光电子-第7章光存储技术3

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近场光学存储76光全息存储DATE171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。DATE271光存储原理、分类、特点3、光学信息存储的一般特点存储密度高理论估计面密度为1/2；体密度为1/3，按500NM计算，存储密度为1TB/CM3。并行程度高提供并行输入输出和数据传输。抗电磁干扰存储寿命长磁存储23年；光存储10年以上。非接触式读写信息信息价格位低价格可比磁记录低几十倍。DATE372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，LVDLD，VCD，DVD。计算机外存设备光盘DATE4721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50DB以上；每一通道数据速率可达50MBIT/S以上。DATE5722光盘的类型按其功能划分主要有四种1只读存储光盘ROM2一次写入光盘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DATE6723光盘存储器根据光盘存储介质分类1单光束光学系统单光束光学系统DATE7723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写读光路擦除光路擦除光路写、读激光器写、读激光器波长波长083M擦除激光器擦除激光器波长波长078MDATE8723光盘存储器国内情况成都电子科技大学和北京航空航天大学分别研制成功的可擦重写磁光盘、直接重写相变光盘等；中国科学院上海冶金研究所国家光存储研究中心已建成各类光盘的母盘生产线；清华大学国家光盘工程研究中心致力于改进光盘驱动器及其关键部件，提高其性能和存储容量，减少搜寻时间，改进数据速率和存储数据的可靠性，同时进行新一代多功能光盘驱动器的开发，研制适合于各种无机和有机的一次写入和可擦除介质的双触长束多功能光学头。DATE9724光盘存储技术的进展1、光盘与磁盘比较存储密度磁盘的道距约10M，光盘的道距约LM据DATASTORAGEL998年2月报道。IBM已有突破磁盘存储密度10GBIT/IN2大关的实验室样机数据传输速率光盘的性能不及磁盘。DATE10724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08M缩短到04M，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100MBIT/S。DATE11724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044M的最小光斑尺寸和每层074M宽的道距，实现总数据容量为17GB。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255GB的超高容量。DATE12724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04GBIT/CM2，光盘容量35GB。数据传输率估计能达10MBIT/S红激光；超过100MBIT/S蓝激光。存储面密度极限光盘存储L0GBITCM2磁盘存储62GBITCM2DATE13724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GBITSTBITS。DATE1473双光子光学存储431存储原理双光子过程介质中的分子同时吸收两个不同光束中的两个光于而被激发到高的电子能态。当两光束沿不同方向照射并聚焦到材料的同一区域，确定了一个微小的重叠区域。在此区域中发生双光子过程后，分子发生了改变，使材料的理化特性改变，从而记录了一个信息位。432材料光致变色材料螺旋苯并毗喃SP聚甲基丙烯酸甲酯系统SPPMMADATE15733双光子三维存储器件系统描述DATE16733双光子三维存储器件1991年STRICKLER和WEBB首次报道存储密度03131012BITCM3材料液态丙烯酸盐与酯类的混合物DATE17实验的框图实验的框图733双光子三维存储器件DATE18734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NDYAG激光器的1064NM和532NM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513104。DATE19734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。DATE2074持续光谱烧孔光学存储光学存储限制一个信息位最小的聚焦体积在13的数量级，或1012/CM3左右。相应地，LBIT所占据的空间中含有106一107个分子。如果能用一个分子存储一位信息，存储密度便能提高106一107倍。关键问题要有适当的选择或识别分子的方法。持续光谱烧孔PSHB技术正是利用分子对不同频率的光吸收率不同来识别不同分子的。采用PSHB光学存储技术，有可能使光存储的记录密度提高34个数量级。DATE2175近场光学存储原理用近场光学方法在记录介质上获取超分辨的存储光斑，以实现高密度存储，例如1000GB/IN2技术探针型近场存储60NM100NM光斑超分辨近场结构存储（SUPERRENS）80NM光斑固体浸没透镜（SIL）125NM光斑DATE22SUPERRENS超分辨近场结构存储SIN/SB/SIN多层膜系SB开关层形成的纳米级孔径在记录介质上实现超分辨记录650NM激光物镜（NA085）SUPERRENS保护层（SIN170NM）孔径开关层（SB15NM）保护层（SIN20NM）DATE2376光全息存储光全息存储构成原理示意图DATE2476光全息存储光全息存储构成原理示意图DATE25角度复用的光学全息存储简介光学信息存储具有超大容量、并行、高速等特点。角度复用全息存储应用体光栅的角度选择性，通过记录角度的多次微小改变来存储多幅全息图，是目前国内外光学信息存储的研究前沿，具有重要的应用前景。原理由激光分束形成物光和参考光，其中物光由计算机通过空间光调制器产生，不同角度的参考光则由计算机控制的转镜构成。射入LINBO3晶体后，形成傅里叶变换体全息图，将物光所荷载的信息记录在晶体中。改变参考光或物光的角度，可以在晶体中存入多幅傅里叶变换体全息图。将参考光单独照射记录介质，就可以读出对应角度下存入的信息，还原记录的图形。DATE26角度复用的光学全息存储系统LA，激光器；ST,光束升降器；VBS，可调偏振分光镜；Q，半波片；SW1SW2，电子快门；M，反光镜；L1，准直镜；L2L3，成象透镜；FTL1FTL2，傅里叶变换透镜；SLM，空间光调制器；SP，空间（针孔）滤波器；RM，转镜C,FELINBO3VBSRMQSW2SW1STL2L3FTL1FTL1CSLML1MCRTSP计算机数字图象处理系统FFFFCCDLADATE27762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641013BIT/CM3采用面向页面的存储，容量可达到106BIT/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500GBIT或约63GB，这可以和RAID磁盘系统相比。DATE28762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。DATE29762全息存储的特点3、高数据传输速率和快存取时间数据传输速率10GBITS或约125GBS，使寻址一个数据页面的时间小于100S磁盘系统的机械寻址需要10MS记录时间1MBIT/SDATE30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全息存储同时具有容量大、数据传输率容量大、数据传输率高、数据搜索时间短高、数据搜索时间短三方面的优良性能三方面的优良性能DATE31762全息存储的特点4、可进行并行内容寻址全息存储器可以直接输出数据页或图像的光学再现；在再现出的光学像被探测到并被转换成电子数据图样之前，就可以对它们用光学方法进行并行处理，以提高存储系统进行高级处理的功能。DATE32762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DATE33762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。DATE34763回顾L60年代末发现光折变效应以后，在光折变晶体中全息存储一度成为热点，并曾提出过许多设计精巧的存储方案。L1975年美国RCA公司还首次报道了在1CM掺铁钮酸铿晶体中记录了500个全息图。这些早期的工作虽然很出色，但没有产生出实用的系统。L80年代，光学计算研究的热潮重新激起人们对全息存储的兴趣，国际上争相在存储方法和存储材料等方面加紧进行研究。DATE35763回顾L1991年美国NORTHROP公司在1CM3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108BIT/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。DATE36764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。DATE37764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1000MB/S的一次写入或可重复写入的全息存取系统；DATE38764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产品级性能标准作出定量测量；LCOLORADO大学将体全息存储应用于光学合成孔径雷达SAR成像和目标识别；LROCKWELL科学中