《光学存储器》课件

光学存储器课程目标1掌握光学存储基本原理理解激光读写和数据编码方法2了解不同类型光学存储器CD、DVD、蓝光等关键技术特点3认识前沿光存储技术全息存储、近场光存储等新技术探索应用场景光学存储技术的发展历程11982年CD技术商业化21995年DVD技术推出32006年蓝光光盘正式发布42015年后全息存储技术发展光学存储的基本原理激光发射特定波长激光束照射介质记录信息光介质表面形成微小坑槽反射读取激光反射强度变化转为电信号数据解码将光信号转换为二进制数据光学存储器的类型只读型CD-ROMDVD-ROMBD-ROM可刻录型CD-RDVD-R/+RBD-R可重写型CD-RWDVD-RW/+RWBD-RE只读型光盘（CD-ROM）容量650-700MB标准容量速度最高52倍速读取只读特性工厂预制，不可修改寿命理论使用寿命30年以上CD-ROM的物理结构1聚碳酸酯基板提供物理支撑2反射层铝质反射层3保护层防刮擦涂层4标签层印刷信息层CD-ROM的工作原理激光照射780nm红外激光凹坑反射坑槽产生不同反射光电检测光电二极管接收信号处理解码为数字信号CD-ROM的优缺点优点成本低廉标准统一兼容性好存储稳定缺点容量有限读取速度较慢不可修改易受刮擦损坏可刻录光盘（CD-R）1一次性写入刻录后不可修改700MB标准容量与CD-ROM相同52X最高读取速度兼容CD-ROM驱动器48X最高刻录速度约3分钟刻满一张CD-R的物理结构1标签层印刷标识面2保护层防止氧化和损伤3反射层金属反射面4染料记录层有机染料层5聚碳酸酯基板预制导槽结构CD-R的记录原理激光加热高功率激光照射染料变化有机染料发生化学变化形成暗点变色区域反射率下降永久记录变化不可逆转CD-R的优缺点可写入允许用户自行刻录兼容性好大多数CD播放器可读成本低单片价格经济实惠不可修改一次写入后无法更改寿命有限染料层会随时间退化可重写光盘（CD-RW）可重写支持1000次以上重写容量标准650-700MB速度读写速度低于CD-R兼容性部分老设备无法读取CD-RW的物理结构聚碳酸酯基板提供物理支撑和预制导槽相变记录层特殊合金材料可在结晶和非晶态之间转换反射层和保护层提供反射功能并保护记录层CD-RW的记录和擦除原理初始结晶态高反射率1高温记录激光加热至500-700°C2非晶态低反射率区域形成数据位3中温擦除200°C左右恢复结晶态4CD-RW的优缺点优点可多次重写节约成本减少废弃物适合频繁更新的数据缺点价格高于CD-R读写速度较慢兼容性较差重写次数有限反射率低于CD-RDVD技术概述4.7GB单层容量是CD的7倍8.5GB双层容量单面双层结构650nm激光波长红色激光1995发布年份由索尼、飞利浦等联合开发DVD的物理结构基板层0.6mm厚聚碳酸酯2数据层金属反射坑槽粘合层连接两个半厚基板标签层印刷表面DVD的容量扩展技术更小的凹坑坑槽尺寸减小至CD的一半轨道间距减小从CD的1.6μm减至0.74μm双层技术半透明第一层允许激光穿透到第二层4双面技术两面都可记录数据DVD的应用领域DVD广泛应用于电影发行、游戏分发、数据存储和教育培训等领域。蓝光光盘（Blu-rayDisc）大容量单层25GB，双层50GB蓝紫激光405nm波长高清视频支持1080p及4K视频抗刮擦涂层表面硬度高蓝光光盘的特点更短的激光波长405nm蓝紫激光比红色激光波长短，可读取更小的坑槽更高的数值孔径数值孔径0.85比DVD的0.6大，聚焦更精确更先进的编码技术采用17PP（17位调制码）比DVD的8/16调制更高效蓝光光盘与DVD的比较特性DVD蓝光光盘激光波长650nm(红)405nm(蓝紫)单层容量4.7GB25GB双层容量8.5GB50GB视频分辨率最高480p支持4K保护层厚度0.6mm0.1mm多层蓝光存储技术1三层100GB专业存储应用2双层50GB高清电影存储3单层25GB基础应用4BDXL128GB四层专业存储规格全息存储技术原理激光分束分为参考光与信号光数据调制信号光通过空间光调制器干涉图形两束光产生干涉条纹3体积记录在介质体积内存储数据全息存储的优势超大容量理论上可达TB级别/单盘高速访问可并行读取整页数据长期保存存储寿命可达50年以上三维存储利用介质整个体积而非表面全息存储的挑战25成本高昂设备复杂昂贵稳定性问题对环境条件敏感材料限制需要特殊光敏材料体积大设备难以小型化技术竞争面临其他存储技术挑战近场光存储技术突破衍射极限实现纳米级数据记录2超高密度理论密度可提高10倍以上近场探针使用特殊探针与介质极近距离相互作用近场光存储的原理传统光学限制衍射极限约为光波长的一半蓝光约为200nm分辨率下限近场光学突破利用光的近场效应探针与介质距离控制在波长的几分之一分辨率可达几十纳米近场光存储的潜力10TB单碟容量理论容量预测10nm记录精度数据点大小1Gb/s传输速率理论读写速度光学存储器的读写头技术光学拾取头负责聚焦激光并检测反射信号光束分离器分离入射光和反射光聚焦系统精确控制激光聚焦点位置跟踪系统确保激光沿轨道精确移动激光二极管在光存储中的应用1红外激光780nm，用于CD2红色激光650nm，用于DVD3蓝紫激光405nm，用于蓝光光盘4更短波长紫外激光，未来发展方向光学系统设计光源激光二极管发射准直系统将发散光变为平行光物镜聚焦到记录层光电检测器接收反射信号伺服控制系统跟踪伺服控制光束沿轨道精确移动聚焦伺服保持激光在记录层上精确聚焦旋转控制维持光盘稳定转速信号处理技术模拟处理放大和滤波光电信号二值化转换为数字方波信号2时钟恢复提取同步时钟解调解码恢复原始数据4纠错编码技术交织编码打散相邻数据位置，分散连续错误里德所罗门码添加校验数据，检测和修复错误CIRC码CD使用的交叉交织里德所罗门码光学存储介质材料金属层铝、银、金等反射层材料有机染料CD-R介质专用光敏材料相变材料可重写盘的关键材料聚合物基板和保护层材料相变材料在光存储中的应用结晶态原子排列有序，高反射率1非晶态原子排列无序，低反射率2相变过程通过激光加热实现状态转换3Ge-Sb-Te合金常用相变材料成分4磁光材料在光存储中的应用磁化基于稀土过渡金属合金激光加热温度达到居里点附近磁场定向在高温下重新排列磁矩克尔效应通过偏振变化检测磁化方向多层光盘技术半透明反射层允许激光部分穿透到下层激光焦点调节通过调整物镜位置读取不同层层间间隔需保持足够距离避免层间干扰容量提升每增加一层，容量几乎成倍增加3D光存储技术1PB级存储未来理论极限2TB级存储实验室阶段3全息体积存储利用介质整个体积4多光子吸收超小数据点5双光子聚合三维精确记录光存储器的容量演进光存储器的读写速度演进CD(MB/s)DVD(MB/s)蓝光(MB/s)光存储器在数据中心的应用冷数据存储长期归档，访问频率低的数据灾备系统提供离线备份，防止网络攻击绿色存储低能耗，碳排放少自动化光盘库机械手自动管理PB级数据光存储器在个人电脑中的应用1982CD-ROM驱动器最早的PC光存储设备1995DVD驱动器多媒体应用普及2006蓝光驱动器高清内容需求2020+外置光驱轻薄笔记本外设光存储器在消费电子中的应用音频播放器从CD播放器到高保真音响系统视频播放设备DVD、蓝光播放器和游戏机游戏主机PlayStation、Xbox等游戏平台车载系统汽车导航和娱乐系统光存储器在医疗领域的应用医学影像存储CT、MRI等大型影像数据病历档案患者历史医疗记录数据备份医疗数据安全长期保存信息分发医学教育和培训资料光存储器在档案存储中的应用长期保存50-100年寿命1经济性低成本长期存储离线存储防黑客攻击标准化国际认可的存档媒介4光存储与磁存储的比较光存储优势数据寿命长不受磁场影响成本低廉便于携带只读性保障数据安全磁存储优势读写速度快随机访问性能好可多次重写单位体积容量大技术更新迭代快光存储与固态存储的比较特性光存储固态存储读写速度较慢极快容量单盘几十GB-百GB单盘可达数TB寿命30-100年写入次数有限价格/GB极低较高能耗仅读写时消耗能量持续需要供电光存储技术的优势长期保存数据寿命可达50-100年低能耗不读写时零能耗低成本每GB存储成本低于其他技术数据安全物理隔离，防篡改光存储技术面临的挑战读写速度较固态存储慢随机访问寻道时间长体积大不适合小型设备技术瓶颈衍射极限制约市场竞争面临其他存储技术挑战5光存储技术的未来发展趋势全息技术TB级容量光盘超多层百层光盘技术近场光学纳米级记录精度混合存储结合其他存储技术优势量子存储技术简介量子比特利用量子态存储信息超高密度理论突破传统物理极限量子纠缠实现信息的安全传输技术挑战量子相干性保持困难DNA存储技术简介1EB理论容量1克DNA可存储1艾字节10K数据寿命潜在保存超过万年4碱基编码A、T、C、G四种碱基2023研究进展已实现兆字节级别存储光学存储在大数据时代的角色1热数据固态存储、内存2温数据磁盘存储