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光电子论文指导老师：顾洁光储存原理及技术一 光信息存储原理1. 光信息存储原理在当今信息化的时代，信息的存储与处理已成为人们日常生活中不可缺少的一部分。从60 年代起计算机信息存储的快速推广，促进了磁存储介质的发展。这类存储介质具有随机存放、可擦写等优点，现今人们仍在普遍使用。但是，随着社会各个领域信息量的急剧增加，原有的信息记录材料和记录方式已不能满足日益增长的信息存储的需要。激光光盘是继缩微技术（始于40 年代）和磁性存储介质之后所发展起来的一种崭新的信息存储系统。它是通过用激光束照射旋转的记录介质层来改变记录介质对光的反射和透射强度，从而进行二进制信息的记录。激光光盘具有存储容量大、高清晰度高保真图象、数字式信号读取方式、读出速度快、保存时间长、价格低廉等特征，其诞生和发展无疑是信息革命的重大成就。依据其功能的不同，光盘可分为三大类型：只读型（Read only memory ,ROM ) ；一次写多次读型（Write once read many ,WORM ）和可擦写型（Erasable direct read after write , EDRAW ) . 光子存储尤其是可擦写型光子存储是当前国内外竞相研究的热点。其基本原理是基于光子同物质之间的直接相互作用，导致记录介质产生能够识别的物理和化学等性质的变化，从而达到信息记录的目的。光存储的类型有多种多样，其主要的存储机制有： （1）磁光存储其原理是由记录介质上各微磁化元的正反面来区分二进制的1 和O 两个状态。首先，对介质进行初始磁化，使各磁元具有相同的磁化方向；然后，将激光聚焦到某一微元上使其升温，该磁元的娇磁力迅速下降，此时由读写头中的线圈加一反偏磁场，则该磁元的磁化方向与原方向相反，从而实现了反差记录。由一定数量的微元可实现一个完整的信息记录。微元的大小与激光波长有关，波长越短则微元越小，从而单位面积的信息密度越大。 （2）光致变色存储光致变色是指一种物质在适当的光子作用下发生光化学反应导致材料吸收光谱的变化。这种变化在另一种光子或其它力（如热）的作用下，又可返回到起始状态，光致变色前后的状态A 和B 通过分子和材料的设计，可以实现不同时间刻度的双稳态。从信息存储的角度来看，合适能量的光子作用到A 上使其变为B 即可完成存储过程，在另一种能量的光子或热的作用下所记录的信息可以被擦除。由此可见，光致变色材料非常适合于可擦、重写型光存储。 （3）光子烧孔存储将光反应性分子以单分子形式分散在介质中，在低温环境中通过激光诱导可发生具有位置选择性的光化学反应，引起在非均匀加宽吸收光谱上有选择性地产生一个光谱孔（凹陷），实现信息记录。这是一种高密度存储方式，因为在二维存储中增加一个频率维度，即在一个微元处通过调谐激光频率可在非均匀增宽谱线上烧出多个孔，从而提高了光存储的密度。 （4）光折变存储无机光折变效应自60 年代发现以来有了长足的发展，许多无机光折变材料已商品化，并已应用于多种领域。有机光折变材料的研究仅仅开始于1990 年，却发展非常迅速，是目前国际上研究的热门课题。有机光折变材料的潜在应用非常广泛，包括高密度光信息数据存储，多种影像加工以及神经网络和联想存储器的模拟等。光折变效应的产生是基于介质的光物理和光化学过程。强度空间调制的光束使介质某处的电荷激发和再分布，电荷的再分布产生一个内部空间电荷电场，在该电场的作用下，介质的折射率发生改变，结果产生一种相位光栅效应，达到光信息存储的目的。 （5）热光存储其原理是利用激光束来破坏局部液晶分子取向，并使之冻结在玻璃态中，以达到存储信息的目的，即利用激光的热效应使记录介质在晶态和玻璃态之间发生可逆变化。所存储的信息可通过电场或升温方法来擦除。（6）四波混频存储四波混频是在介质中有四个光波相互作用所引起的非线性光学过程。一般而言，它来源于介质的三阶非线性极化。在简并的情况下（即相互作用的四个光波频率相同），四波混频信号光是其中一入射光波的相位共辘光波，这非常实用于自适应光学中的波前再现。通过四波混频可在介质中产生实时和永久性光栅，实现信息的光存储。 （7）全息存储全息存储是利用干涉记录，衍射再现的原理来实现信息的存储和再现，记录的全息图本身就是一个光栅。这种存储方法尤其适合于图像的存储和记录，不仅可记录存储图像的振幅信息，而且记录了存储图像相位信息。再现的存储图像具有明显的三维特性。全息存储作为一种高密度存储方式已被人们研究多年，并在许多领域得到了广泛地应用。其潜在的存储密度理论上可达1012 -1013 bits / c 时。全息存储的早期工作多集中于无机材料（如卤化银胶体等）。其最大的困难在于必须湿法显影和放大，因此就限制了它的推广和应用。80 年代有机全息材料的发现为全息存储的应用带来了广阔的前景。 （8）光电存储这是一种光电协同作用的存储技术。写入过程是利用扫描隧道显微镜（Seanning Tunneling Microscopy ,STM）探针对介质施加局部电场，同时大范围照光，在光电同时作用的区域光生载流子在运动过程中被材料的深能级俘获，介质内部发生永久性极化。这就是信息的存储过程。读出过程是在光照情况下，依靠STM 探针在短路或反偏压下扫描，在已记录的区域将出现放电现象，表现为短路电流。由于记录斑点的大小是由STM 探针施加电场的面积大小决定，这种光电存储技术的最高存储密度可达8 x 101 bits / c 讨。AJ Bard 等人用液晶叶琳作为存储介质对这种光电存储技术进行了详细的研究。由于样品内部存在深能级捕获位，载流子可被这些深陷井位长时间的捕获，捕获后的载流子在样品内形成内电场，使介质产生极化现象，只有在光照条件下才能发生放电和中和。电荷的捕获和中和过程则对应于信息的存储和擦除过程。 （9）光致分子取向存储利用偶氮类介质的光敏特性，在偏振光作用下使偶氮生色团重新取向可实现光信息的存储。偶氮化合物是一类重要的染料，它作为一种新型光信息存储介质，具有超高存储密度和非破坏性信息读出等特性已为人们所证实。它具有光致变色特性，在光致变色存储方面已开展了许多研究。偶氮苯体系的光致变色性是由于其中的-N = N -在光作用下发生顺反异构化而引起的。光致分子取向存储的机制是在线偏振激光作用下，偶氮生色团分子通过可逆的顺反异构化循环过程达到其取向的统一这样含偶氮的介质中将出现了偏振各向异性，介质表现出双折射现象。通过局部地写入光致各向异性或局部地擦除光致各向异性，可实现光信息的存储。光子存储的发展方向，概括起来是“高密度、高速度、高质量和高集成”。光子存储是信息科学中一个关键性的研究领域，它代表着信息存储的前沿和发展方向。因此，有关光信息存储的理论和实验研究具有重大的现实意义。 2. 磁光记录 (1) 磁光记录的基本原理 磁光效应是基于光与介质之间的磁化相互作用，而使光学参数发生变化的现象。记录介质采用矫顽力大的垂直磁化膜，其磁化方向垂直于膜面。记录时，用聚焦激光局部照射记录的部位，加热到居里点附近，这时Ms和Hc大幅度降低，接近于0；与此同时，在该处施加使磁化发生反向的一个小磁场，该部位就很容易发生磁化反转，从而实现单位记录，这种情况很类似熔融的火山岩很容易被地磁磁化的现象，这种记录方式是MO的优点之一。记录的信息通过激光利用磁克尔效应或法拉第效应读出。读出时激光不能使记录介质过热达到居里温度附近，其加热功率要比写入时功率低，转的现象称为磁克尔效应，透射时发生的偏振面旋转现象称为法拉第效应。在光盘中，磁化反转部分与其周围基体的磁化方向是相反的。因此，记录部分反射光偏振面旋转角与基体部分反射光偏振面旋转角之差等于磁克尔旋转角的2倍，调整检偏片角度，使其与基体的磁克尔旋转方向（k）相垂直，从而基体反射光被截止，仅能通过有记录位位置反射的2k的光，光量差由光点二极管进行光电变换，变为电信号，这就是信号读出原理。 (2)磁光记录材料 磁光记录材料应具有的特性最重要的一点就是记录介质层垂直磁化于膜面，并能稳定地保持小磁畴结构。另外需再生灵敏度高、高信噪比、低噪声等，这就必须选用磁克尔角大、反射率高的材料，且化学结构稳定、便于大面积成膜。稀土过渡族金属非晶态合金膜（RE-TM）中RE与TM磁矩整体排布，基本为铁磁性或亚铁磁性，这可使整体磁化强度较小，而使其得到很高的矫顽力，这是MO的优点之二。我们对RE-FeGo系做了一些试验，可以看到其组成与Tc与Ms/Hc的关系.一般情况下，稀土金属RE与过渡族金属TM不相容，只能组成金属见化合物。但通过真空蒸镀、溅射等气相沉积法可形成非晶态合金。 观察非晶态Gd-Fe,Tb-Fe,Tb-Co,DyFe各类合金膜中矫顽力Hc与稀土元素RE含量的相差性（室温下结果），当合金成分对应的磁补偿温度Tcomp与室温一致时，Hc发散，趋于无限大。因此，在选择磁光记录介质的成分时，要保证Tcomp在室温附近。 对于磁光盘来说，提高k极为重要，利用光在介电膜中的多重反射的多层复合膜可大大提高k。采用光强调制直接重写方式提高记录速度，其关键时记录层为多层耦合膜，包括记忆层和写入层。记忆层在室温下具有高矫顽力，且其居里温度低于写入层。在初始化过程中，记忆磁化层不受影响，激光可在三级光强间调制，即读出数据的Pr、写入数据0的RL、写入数据1的PH。 矫顽力Hc与稀土元素RE含量组成的关系达到109 bmm2水平的记录密度成为超高记录密度。我们采用电化学沉积纳米线技术，可获得超高记录密度。但是目前即使采用短波长的蓝色激光读取，其焦点直径约500 nm左右，只能达到107bmm2的读取密度，因此，更新的读取技术有待发展。 (3)磁光盘 MO是一种磁光介质的记录设备，它的全名为Magneto Optical，是80年代初的新技术，1989年开始进入市场。磁光（MO ）光盘是传统磁、光存储技术结合的产物。其原理是利用激光和强磁场同时作用于记录介质来实现信息的存取，数据记录是热磁过程，利用光的热效应写入信息，再利用磁光效应读出信息。MO 的磁性物质是夹在透明聚碳酸脂和玻璃之间的一层磁合金，这些磁性物质在高温下可以磁化。利用聚焦后的激光束照射在MO 盘的记录层形成极小的光斑，当光斑温度上升到居里点（约200 ）时，磁畴随外加磁场的作用改变磁化方向，当温度恢复到环境温度时，磁畴呈高矫顽力，从而实现数据的写入。擦除只需翻转外加磁场的方向即可。数据的读出利用了磁畴与激光作用所产生的克尔效应，即利用光头探测光盘表面反射回的低功率激光信号，通过判断反射光偏振面的旋转方向是顺时针还是逆时针(用于表示“0 ”或“1 ) 来决定读取的信息。由于MO 盘片磁性物质的磁化次数不限，所以MO 盘片就可以进行不限次数的读写测试表明它具有优异的性能：体积超小，驱动器的抗震性能好，安装不需要任何驱动程序，操作简便，读取速度超过了一些移动硬盘、大容量软驱等同类存储介质，且存储费用相对低廉。由于MO碟片的磁性物质的磁化次数是不限的，所以MO盘片可以进行不限次数地读写。不过磁性物质也会随着使用次数的增加与时间的延长而老化，但其可改写次数在50万次以上，一般来说，寿命也可达30年以上，所以仍可称为永久使用。 MO的工作原理 :MO所用的磁性物质，抗磁性超过软盘的十倍，这表示你记录在MO里的资料，不容易受其他磁场的干扰而破坏，不过要把新的资料写入MO，也需要十倍的磁场强度。不过磁性物质会由于温度升高而导致抗磁性的降低，再达到某个临界温度(称为居里温度，摄氏180度至200度)时，磁性物质甚至会成为非永久性的磁铁，在冷却到临界温度以下，磁性物质的永久磁性就会恢复。MO使用激光来加热磁碟表面，当某一点的磁性物质加热到接近居里温度时，磁头会产生磁场改变这个点的磁性，在磁性物质冷却之后，新的极性就会保留下来。 读取MO上的资料，是利用光通过磁场会产生偏极化的现象来实现的，由于激光是单一波长与单一方向的光线，本身磁场的振动方向与行进方向垂直，而且会因为其他磁场的影响而改变振动方向，所以把激光照射在磁碟表面上时，反射光的磁场振动方向会旋转一个角度，这个角度随照射点的极性而异，接着让反射光通过一个起偏振器，设定起偏振器只让某一个振动方向的光线通过，最后只要侦测光线振幅的改变，就可以获知媒体表面的极性。 MO在写入资料时，必须让磁碟经过磁头两次，因为资料是以一次512 bytes的区块写入，要改变某些点就必须改变整个磁区，因为不知道哪些点是1哪些点是0，所以在第一次经过磁头时，激光会加热磁区所有的点，磁头会把它们初始化为0，在第二次经过磁头时，激光只加热要设定为1的点，磁头则改变这些点的极性，所以写入MO的时间大约是读取时间的两倍。 二目前技术展望 资讯对储存容量需求日增，光存储技术在记录密度、容量、数据传输率、寻址时间等关键技术上有着巨大的发展潜力。业界一直在积极开发更高容量的各种储存技术。蓝紫色激光存储技术（Blue-VioletLaser）、磁光盘存储技术、做为硬盘（HDD）技术和磁光盘技术的结合的近场光盘技术超解析度储存技术（SuperRENS）、3D立体储存技术（MultiLayers；MultiLevel）以及荧光多层光盘技术FDM（FluorescentMultilayerDisc）等相继问世。 基本原理：传统和上有一层薄薄的反射层，和许多肉眼看不见的凹凸，它包含二进制信息。为了从这些盘片上读出数据，由一个半导体激光发生器产生特定波长的激光束，射向旋转中的光盘片，然后反射光通过棱镜和透镜构成的组镜机构再射向接收数据的光电装置，而这个光电装置连接的电路能够辩识出激光所反射回来的数据。在光盘上，数据是凹槽(pits)及平面(lands)的型式来加以编码，而光电装置的电路能辩识出激光射中的平面及射中凹槽的所走距离差这就称为相位提升(PhaseShift)，而这个技术就是在光盘中资料储存与读取的基矗经由光电读取装置，反射回到的凹槽与平面的变化将会转换成1与0的数位讯号，从而构成数据流特征。之所以容量比大，无非是在同样面积的盘片上凹凸更多罢了。若要有效地缩小记录点大小以提升记录密度，必须使用短波长的光源；或者使用高折射系数的介质；或者提升透镜的NA（数值孔径）值。显然在一个存储容量巨大的盘片上，红色激光根本无法辨识那么多更密集的凹凸了。因此索尼及其它公司纷纷转向蓝色激光的研究。蓝色激光的波长较短，因此驱动器可以辨识出更小半径的凹凸，盘片的容量就可以做的更大。现在的蓝光盘技术不管是日欧韩9家AV产品制造商联合制定的新一代光盘规格蓝光光盘，还是东芝和NEC向DVD论坛提出的AOD（高级光盘，暂定名）规格，只不过是商家为自己谋求更高的商业利润而制定的不同的标准罢了。就核心技术上而言，没有太大的区别。让我们再深入了解一下蓝光盘和高密度光存储技术的发展趋势。 1、蓝光盘技术 蓝光盘技术属于相变光盘（PhaseChangeDisk)技术，它与传统光盘记录不同，传统光盘的记录和读出原理是利用磁技术和光技术相结合来记录和读出信息，而相变光盘的记录和读出原理只是用光技术来记录和读出信息。相变光盘利用激光使记录介质在结晶态和非结晶态之间的可逆相变结构来实现信息的记录和擦除。在写操作时，聚焦激光束加热记录介质的目的是改变相变记录介质晶体状态，用结晶状态和非结晶状态来区分0和1；读操作时，利用结晶状态和非结晶状态具有不同反射率这个特性来检测0和1信号。 实际的蓝光盘应用蓝紫色激光技术，能在直径12公分的盘片上，储存两小时的高清晰度视音频信号，在2002年2月发布的初期版本中，透过使用405nm的蓝紫色电射半导体，NA（数值孔径）值为0.85的读取头、以及0.1mm的光学透射保护层架构，蓝光盘可以将12公分的单面光盘片资料储存容量提升到27GB。它可以记录两小时的高清晰度视音频信号，以及超过13小时的标准电视信号。 在资料转换率方面，蓝光盘可以将高清晰度的电视节目，以36Mbps的速度从摄像机转换到播放媒体上，并能维持节目品质。另外，它还具有任意影像捕捉，以及重覆播放等功能。 在兼容性方面，由于蓝光盘采用MPEG2码流压缩技术，因此它同时适用于数字广播系统，可执行电视台多种视频记录与播放。 另外，在资料安全性部分，蓝光盘也采用了一种独特的ID写入模式，可确保资料安全，并为盗版问题提出一套保护版权的解决方案。 2、高密度光存储技术的发展趋势 （1）采用近场光学原理设计超分辨率的光学系统，使数值孔径超过1.0，相当于探测器进入介质的辐射场，从而能够得到超精细结构信息，突破衍射极限，获得更高的分辨率，可使经典光学显微镜的分辨率提高两个数量级，面密度提高4个数量级。 （2）以光量子效应代替目前的光热效应实现数据的写入与读出，从原理上将存储密度提高到分子量级甚至原子量级，而且由于量子效应没有热学过程，其反应速度可达到皮秒量级（1O-12秒），另外，由于记录介质的反应与其吸收的光子数有关，可以使记录方式从目前的二存储变成多值存储，使存储容量提高许多倍。 （3）三维多重体全息存储，利用某些光学晶体的光折变效应记录全息图形图像，包括二值的或有灰阶的图像信息，由于全息图像对空间位置的敏感性，这种方法可以得到极高的存储容量，并基于光栅空间相位的变化，三维多重体全息存储器还有可能进行选择性擦除及重写。 （4）利用当代物理学的其它成就，包括光子回波时域相干光子存储原理、光子俘获存储原理、共振荧光、超荧光和光学双稳态效应、光子诱发光致变色的光化学效应、双光子三维体相光致变色效应，以及借助许多新的工具和技术，诸如扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、光学集成技术及微光纤阵列技术等，提高存储密度和构成多层、多重、多灰阶、高速、并行读写海量存储系统。 3、新型光盘技术的应用 大量的信息要求有大容量的存