光儲存的基本原理及主要特點

信息資料迅速增長是當今社會的一大特點。有人統(tǒng)計，科技文獻數(shù)量大約每7年增加1倍，而一般的情報資料則以每2年~3年翻一番的速度增加。大量資料的存儲、分析、檢索和傳播，迫切需要高密度、大容量的存儲介質和管理系統(tǒng)。

1898年荷蘭的Valdemar Poulsen發(fā)明了世界上第一個磁記錄設備：磁線錄音機，從此，開始了傳統(tǒng)的磁記錄應用實踐。在隨后的一個多世紀里面，出現(xiàn)了多種不同種類的磁記錄設備：磁帶機，磁芯存儲器，磁盤等等。雖然有大量不同的磁存儲設備出現(xiàn)，但是磁記錄的基礎原理仍然是上述的鐵磁性材料能夠保持外磁場磁化方向的特性。傳統(tǒng)的磁記錄的寫入原理是將隨時間變化的電信號轉換為在線性或者旋轉的鐵磁性材料中的磁化強度和方向的空間變化，傳統(tǒng)的磁記錄讀 出原理是將分布于磁性材料中的磁化方向和強度的空間變化，通過線性或者旋轉運動，利用磁電轉化元件，轉換為隨時間變化的電信號。

但是，隨著記錄密度的提高(目前的硬盤記錄密度已經(jīng)能夠達到 30Gb/cm2)，能夠獲得的感生電流的強度和信噪比已經(jīng)過小，造成讀入設備的誤碼率已經(jīng)不能達到要求。計算機和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展使越來越多的信息內容以數(shù)字化的形式記錄、傳輸和存儲，對大容量信息存儲技術的研究也隨之不斷升溫 。激光技術的不斷成熟，尤其是半導體激光器的成熟應用，使得光存儲從最初的微縮照相發(fā)展成為快捷、方便、容量巨大的存儲技術，各種光ROM紛紛產(chǎn)生。與磁介質存儲技術相比，光存儲具有壽命長、非接觸式讀/寫、信息位的價格低等優(yōu)點。

光存儲的基本原理

光存儲技術是用激光照射介質，通過激光與介質的相互作用使介質發(fā)生物理、化學變化，將信息存儲下來的技術。其基本物理原理是：存儲介質受到激光照射后，介質的某種性質(如反射率、反射光極化方向等)發(fā)生改變，介質性質的不同狀態(tài)映射為不同的存儲數(shù)據(jù)，存儲數(shù)據(jù)的讀出則通過識別存儲單元性質的變化來實現(xiàn)。

作為光儲存方式，已有近百年的發(fā)展歷史。常見的照相術就是最早的光存儲技術。無論是膠片感光靈敏度、分辨率、色彩，還是照相儀器，都取得了長足的進步，不僅能拍攝靜止景物，還能通過電影、電視將活動圖像記錄和再現(xiàn)。然而， 包括全息照相在內的照相術，都屬于模擬光存儲范疇，它在存儲容量、存儲密度及傳輸速率等方面都受到一定限制。隨著信息社會的發(fā)展，特別是激光的出現(xiàn)和計算機的日益普及，數(shù)字光儲技術開始興起，數(shù)字光盤的誕生成為存儲技術的一項重大突破。

迄今為止，絕大部分商品化光盤存儲系統(tǒng)中所用的記錄介質的記錄機理都是熱致效應。利用從激光束吸收的能量，作為高度集中的、強大的熱源，促使介質局部熔化或蒸發(fā)，通常稱為燒蝕記錄。在實際操作中，一般用電腦來處理信息，因為電腦只能識別二進制數(shù)據(jù)，所以要在存儲介質上面儲存數(shù)據(jù)、音頻和視頻等信息，首先要將信息轉化為二進制數(shù)據(jù)。現(xiàn)在常見的CD光盤、DVD光盤等光存儲介質，與軟盤、硬盤相同，都是以二進制數(shù)據(jù)的形式來存儲信息的。寫入信息時，將主機送來的數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后送入光調制器，使激光源輸出強度不同的光束，調制后的激光束通過光路系統(tǒng)， 經(jīng)物鏡聚焦然后照射到介質上，存儲介質經(jīng)激光照射后被燒蝕出小凹坑，所以在存儲介質上，存在被燒蝕和未燒蝕兩種不同的狀態(tài)，這兩種狀態(tài)對應著兩種不同的二進制的數(shù)據(jù)。

聚焦光束人射到光盤上，如果光盤上已經(jīng)存在記錄信息，反射光的特征，例如，光強、光的相位或者光的偏振狀態(tài)將發(fā)生某種變化，通過電子系統(tǒng)處理可以再現(xiàn)原始記錄的數(shù)據(jù)信息，這就是光盤的基本讀出過程。具體來說，就是讀取信息時，激光掃描介質，在凹坑處由于反射光與入射光相互抵消入射光不返回，而在未燒蝕的無凹坑處，入射光大部分返回。這樣，根據(jù)光束反射能力的不同，就可以把存儲介質上的二進制信息讀出，然后再將這些二進制代碼轉換成為原來的信息。

另外，可擦寫光盤的存儲介質為使光照點的結晶態(tài)發(fā)生變化，即相變型介質。而磁光存儲材料的光盤的存儲介質則是產(chǎn)生磁化方向的改變，從而記錄或刪除信息。

光存儲的主要特點

1、記錄密度高、存儲容量大。光盤存儲系統(tǒng)用激光器作光源。由于激光的相干性好，可以聚焦為直徑小于0.001mm的小光斑。用這樣的小光斑讀寫，光盤的面密度可高達107bit/cm2~108bit/cm2。一張CD-ROM光盤可存儲3億個漢字。我國花了14年方才出版齊的中國百科全書共1.2×108多萬字，也就是說，全部的百科全書還裝不滿一張CD-ROM光盤。

2、光盤采用非接觸式讀寫，光學讀寫頭與記錄盤片間通常有大約2mm的距離。這種結構帶來了一系列優(yōu)點：首先，由于無接觸，沒有磨損，所以可靠性高、壽命長，記錄的信息不會因為反復讀取而產(chǎn)生信息哀減;第二，記錄介質上附有透明保護層，因而光盤表面上的灰塵和劃痕，均對記錄信息影響很小，這不僅提高了光盤的可靠性，同時使光盤保存的條件要求大大降低;第二，焦距的改變可以改變記錄層的相對位置，這使得光存儲實現(xiàn)多層記錄成為可能;第四，光盤片可以方便自由的更換，并仍能保持極高的存儲密度。這既給用戶帶來使用方便，也等于無限制的擴大了系統(tǒng)的存儲容量。

3、激光是一種高強度光源，聚焦激光光斑具有很高的功率，因而光學記錄能達到相當高的速度;

4、易于和計算機聯(lián)機使用，這就顯著地擴大了光存儲設備的應用領域;

5、光盤信息可以方便地復制，這個特點使光盤記錄的信息壽命實際上為無限長。同時，簡單的壓制工藝，使得光存儲的位信息價格低廉，為光盤產(chǎn)品的大量推廣應用創(chuàng)造了必要的條件。

當然，光存儲技術也有缺點和不足。光學頭無論體積還是質量，都還不能與磁頭相比，這影響光盤的尋址速度，從而影響其記錄速度。一般地說，光盤讀寫速度還比磁盤低。而由于光盤的記錄密度如此之高，盤片上極小的缺陷也會引起錯誤。光盤的原生誤碼率比較高，使得光盤系統(tǒng)必須采用強有力的誤碼校正措施，從而增加了設備成本。

光盤及存儲類型

光盤類型通常有：只讀存儲光盤(ROM, Read only memory)、一次寫入光盤(WORM, Write once read memory )、可擦重寫光盤(Rewrite)、直接重寫光盤(Overwrite)。

只讀存儲光盤

激光束被聚焦成～1um光點，光盤的凹坑一般寬度為0.4um，深度為讀出光波長l/4，約為0.11um，螺旋線型的紋跡間距為1.67um。

經(jīng)過調制的激光束以不同的功率密度聚焦在甩有光刻膠的玻璃襯盤上，使光刻膠曝光，之后經(jīng)過顯影、刻蝕、制成主盤(又稱母盤，master)，再經(jīng)噴鍍、電鍍等工序制成副盤(又稱印膜，stamper)，然后再經(jīng)過“2P”注塑形成ROM光盤。

襯盤甩膠：對玻璃等襯盤進行精密研磨、拋光后進行超聲清洗，得到規(guī)格統(tǒng)一、表面清潔的襯盤;在此光盤上滴以光刻膠，放入高速離心機中甩膠，以在襯盤表面形成一層均勻的光刻膠膜;取出放入烘箱中進行前烘，以得到與襯底附著良好且致密的光刻膠膜。

調制曝光：將膜片置入高精度激光刻錄機中，按預定調制信號進行信息寫入。

顯影刻蝕：若為負性光刻膠，不曝光部分脫落，于是信息道出現(xiàn)符合調制信號的信息凹坑，凹坑的形狀、深度、及坑間距與攜帶信息有關。這種攜帶有調制信息的凹凸信息結構的盤片就是主盤。由于此過程中所用的光刻膠一般為正性，因而所得主盤為正像主盤。

噴鍍銀層：在主盤表面噴鍍一層銀膜。這層銀膜一方面用來提高信息結構的反射率，以便檢驗主盤的質量，另一方面，還作為下一步電鍍鎳的電極之一。

電鍍鎳層：在噴鍍銀的盤片表面用電解的方法鍍鎳，使得主盤上長出一層厚度符合要求的金屬鎳膜。

將上述盤片經(jīng)過化學處理，使得鎳膜從主盤剝脫，形成一個副盤。上述主盤每一個都可用通過(5)、(6)步驟的重復，制得若干個副像子盤-副盤;而每一副盤又都可以通過(5)、(6)步驟的重復，制得若干個正像子盤。

將上述所得正像或副像子盤作為“印膜(stamper)”加工中心孔和外圓后裝入“2P”噴塑器中，經(jīng)進一步的“2P”復制過程來制作批量ROM光盤。

總的來講，只讀存儲光盤的記錄介質是光刻膠，記錄方式是用聲光調制的氬離子激光器將信息刻錄在介質上，然后制成主盤及副盤，再用副盤作為原模，大量復制視頻錄像盤或數(shù)字音像唱片。

一次寫入光盤

一次寫入光盤是利用激光光斑在存儲介質的微區(qū)產(chǎn)生不可逆的物理化學變化進行信息記錄的盤片，其記錄方式主要有以下幾種：

燒蝕型：存儲介質可以是金屬、半導體合金、金屬氧化物或有機染料。利用介質的熱效應，是介質的微區(qū)熔化、蒸發(fā)，以形成信息坑孔。

起泡型：存儲介質由聚合物-高熔點金屬兩層薄膜組成。激光照射使聚合物分解排出氣體，兩層間形成的氣泡使上層薄膜隆起，與周圍形成反射率的差異而實現(xiàn)信息的記錄。

熔絨型：存儲介質用離子刻蝕的硅，表面呈現(xiàn)絨狀結構，激光光斑使照射部分的絨面熔成鏡面，實現(xiàn)反差記錄。

合金化型：用Pt-Si、Rh-Si或Au-Si制成雙層結構，激光加熱的微區(qū)熔成合金，形成反差記錄。

相變型：存儲介質多用硫屬化合物或金屬合金制成薄膜，利用金屬的熱效應和光效應使被照微區(qū)發(fā)生非晶到晶相的相變。

可擦重寫光盤

可擦重寫光盤從記錄介質寫、讀、擦的機理來講，主要分為兩大類：

相變光盤：這類光盤采用多元半導體元素配制成的結構相變材料作為記錄介質膜，利用激光與介質膜相互作用時，激光的熱和光效應導致介質在晶態(tài)與玻璃態(tài)之間的可逆相變來實現(xiàn)反復寫、擦要求，可分為熱致相變光盤和光致相變光盤。

磁光盤：這類光盤采用稀土-過渡金屬合金制成的磁性相變介質作為記錄薄膜，這種薄膜介質具有垂直于薄膜表面的易磁化軸，利用光致退磁效應以及偏置磁場作用下磁化強度取向的正或負來區(qū)別二進制中的“0”或“1”。

可擦重寫相變光盤的原理

RW相變光盤是利用記錄介質在兩個穩(wěn)定態(tài)之間的可逆相結構變化來實現(xiàn)反復的寫和擦。常見的相結構變化有下列幾種：1、晶態(tài)Ⅰ晶態(tài)Ⅱ之間的可逆相變，這種相變反襯度太小，沒有使用價值。2、非晶態(tài)Ⅰ非晶態(tài)Ⅱ之間的可逆相變，這種相變的反襯度亦太小，沒有實用價值。3、發(fā)生玻璃態(tài)晶態(tài)之間的可逆相變，這種相變有實用價值。

存儲原理與過程：近紅外波段的激光作用在介質上，能加劇介質結構中原子、分子的振動，從而加速相變的進行。因此近紅外激光對介質的作用以熱效應為主。

信息的記錄：對應介質從晶態(tài)C向玻璃態(tài)G的轉變。選用功率密度高、脈寬為幾十至幾百鈉秒的激光脈沖，使光斑微區(qū)因介質溫度剎那間超過熔點Tm而進入液相，再經(jīng)過液相快淬完成達到玻璃態(tài)的相轉變。

信息的讀出：用低功率密度、短脈沖的激光掃描信息道，從反射率的大小辨別寫入的信息。一般介質處在玻璃態(tài)(即寫入態(tài))時反射率小，處在晶態(tài)(擦除態(tài))時反射率大，在讀出的過程中，介質的相結構保持不變。

信息的擦除：對應介質從玻璃態(tài)G向晶態(tài)C的轉變。選用中等功率密度、較寬脈沖的激光，使光斑微區(qū)因介質溫度升至接近Tm處，再經(jīng)過成核-生長完成晶化。在此過程中，光誘導缺陷中心可以成為新的成核中心，因此，由于激光作用使成核速率、生長速度大大增加，從而導致激光熱晶化比單熱晶化速率高。

光信息存儲新技術

信息技術的飛速發(fā)展，對海量信息存儲的需求迅猛增長。然而，正在全世界興起的信息高速公路網(wǎng)和起級計算機小型化發(fā)展中，信息存儲系統(tǒng)仍是一個相對薄弱的關鍵性環(huán)節(jié)。光存儲目前達到的存儲密度和數(shù)據(jù)傳輸速率還遠遠滿足不了飛速發(fā)展的信息科學技術的要求

為了提高存儲密度和數(shù)據(jù)傳輸速率，光存儲正在由長波向短波、低維向高維(即由平面向立體)、遠場向近場、光熱效應向光子效應、逐點存儲向并行存儲發(fā)展。

三維體存儲技術

三維體存儲是實現(xiàn)超高密度信息存儲的重要途徑 ， 研究領域主要集中在體全息存儲和光子三維存儲兩個方面。

體全息存儲

體全息存儲是20世紀60年代隨著光全息技術的發(fā)展而出現(xiàn)的一種大容量高存儲密度的存儲方式。隨著計算機產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，也由于在光電器件和全息存儲材料領域的研究取得了突破，使得人們在全息存儲領域獲得了巨大的進展，從 而也使全息存儲成為超高密度光存儲領域的研究熱點。

一般光學體全息數(shù)據(jù)存儲機理為：待存儲的數(shù)據(jù)(數(shù)字或模擬)經(jīng)空間光調制器(SLM)被調制到信號光上，形成一個二維信息頁，然后與參考光在記錄介質中干涉形成體全息圖從而完成信息的記錄讀出時使用和原來相同的參考光尋址，可以讀出相應地存儲在晶體中的全息圖。利用體全息圖的布拉格選擇性，改變參考光的入射角度或波長，就可在一個單位體積內復用多幅圖像，實現(xiàn)多重存儲，達到超高密度存儲的目的。

全息存儲具有以下特點：

(1)存儲密度高、容量大：在可見光譜中存儲密度可達1012bits/cm3[8];

(2)數(shù)據(jù)冗余度高：全息記錄是分布式的，存儲介質的缺陷和損傷只會使所有信號的強度降低，而不致于引起數(shù)據(jù)丟失;

(3)數(shù)據(jù)傳輸速率高：信息以頁為單位，并行讀寫，從而達到極高的數(shù)據(jù)傳輸率。目前采用多通道并行探測陣列的全息存儲系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸率有望達到1Gbyte/s;

(4)尋址速度快：參考光可采用聲光、電光等非機械式尋址方式，數(shù)據(jù)訪問時間可降至亞毫秒范圍或者更低;

(5)存儲壽命長：存儲介質記錄的信息可以保持30年以上。

體全息存儲的研制目標是實現(xiàn)TB量級的存儲容量和1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸率，美國的Inphase公司和日本的Optware公司已經(jīng)取得了令人矚目的成就，而且在商品化進程中取得了很大的進展 。同時，體全息存儲發(fā)展也存在著很多的難題 ， 主要就是尋找一種同時兼具性能、容量和價格方面綜合優(yōu)勢的存儲材料。

光子三維存儲

存儲材料中的激活中心，在光激發(fā)下使電子產(chǎn)生躍遷而達到光存儲的目的，稱光子存儲( photo induced optical memory)。它是一種不經(jīng)過材料吸收光子后產(chǎn)生熱效應階段而形成的光存儲，區(qū)別于目前一般應用的光熱存儲方式。主要研究包括光譜燒孔存儲和雙光子吸收三維存儲。

1、光譜燒孔存儲

固體機制中的摻雜分子由于局域環(huán)境的差異出現(xiàn)能級的非均勻加寬。當用窄頻帶激光照射后，在摻雜分子吸收帶內，在激光頻率處出現(xiàn)吸收的減小，這種現(xiàn)象稱為光譜燒孔。該燒孔可以用相同頻率的激光讀出。由于可通過改變激光頻率在吸收帶內燒出多個孔，即利用頻率維變量來記錄信息，從而可以在一個光斑存儲多個信息。

光譜燒孔包括單光子光譜燒孔和雙光子光譜燒孔。兩類材料的光子選通燒孔均在低溫下進行，由于目前材料的電子俘獲陷阱深度較淺，導致燒孔的孔深也較淺，而且在序列燒孔過程中，先燒出的孔容易出現(xiàn)逐漸被填充的現(xiàn)象，因而尋找室溫下能燒孔的材料是關鍵。目前，國內外主要研究兩類材料體系：Sm離子摻雜的無機材料體系以及給體和受體電子轉移反應的有機材料體系。

2、雙光子吸收三維存儲

雙光子吸收三維記錄的基本原理是：兩種光子同時作用于某種介質時，能使介質的原子中某一特定能級上的電子激發(fā)至另一穩(wěn)態(tài)，并使其光學性能發(fā)生變化，若使兩個光束從兩個方向聚焦至材料的空間同一點時，便可實現(xiàn)三維空間的尋址與讀寫。利用材料折射率、吸收度、熒光或電性質的改變來實現(xiàn)存儲[10]，能實現(xiàn)T bits/cm3的體密度，可達到4MB/s的傳輸率。國際上最有代表性的是美國加州大學San Diego分校及Call&Recall公司100層的記錄方法。國內清華大學從1995年開始從事這方面的研究，初步建立了針對有機介質的記錄物理模型并完成了對雙光子記錄介質特性測試專用設備的研制。

雙光子吸收三維存儲原理基于能級的躍遷，材料的響應時間可達到皮秒量級，能夠實現(xiàn)高密度體存儲，理論上的分辨率可達到分子尺度。但由于大多數(shù)材料的雙光子吸收截面很小限制了其應用，因而要使雙光子三維存儲走向實用化， 就必須開展對存儲材料的研究。

多階光存儲技術

多階光存儲是目前國內外光存儲研究的重點之一，緣于它可以大大地提高存儲容量和數(shù)據(jù)傳輸率。在傳統(tǒng)的光存儲系統(tǒng)中，二元數(shù)據(jù)序列存儲在記錄介質中，記錄符只有兩種不同的物理狀態(tài)，例如只讀光盤中交替變化的坑岸形貌。如將數(shù)據(jù)流調制成M進制數(shù)據(jù)(M>2)，令調制后的數(shù)據(jù)與記錄介質的M種不同物理狀態(tài)相對應，即可實現(xiàn)M階存儲。如圖所示的坑深調制多階存儲，就是通過改變信息符的深度來實現(xiàn)多值存儲，數(shù)據(jù)流經(jīng)調制轉換成盤基多種不同坑深的變化，即可實現(xiàn)多階坑深存儲。

多階光存儲分為信號多階光存儲和介質多階光存儲。

其早期方案是坑深調制(PDM：Pit Depth Modulation)。在這種多階只讀光盤中，信息坑的寬度固定為t min，信息坑的深度具有M種不同的可能，代表著不同的階次。不同深度的信息坑，其讀出光呈現(xiàn)不同光強，從而實現(xiàn)多階坑深調制。Sony公司研發(fā)的是利用信息坑邊沿相對于固定時鐘的變化，進行多階信息存儲，即利用信息坑長度的變化實現(xiàn)多階光存儲。信息坑的起始和結束邊沿相對于時鐘邊沿都可以按一定的步長變化。若信息坑的起始和結束邊沿的可能位置數(shù)均為 8，那么一個信息坑的邊沿變化可能出現(xiàn)64種狀態(tài)，信息坑可存儲6比特(byte)的信息，因此顯著高于傳統(tǒng)光盤的記錄密度。

有多種介質可以用來實現(xiàn)多階光存儲。在電子俘獲多階技術中的光盤的記錄層中摻雜有兩種稀土元素，當?shù)谝环N摻雜離子吸收短波長激光的光子后，其電子被激發(fā)到高能級狀態(tài)，該電子可能被第二種摻雜離子“俘獲”，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入。用另一長波長激光( 例如紅光) 將俘獲的電子釋放到原來的低能級狀態(tài)，存儲 的能量以熒光的形式釋放出來，由于發(fā)出的熒光強度與俘獲的電子數(shù)量成比例，同時也與寫入激光的強度成比例，該寫入/讀出過程具有線性響應，使得電子俘獲材料適用于數(shù)字光存儲。電子俘獲光存儲的反應速度快，可以實現(xiàn)ns時間的讀寫。

近場光學存儲技術

傳統(tǒng)光驅使用包含物鏡的光學頭進行寫、讀、擦操作，由于物鏡距盤片記錄層多為幾個毫米，屬于遠場光存儲方式，光無法聚焦成直徑小于半波長的點，存儲密度受到了限制。近場光學存儲采用的是近場光，它是由記錄介質與光源在小于半波長量級 的距離時獲得的隱失光。隱失光為非傳輸光，當距離超過波長量級時迅速衰減到接近于零。近場光學存儲的基本原理就是通過亞波長尺寸的光學頭和亞波長尺寸的距離控制，實現(xiàn)亞波長尺寸的光點記錄。只要將光學存儲介質放在近場光學顯微鏡中，保持光學探針與存儲介質的距離在近場范圍內，則在存儲介質中形成的記錄點尺寸就可能在亞波長量級內，從而克服衍射極限，實現(xiàn)高密度存儲。

與其它超高密度存儲方法相比，近場光學存儲主要有以下優(yōu)點：

(1)高密度、大容量：讀寫光斑小，大大提高了存儲的密度，使得存儲容量有了很大提高。隨著近場光存儲技術的進一步完善，還可以獲得比較高的數(shù)據(jù)傳輸速率;

(2)可充分利用已有存儲技術：如硬盤驅動器中的空氣懸浮磁頭技術和光 盤存儲中的光頭飛行技術，而不必另外再去進行新的系統(tǒng)設計與開發(fā)，因而有助于減低產(chǎn)品的價格，增加競爭優(yōu)勢。

光存儲技術的發(fā)展趨勢及展望

記錄密度高是光存儲技術最突出的特點，也是用作計算機外設最具吸引力的方面。但是隨著科學技術的發(fā)展和制造工藝的改善，磁記錄技術也在不斷取得新的進展。目前，與磁盤相比，光盤單機的存儲容量已無絕對優(yōu)勢，而存取速度差距并無明顯縮小。因此，提高記錄密度，從而提高光存儲的容量，以及提高讀寫速度是光存儲技術研究工作的主要方向。

超高密度光存儲技術代表著信息存儲的發(fā)展方向，國內外競爭的非常激烈。相對于國外的發(fā)展態(tài)勢，國內仍然存在一定的差距。光存儲方向的研究，是為了滿足日益發(fā)展的信息技術的需要，所以，各種存儲技術都是以提高存儲容量、密度、可靠性和數(shù)據(jù)傳輸率作為主要發(fā)展目標。

審核編輯：湯梓紅

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