光电子-7、光存储技术 - visualbee

1,7、光存储技术,71 光存储原理、分类、特点72 光盘存储73 双光子光学存储74 持续光谱烧孔光学存储75 电子俘获光存储76 光全息存储,7.1 光存储原理、分类、特点,1、原理：只要材料的某种性质对光敏感，在被信息调制过的光束照射下，能产生理化性质的改变，并且这种改变能在随后的读出过程中使读出光的性质发生变化，都可以作为光学存储的介质。2、分类按介质的厚度：面存储、体存储；按数据存取：逐位存储、页面并行式存储；按鉴别存储数据：位置选择存储、频率选择存储等。,2,7.1 光存储原理、分类、特点,3,7.2 光盘存储,自60年代末美国ECD及IBM公司共同研制出第一片光盘以来，光盘存储技术发展之迅速出人意料。激光唱片(CompactDisk，CD)激光视盘(LaserVideoDisk，LVD)：LD，VCD，DVD。计算机外存设备：光盘,4,7.2.1 光盘存储的原理,激光经聚焦后可在记录介质中形成极微小的光照微区(直径为光波长的线度，即1m 以下)，使光照部分发生物理和化学变化，从而使光照微区的某种光学性质(反射率、折射率、偏振特性等)与周围介质有较大反衬度，可以实现信息的存储。光盘是按位存储的二维存储介质。记录轨道的密度可高达1000道mm以上。性能：信息载噪比(CNR) 均在 50 dB以上；每一通道数据速率可达 50 Mbit/s 以上。,5,7.2.2 光盘的类型,按其功能划分主要有四种：(1)只读存储光盘 ( ROM )(2)一次写入光盘 ( WORM；或称DRAW ) 烧蚀型 起泡型 熔绒型 合金型 相变型(3)可擦重写光盘( EDAW )：先擦后写(4)直接重写光盘：写同时擦除原信息,6,7,7.2.3 光盘存储器,根据光盘存储介质分类,(1)单光束光学系统,8,7.2.3 光盘存储器,(2)双光束光学系统：用于可擦重写光盘,写读光路,擦除光路,写、读激光器波长0.83 m擦除激光器波长0.78 m,7.2.3 光盘存储器,9,7.2.4 光盘存储技术的进展,10,7.2.4 光盘存储技术的进展,2、提高只读光盘的存储容量的主要方法采用短波长激光读写：激光波长由 0.8m缩短到 0.4m，记录的面密度可提高 4 倍。提高道密度和线密度：使用光道密度加倍法；使用区域比特记录法。开发多数据层的光盘：采取多光道并行存取技术例如：种双光学头的设计，采用 16 个激光二极管阵列并行存取，可使数据速率达到 100 Mbit/s。,11,7.2.4 光盘存储技术的进展,正在开发超高容量双面多数据层ROM例如，日本日立公司等研制的双面双数据层ROM，采用 0.44m 的最小光斑尺寸和每层 0.74m 宽的道距，实现总数据容量为 17 GB。研究表明，利用双面三数据层结构 ( 总共包括 6 个数据层 )，有可能实现 25.5 GB 的超高容量。,12,7.2.4 光盘存储技术的进展,3、进展：(1)相变光盘技术已经达到成熟的产品级水平。(2)直接重写光盘实现高数据率是当前研究的热点。容量：面密度0.4 Gbit/cm2 ，光盘容量3.5 GB。数据传输率：估计能达10 Mbit/s (红激光)；超过100 Mbit/s (蓝激光)。存储面密度极限：光盘存储 l.0 Gbitcm2磁盘存储 6.2 Gbitcm2,13,7.2.4 光盘存储技术的进展,3、进展：(3) 体积光学存储容量：达到TBcm3；存取时间：毫秒或亚毫秒；数据传输速率：Gbits - Tbits。,14,7.3 双光子光学存储,15,7.3.3 双光子三维存储器件,16,7.3.4 前沿进展,l研究具有宽的读出吸收线形和高的荧光效率新材料，可采用廉价的低功率读出光源(如发光二极管LED和经过滤光的灯)。l研究了光学擦除的方法1997年 Wang等人报道：在 lcmlcmlcm 的双光子材料中以页面方式记录了100个数据层，数据层间隔80 ，每层包含100100的随机位图，每位数据占据的 3030。记录采用倍频Nd：YAG激光器的1064 nm 和 532 nm 两个波长，读出采用氦氖激光器的绿色谱线来诱导荧光。用13161035像元的制冷CCD摄像头探测读出信号，直接测得误码率为5.1310-4。,17,7.3.4 前沿进展,l研究盘式双光子存储1997 年Cokgor 等人在单片盘式材料中利用双光子吸收记录了三层数据，并行地记录和恢复了二维数据阵列，从转速为1500rmin的盘中已经探测到荧光。l研究在室温下具有更长寿命的光致变色材料聚合物介质系统，为可擦除的存储(RWE)和只读存储(ROM)探寻适合的材料。,18,7.4 持续光谱烧孔光学存储,19,7.5 电子俘获光存储,20,7.5 电子俘获光存储,电子俘获光存储写人与读出的简单原理, 如图所示。,21,7.5 电子俘获光存储,当用写人光辐照时, 材料中产生大量的电子和空穴, 这些电子和空穴被俘获在晶体内部的陷阱中, 从而将辐射能量存储起来。当受到光激励时即读出光, 能量小于写人光, 陷阱中的载流子电子和空穴脱离陷阱而与发光中心复合发光。图1中, 过程1表示晶体受电离辐射产生跃过禁带的自由电子和空穴, 过程2、4表示自由电子被俘获并暂时存储在陷阱中, 过程3、5存储在陷阱中的电子和空穴在受可见光或红外光激励时跃迁出陷阱, 又处于自由状态, 过程6、7、8表示这些自由电子和空穴可以在材料中的某些发光中心离子的局域能级上发生复合, 而把它们所带的能量以一定波长的能量。,22,23,24,7.6 光全息存储,光全息存储构成原理示意图,25,7.6 光全息存储,光全息存储构成原理示意图,7.6.2 全息存储的特点,1、高冗余度：以全息图的形式存储的信息是分布式的，每一信息单元都存储在全息图的整个表面上(或整个体积中)，故记录介质局部的缺陷和损伤不会引起信息的丢失。2、高存储容量：光学极限为6.41013 bit /cm3采用面向页面的存储，容量可达到106 bit/ 页面，采用空间复用和共同体积复用相结合的技术存储500000个全息页面，可以得到总的存储容量为500 Gbit 或约 63 GB，这可以和RAID磁盘系统相比。,26,7.6.2 全息存储的特点,2、高存储容量1994年 Burr等人报道：10000个数据全息图/ 体积单元。复用50个体积单元 = RAID磁盘存储容量利用频率选择技术(PSHB)将存储维数扩展到四维，体全息存储器的容量还可能进一步提高。,27,7.6.2 全息存储的特点,28,29,各种存储技术的存储容量和数据传输速率的比较,全息存储同时具有容量大、数据传输率高、数据搜索时间短三方面的优良性能.,7.6.2 全息存储的特点,30,7.6.2 全息存储的特点,4、可进行并行内容寻址例如：(1)任何全息存储器通过工作在傅里叶变换域都能够执行相关操作;(2)采用适当的光学系统，有可能一次读出存储在整个全息存储器中的全部信息，或在读出过程中同时与给定的输入图像进行相关，完全并行地进行面向图像(页面)的检索和识别操作;,31,7.6.2 全息存储的特点,4、可进行并行内容寻址例如：(3)可以实现用内容寻址的存储器(CAM)，成为全光计算或光电混合计算的关键器件之一，在光学神经网络、光学互连，以及在模式识别和自动控制等应用领域(可以统称为光计算)中有广阔的应用前景。,32,7.6.3 回顾,33,7.6.3 回顾,l1991年美国Northrop公司在1 cm3 掺铁钥酸铿晶体中存储并高保真地再现了500 幅高分辨率军用车辆全息图；l1992年在同样的妮酸铿晶体中存储1000页数字数据并无任何错误地复制回数字计算机的存储器。l全息存储器可望存储几千亿字节数据，以等于或大于108 bit/s的速度传送数据，并在100s或更短的时间内随机选择一个数据页面。其它任何一种同时具有这三项优点的存储技术都没有体全息存储这样接近实用化阶段，这一事实在世界范围内再次引起体全息存储研究热潮。,34,7.6.4 进展,1、存储容量迅速提高l1994年美国加州理工学院在1cm3的掺铁钥酸铿晶体中记录了10000个全息图。l1994年斯坦福大学的研究小组把数字化的压缩图像和视频数据存储在一个全息存储器中，并再现了这些数据而图像质量无显著下降。l最近，美国、日本和一些欧洲国家的许多大公司和科研机构仍在不断提高体全息存储的记录密度和发展新型全息复用结构。,35,7.6.4 进展,2、全息存储技术的实用化系统l1995年由美国政府高级研究项目局(ARPA)、IBM公司的A1maden研究中心、斯坦福大学、GTE公司、Optitek公司、SRI 国际组织、休斯公司和Rockwell科学中心等联合成立了协作组织，在美国国家存储工业联合会(NSIC)主持下，投资约7000元，实施了光折变信息存储材料(PRISM)项目和全息数据存储系统(HDSS)项目，预期在 5 年内开发出具有容量为 1 万亿位数据、存取速率为1000 MB/s 的一次写入或可重复写入的全息存取系统；,36,7.6.4 进展,2、全息存储技术的实用化系统l1996年IBM公司研制出一台高分辨率自动全息存储系统试验床，可以对各种体全息存储材料的参数按照