光存储技术的现状及发展趋势

1、光存储技术的现状及发展趋势0引言信息资料迅速增长是当今社会的一大特点。有人统计，科技文献数量大约每7年增加1倍，而一般的情报资料则以每2年3年翻一番的速度增加。大量资料的存储、分析、检索和传播，迫切需要高密度、大容量的存储介质和管理系统。磁存储和光存储作为当今数据存储的两种常用方式，具有各自的特点。磁存储应用较早，适合与计算机联用，信息存取方便、可靠，技术相对成熟，得到了广泛的应用；光存储的发展及应用则是随着激光技术的发明，步入了高密度光学数据存储的新阶段，指明了未来数据存储的新方向。1传统磁存储理论及应用人类很早就知道某些物质具有铁磁性。近代的研究结果揭示了铁、钻、锲及一些稀土元素存在的能够

2、在外部磁场中磁化并保持磁化状态的磁性现象称为铁磁性,铁磁性名称的由来是因为铁是具有铁磁性物质中最典型也是最常见的铁磁性物质的组成原子一般都具有不满的电子层。某些组成部分的原子不是铁磁性的合金也具有铁磁性，称为赫斯勒合金。铁磁性物质的宏观表现一般为没有磁性，或者其磁性非常弱。但是在一个足够强的外部磁场中，磁畴中的原子的磁矩会随着外部磁场矢量方向的变化而变化，在外部磁场消失后这些磁畴中原子的磁矩会继续保持为变化后的同一的指向。这个同一的指向在变化后的磁场与临时的外部磁场之间的关系由磁滞曲线来描述。虽然这个排列整齐的磁畴的总体能量并非总是最低的，但是它可以保持为非常稳定的状态。在自然界中，铁磁性的氧

3、化铁粒子的磁化方向能够指向它形成时的地磁场方向并且保持百万年之久。这种磁化后的铁磁性物质能够保持永久磁化方向的特性被用来进行传统的磁存储应用101898年荷兰的ValdemarPoulsen发明了世界上第一个磁记录设备：磁线录音机，从此，开始了传统的磁记录应用实践。在随后的一个多世纪里面，出现了多种不同种类的磁记录设备：磁带机，磁芯存储器，磁盘等等。虽然有大量不同的磁存储设备出现，但是磁记录的基础原理仍然是上述的铁磁性材料能够保持外磁场磁化方向的特性。传统的磁记录的写入原理是将随时间变化的电信号转换为在线性或者旋转的铁磁性材料中的磁化强度和方向的空间变化，传统的磁记录读出原理是将分布于磁性材料

4、中的磁化方向和强度的空间变化，通过线性或者旋转运动，利用磁电转化元件，转换为随时间变化的电信号。不久以前，磁记录的读入还在采用经典的利用在软磁材料和线圈组成的读磁头与磁化的存储介质相对移动获得感生电流来得到存储介质上磁化强度变化的方式来进行。但是，随着记录密度的提高（目前的硬盘记录密度已经能够达到30Gb/cm2）,能够获得的感生电流的强度和信噪比已经过小，造成读入设备的误码率已经不能达到要求。因此，新的读磁头采用了磁旋阀读出磁头或者磁致隧道效应磁头等应用量子势垒效应的读出方式。读出器件的原理是利用随磁场强度和方向的变化导致的读出器件的电阻变化来获得随时间变化的电流信号。利用巨磁阻效应和隧道效

5、应的磁头是目前高容量硬盘的主要器件。目前的磁记录这依赖于记录介质以及读、写器件的不断发展而得到。目前容量最大的硬盘已经能做到10002000GB的容量，在可以预见的将来，更高数量级的存储能力也是能够实现的。2光存储技术的原理及特点计算机和信息产业的发展使越来越多的信息内容以数字化的形式记录、传输和存储，对大容量信息存储技术的研究也随之不断升温。激光技术的不断成熟，尤其是半导体激光器的成熟应用，使得光存储从最初的微缩照相发展成为快捷、方便、容量巨大的存储技术，各种光ROM纷纷产生。与磁介质存储技术相比，光存储具有寿命长、非接触式读/写、信息位的价格低等优点。光存储的基本原理光存储技术是用激光照射

6、介质，通过激光与介质的相互作用使介质发生物理、化学变化，将信息存储下来的技术2。其基本物理原理是：存储介质受到激光照射后，介质的某种性质（如反射率、反射光极化方向等）发生改变，介质性质的不同状态映射为不同的存储数据，存储数据的读出则通过识别存储单元性质的变化来实现网。作为光储存方式，已有近百年的发展历史。常见的照相术就是最早的光存储技术。无论是胶片感光灵敏度、分辨率、色彩，还是照相仪器，都取得了长足的进步，不仅能拍摄静止景物，还能通过电影、电视将活动图像记录和再现。然而,包括全息照相在内的照相术，都属于模拟光存储范畴，它在存储容量、存储密度及传输速率等方面都受到一定限制。随着信息社会的发展，特

7、别是激光的出现和计算机的日益普及，数字光储技术开始兴起，数字光盘的诞生成为存储技术的一项重大突破40下图1示出数字光盘存储的基本原理。'一保护层局部示意图图1数字光盘存储基本原理迄今为止，绝大部分商品化光盘存储系统中所用的记录介质的记录机理都是热致效应。利用从激光束吸收的能量，作为高度集中的、强大的热源，促使介质局部熔化或蒸发，通常称为烧蚀记录。在实际操作中，一般用电脑来处理信息，因为电脑只能识别二进制数据，所以要在存储介质上面储存数据、音频和视频等信息，首先要将信息转化为二进制数据。现在常见的CD光盘、DVD光盘等光存储介质，与软盘、硬盘相同，都是以二进制数据的形式来存储信息的。写入

8、信息时，将主机送来的数据经编码后送入光调制器，使激光源输出强度不同的光束，调制后的激光束通过光路系统，经物镜聚焦然后照射到介质上，存储介质经激光照射后被烧蚀出小凹坑，所以在存储介质上，存在被烧蚀和未烧蚀两种不同的状态，这两种状态对应着两种不同的二进制的数据。聚焦光束人射到光盘上，如果光盘上已经存在记录信息，反射光的特征，例如，光强、光的相位或者光的偏振状态将发生某种变化，通过电子系统处理可以再现原始记录的数据信息，这就是光盘的基本读出过程。具体来说，就是读取信息时，激光扫描介质，在凹坑处由于反射光与入射光相互抵消入射光不返回，而在未烧蚀的无凹坑处，入射光大部分返回。这样，根据光束反射能力的不同

9、，就可以把存储介质上的二进制信息读出，然后再将这些二进制代码转换成为原来的信息。另外，可擦写光盘的存储介质为使光照点的结晶态发生变化，即相变型介质。而磁光存储材料的光盘的存储介质则是产生磁化方向的改变，从而记录或删除信息。光存储的主要特点光盘存储的主要特点如下6：(1)记录密度高、存储容量大。光盘存储系统用激光器作光源。由于激光的相干性好，可以聚焦为直径小于0.001mm的小光斑。用这样的小光斑读写，光盘的面密度可高达107bit/cm2108bit/cm2o一张CD-ROM光盘可存储3亿个汉字。我国花了14年方才出版齐的中国百科全书共1.2X08多万字，也就是说，全部的百科全书还装不满一张C

10、D-ROM光盘。(2)光盘采用非接触式读写，光学读写头与记录盘片间通常有大约2mm的距离。这种结构带来了一系列优点：首先，由于无接触，没有磨损，所以可靠性高、寿命长，记录的信息不会因为反复读取而产生信息哀减；第二，记录介质上附有透明保护层，因而光盘表面上的灰尘和划痕，均对记录信息影响很小，这不仅提高了光盘的可靠性，同时使光盘保存的条件要求大大降低；第二，焦距的改变可以改变记录层的相对位置，这使得光存储实现多层记录成为可能；第四，光盘片可以方便自由的更换，并仍能保持极高的存储密度。这既给用户带来使用方便，也等于无限制的扩大了系统的存储容量。(3)激光是一种高强度光源，聚焦激光光斑具有很高的功率，

11、因而光学记录能达到相当高的速度；(4)易于和计算机联机使用，这就显著地扩大了光存储设备的应用领域；(5)光盘信息可以方便地复制，这个特点使光盘记录的信息寿命实际上为无限长。同时，简单的压制工艺，使得光存储的位信息价格低廉，为光盘产品的大量推广应用创造了必要的条件。当然，光存储技术也有缺点和不足。光学头无论体积还是质量，都还不能与磁头相比，这影响光盘的寻址速度，从而影响其记录速度。一般地说，光盘读写速度还比磁盘低。而由于光盘的记录密度如此之高，盘片上极小的缺陷也会引起错误。光盘的原生误码率比较高，使得光盘系统必须采用强有力的误码校正措施，从而增加了设备成本。光存储存在的技术问题，有的已经或正在解

12、决，有的成为研究的重要课题。在科学技术不断进步的过程中，光存储的性能必将进一步完善和提高。3光存储技术的发展现状光存储的记录密度本质上取决于读写光斑的大小。根据聚焦光斑的公式，提高存储密度最直接的途径就是缩短激光的波长和增大光学系统的数值孔径。DVD就是通过这一途径实现高密度存储的技术发展。DVD技术是目前应用最广泛的光存储技术，全方位的DVD光盘产品，涵盖了从音频到视频，从只读到可写，从家电到计算机整个光盘应用领域。DVD格式标准与CD相比，主要的改进包括：(1)采用0.6mm衬底，这使得它能够采用数值孔径更大的物镜；(2)信道间距和最小记录长度减小；(3)光学头物镜的数值孔径增大；(4)激

13、光器波长更短；(5)米用更有效的编码方案。沿着这一发展方向，2002年2月19日，光存储领域的9家知名公司在日本东京宣告建立下一代大容量光盘记录格式的参数标准，并将其命名为蓝光光盘(Blue-RayDisc)。蓝光光盘的记录介质采用相变材料，为可擦写光盘。通过405nm波长的蓝紫光激光器发出激光，利用0.85数值孔径的光学头，它成功地缩小了聚焦光斑。利用0.lmm厚度的光学保护层，可降低盘片抖晃所产生的偏差，同时使盘片能更好地读出和提高记录密度。蓝光光盘的轨道间距为0.32pm,大约是DVD光盘的1/2,从而获得了单盘单面27GB的存储量，以及36Mbit/s的传输速度。由于蓝光光盘采用了全球

14、标准的“MPEG-2”传输流压缩技术，使其适用于存储高清晰度视频信息等需要大容量的内容。与DVD的技术发展类似，蓝光技术的发展也充满了激烈的竞争。HDVD是可以与蓝光光盘争雄的另一种基于蓝光的新一代高密度高速度光盘系列。DVD、蓝光光盘代表了高密度光存储的主流发展技术，其主要特点是采取缩短激光的波长和增大物镜数值孔径的技术，但是这一技术发展至今所剩的空间已经不大，因此有必要寻求其他提高存储密度和数据速率的途径。例如，利用空间三维或光的频率维进行信息存储，采用多阶存储代替目前的二阶存储，采用近场超分辨力技术取代传统的远场技术等。三维体存储技术三维体存储是实现超高密度信息存储的重要途径，研究领域主

15、要集中在体全息存储和光子三维存储两个方面。体全息存储体全息存储是20世纪60年代随着光全息技术的发展而出现的一种大容量高存储密度的存储方式。随着计算机产业的迅速发展，也由于在光电器件和全息存储材料领域的研究取得了突破，使得人们在全息存储领域获得了巨大的进展，从而也使全息存储成为超高密度光存储领域的研究热点。一般光学体全息数据存储机理为：待存储的数据(数字或模拟)经空间光调制器(SLM)被调制到信号光上，形成一个二维信息页，然后与参考光在记录介质中干涉形成体全息图从而完成信息的记录读出时使用和原来相同的参考光寻址，可以读出相应地存储在晶体中的全息图。利用体全息图的布拉格选择性，改变参考光的入射角

16、度或波长，就可在一个单位体积内复用多幅图像，实现多重存储，达到超高密度存储的目的7。全息存储具有以下特点：(1)存储密度高、容量大：在可见光谱中存储密度可达1012Hts/cm38;(2)数据冗余度高：全息记录是分布式的，存储介质的缺陷和损伤只会使所有信号的强度降低，而不致于引起数据丢失；(3)数据传输速率高：信息以页为单位，并行读写，从而达到极高的数据传输率。目前采用多通道并行探测阵列的全息存储系统，数据传输率有望达到Gbyte/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，数据访问时间可降至亚毫秒范围或者更低；(5)存储寿命长：存储介质记录的信息可以保持30年以上。体全息

17、存储的研制目标是实现TB量级的存储容量和IGbps的数据传输率，美国的Inphase公司和日本的Optware公司已经取得了令人瞩目的成就，而且在商品化进程中取得了很大的进展。同时，体全息存储发展也存在着很多的难题，主要就是寻找一种同时兼具性能、容量和价格方面综合优势的存储材料。光子三维存储存储材料中的激活中心，在光激发下使电子产生跃迁而达到光存储的目的，称光子存储(photoinducedopticalmemory)。它是一种不经过材料吸收光子后产生热效应阶段而形成的光存储，区别于目前一般应用的光热存储方式。主要研究包括光谱烧孔存储和双光子吸收三维存储。1、光谱烧孔存储固体机制中的掺杂分子由

18、于局域环境的差异出现能级的非均匀加宽。当用窄频带激光照射后，在掺杂分子吸收带内，在激光频率处出现吸收的减小，这种现象称为光谱烧孔。该烧孔可以用相同频率的激光读出。由于可通过改变激光频率在吸收带内烧出多个孔，即利用频率维变量来记录信息，从而可以在一个光斑存储多个信息。光谱烧孔包括单光子光谱烧孔和双光子光谱烧孔。两类材料的光子选通烧孔均在低温下进行，由于目前材料的电子俘获陷阱深度较浅，导致烧孔的孔深也较浅，而且在序列烧孔过程中，先烧出的孔容易出现逐渐被填充的现象，因而寻找室温下能烧孔的材料是关键。目前，国内外主要研究两类材料体系：Sm离子掺杂的无机材料体系以及给体和受体电子转移反应的有机材料体系9

19、o2、双光子吸收三维存储双光子吸收三维记录的基本原理是：两种光子同时作用于某种介质时，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，若使两个光束从两个方向聚焦至材料的空间同一点时，便可实现三维空间的寻址与读写。利用材料折射率、吸收度、荧光或电性质的改变来实现存储10,能实现Tbits/cm3的体密度，可达到4MB/s的传输率。国际上最有代表性的是美国加州大学SanDiego分校及Call&Recall公司100层的记录方法。国内清华大学从1995年开始从事这方面的研究，初步建立了针对有机介质的记录物理模型并完成了对双光子记录介质特性测试专用设备的研制。双光

20、子吸收三维存储原理基于能级的跃迁，材料的响应时间可达到皮秒量级，能够实现高密度体存储，理论上的分辨率可达到分子尺度。但由于大多数材料的双光子吸收截面很小限制了其应用，因而要使双光子三维存储走向实用化，就必须开展对存储材料的研究。多阶光存储技术11多阶光存储是目前国内外光存储研究的重点之一12,缘于它可以大大地提高存储容量和数据传输率。在传统的光存储系统中，二元数据序列存储在记录介质中，记录符只有两种不同的物理状态，例如只读光盘中交替变化的坑岸形貌。如将数据流调制成M进制数据(M>2),令调制后的数据与记录介质的M种不同物理状态相对应，即可实现M阶存储。如图2所示的坑深调制多阶存储，就是通

21、过改变信息符的深度来实现多值存储，数据流经调制转换成盘基多种不同坑深的变化，即可实现多阶坑深存储130多阶光存储分为信号多阶光存储和介质多阶光存储。坑深调制盘面图2坑深调制实现多值存储信号多阶光存储其早期方案是坑深调制(PDM:PitDepthModulation)。在这种多阶只读光盘中，信息坑的宽度固定为tmin,信息坑的深度具有M种不同的可能，代表着不同的阶次。不同深度的信息坑，其读出光呈现不同光强，从而实现多阶坑深调制。Sony公司研发的是利用信息坑边沿相对于固定时钟的变化，进行多阶信息存储，即利用信息坑长度的变化实现多阶光存储。信息坑的起始和结束边沿相对于时钟边沿都可以按一定的步长变化

22、。若信息坑的起始和结束边沿的可能位置数均为8,那么一个信息坑的边沿变化可能出现64种状态，信息坑可存储6比特(byte)的信息，因此显著高于传统光盘的记录密度。介质多阶光存储有多种介质可以用来实现多阶光存储。在电子俘获多阶技术中的光盘的记录层中掺杂有两种稀土元素，当第一种掺杂离子吸收短波长激光的光子后，其电子被激发到高能级状态，该电子可能被第二种掺杂离子“俘获”，实现数据的写入。用另一长波长激光(例如红光)将俘获的电子释放到原来的低能级状态，存储的能量以荧光的形式释放出来，由于发出的荧光强度与俘获的电子数量成比例，同时也与写入激光的强度成比例，该写入/读出过程具有线性响应，使得电子俘获材料适用

23、于数字光存储。电子俘获光存储的反应速度快，可以实现ns时间的读写。止匕外，通过调整退火时间和温度，控制相变材料的结晶程度，也可以实现多阶反射调制存储。近场光学存储技术传统光驱使用包含物镜的光学头进行写、读、擦操作，由于物镜距盘片记录层多为几个毫米，属于远场光存储方式，光无法聚焦成直径小于半波长的点，存储密度受到了限制。近场光学存储采用的是近场光，它是由记录介质与光源在小于半波长量级的距离时获得的隐失光。隐失光为非传输光，当距离超过波长量级时迅速衰减到接近于零。近场光学存储的基本原理就是通过亚波长尺寸的光学头和亚波长尺寸的距离控制，实现亚波长尺寸的光点记录。只要将光学存储介质放在近场光学显微镜中

24、，保持光学探针与存储介质的距离在近场范围内，则在存储介质中形成的记录点尺寸就可能在亚波长量级内，从而克服衍射极限，实现高密度存储。与其它超高密度存储方法相比，近场光学存储主要有以下优点：(1)高密度、大容量：读写光斑小，大大提高了存储的密度，使得存储容量有了很大提高。随着近场光存储技术的进一步完善，还可以获得比较高的数据传输速率；(2)可充分利用已有存储技术：如硬盘驱动器中的空气悬浮磁头技术和光盘存储中的光头飞行技术，而不必另外再去进行新的系统设计与开发，因而有助于减低产品的价格，增加竞争优势。目前建立的已能够进行存取数据操作的实验系统可分为3种：固体浸没透镜(SIL)近场存储；超分辨率近场结

25、构(Super-RENS)存储；探针扫描显微术(PSM)近场存储。这三种方法都是通过不同方法缩小记录光斑来提高存储密度。结构见图3。近场存储的优势明显，有美好的发展前景，但目前仍被如何控制高速旋转的记录盘片表面与近场光学读写头之间始终保持近场范围的问题所困扰14。PSM方案空间分辨率高，容易实现微区的物理和化学变化，已能用于超高密度信息的记录、再现和擦出。Super-RENS高密度近场光存储方案提出时间不长，实验结果表明：采用该方案的确可以实现超衍射分辨率高密度数据存储，只是在载噪比上离产业化还有距离。国内近场的光学的研究主要集中于光学成像、近场光学荧光探测等。北京大学曾使用探针式近场显微镜系

26、统进行了量子阱、量子线、激光器近场光谱和生物样品成像试验，分辨率达到50100nm,并设计了固体浸没透镜式近场光学超高密度存储系统。3图3（a）PSN方案；（b）Super-RENS方案；（c）SIL方案4光存储技术的发展趋势及展望记录密度高是光存储技术最突出的特点，也是用作计算机外设最具吸引力的方面。但是随着科学技术的发展和制造工艺的改善，磁记录技术也在不断取得新的进展。目前，与磁盘相比，光盘单机的存储容量已无绝对优势，而存取速度差距并无明显缩小。因此，提高记录密度，从而提高光存储的容量，以及提高读写速度是光存储技术研究工作的主要方向。超高密度光存储技术代表着信息存储的发展方向，国内外竞争的

27、非常激烈。相对于国外的发展态势，国内仍然存在一定的差距。光存储方向的研究，是为了满足日益发展的信息技术的需要，所以，各种存储技术都是以提高存储容量、密度、可靠性和数据传输率作为主要发展目标。目前，全息体存储、蓝光存储以及基于超分辨率近场结构存储是主要的研究方向。其中，蓝光技术作为第三代光存储技术，即将成为数字视频传播等领域的主流技术。从长远来看，只有将蓝光技术进行扩展，即与多阶、超分辨近场结构、多波长等技术相结合才能进一步扩大存储容量，适应未来发展的需要。光存储的发展趋势是：从二维光存储到多维光存储，从光热存储到光子存储，从远场光学存储到近场光学存储。具体发展方向主要着重于以下几个方面：(1)

28、进一步缩小记录单元是发展高密度光存储的有效途径，最具代表性的就是超分辨率近场结构存储。随着精密技术及弱信号处理等相关技术的进步，信息的记录单元将逐渐减小到单原子或分子量级；(2)采用数字式记录作为最基本和最有效的记录方式；(3)采用并行读写逐步代替用行读写，从而提高数据的读取传输率。体全息存储的一个固有特性就是具有并行读写功能，这是体全息存储被普遍重视的原因之一；(4)改善寻址方法，发展无机械寻址功能，提高随机寻址速度；(5)加强超高密度光存储记录材料的基础研究仍是解决超高密度存储和超快速响应等问题的关键，主要方向是开发适于光致模式的超高密度近场光存储的有机介质。另外，光存储技术的原理是光与记录介质之间的相互作用。记录介质的性能对记录密度和读写速度具有举足轻重的影响。因此，寻求具有新的读写原理、灵敏度和分辨力更高的记录材料，也是未来提高存储容量和存储速度的必然要求。为此，许多科技工作者进行了并正进行着不懈的努力，例如，郑晨溪提出细菌视