探测器、刷新器等)。此模块的优点是：采用共轭读出方式，再现光逆向经过信号光束记录时所通过的路径（从SLM到记录介质），不需要额外的再现光路和成像光路；另外共轭读出方式还校正了读出光的线性相位畸变。其中OEIC的每个像素都具有存储、光探测和调制功能，它本身可完成像素之间的局部数据传输（如探测器到存储器，存储器到调制器），具有动态刷新的功能。•(2)超大容量全息存储器•人们利用体全息材料进一步研究超大容量的全息存储技术，目前已经发展了几种盘式全息存储的方案，如三维盘式全息存储方案就是实现超大容量存储的一种途径。•出基于全息存储技术的分块盘式全息存储示意图，图中沿盘面上的同心圆轨道上划分为互不重叠的空间位置(全息块)，每个位置上复用存储大量全息图。可用傅里叶全息图也可以用像面全息图的形式记录物信息，参考光采用平面波。复用方式可以是角度复用、波长复用或相位复用。研究发现：角度复用和波长复用可以存储的全息图总数大致相同，但波长复用有着更高的面密度。全息盘潜在的高数据传输率不是依靠盘面转速的提高，而是通过整页并行读出实现的，这也将相应地缓解系统对高速机械运动的要求图9-32分块式全息存储盘的示意图堆叠的全息图参考光图9-31紧凑型集成化的角度复用全息存储模块共轭参考光束液晶光束偏转器BaTiO3参考光束OEIC盘四.激光存储技术的新进展•电子俘获存储技术一种适用于未来大容量计算系统的理想存储器必须同时具有高存储密度、高存取速率和长寿命三个特点。电子俘获存储方式可具有这些特点，它是通过低能量激光去俘获光盘特定斑点处的电子来实现存储的，它是一种高度局域化的光电子过程。理论上讲它的写、读、擦不受介质物理性能退化的影响。最新开发的电子俘获材料的写、读、擦次数已达108次以上，且写、读、擦的速率快至纳秒量级。因此，借助于电子俘获材料的固有特性，可以使激光存储密度远远高于其他类型的光存储介质。•光学双光子双稳态三维数字存储基于高速响应、锁模脉冲激光器的双光子吸收产生了光学双光子双稳态三维数字记录方法，其基本原理是根据两种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另一稳态，并使其光学性能发生变化，所以若使两个光束从两个方向聚焦至材料的同一空间点时，便可实现三维空间的寻址写入。利用材料折射率、吸收度、荧光或电性质的改变来实现信息存储。这种存储技术的光信号是由荧光读出，在未写入点无荧光（零背景），所以读出灵敏度很高。由于光信号的写入与读取属于原子对光量子的吸收过程，反应速度为皮秒级。最小记录单元的尺寸在理论上可达到原子级。这种方法能实现Tb/cm3的体密度、40Mb/s的传输速率。双光子存储技术的特点：•在双光束记录结构中，对各光束的峰值功率要求不太高•在单光束记录结构中，对光束的峰值功率要求很高，必须采用飞秒级锁模脉冲激光器•存储体的形状可采用立方体或多层盘片结构，以提高存储容量•记录信息的读取，普遍采用“共焦显微”系统以及CCD摄像头•对于光色变材料的记录信息可采用双光子读出或者单光子读出方案•在光色变存储方案中，掺杂AF240（2%）光色变分子（有机聚合物）的存储密度可达到100Gbits/cm3以上持续光谱烧孔技术•光盘存储通常称为“位置选择光存储”，三维全息存储称为“角度和波长选择光存