本文簡介了一寫多讀式光盤、可擦除式光盤、大容量光帶、高密度多層彩色光盤等光電信息存貯技術(shù)，以及下一代有實用前景的三維體全息存貯、近場光學(xué)存貯、雙光子雙穩(wěn)態(tài)三維數(shù)字存貯、光譜燒孔存貯、電子俘獲存貯等超高密度光電存貯技術(shù)及其發(fā)展趨勢。
一、引言
隨著光電等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類步入了一個全新的數(shù)字化時代和信息時代。由于信息的多媒體化，人們處理的不僅是簡單的數(shù)據(jù)、文字、聲音、圖像，而是由高清晰度的和高質(zhì)量的聲音和運動圖像等綜合在一起的數(shù)字多媒體信息。
光電信息存貯技術(shù)是一種非接觸的寫入和讀出，如光盤與磁盤相比，有使用壽命長、存貯密度高（比磁盤約高1～2個數(shù)量級）、容量大、可靠性高、圖像質(zhì)量好、存貯成本低等優(yōu)點，因而獲得廣泛的應(yīng)用。
盡管新一代的DVD已經(jīng)進入市場，但光盤在不可擦除和重寫以及在數(shù)據(jù)傳輸速率等方面不占優(yōu)勢，而且又受光斑尺寸的限制，因而存儲密度提高有限，所以出現(xiàn)了各種新型的超高密度光電存儲技術(shù)。注冊公司www.02zhuce.com
下面簡介一下目前常用與即將使用的光電信息存貯技術(shù)，以及下一代具有實用前景的幾種光電存儲技術(shù)。
二、目前常用與即將使用的光電信息存貯技術(shù)
1.一寫多讀式光盤存貯
一寫多讀式光盤允許用戶直接寫入信息，并可在寫后直接讀出（DRAM），但不能擦除。因此，它非常適用于存貯需永久保存的圖像或資料。
目前，這種光盤多使用650nm的紅色激光，其記錄單元凹槽的最小直徑為0.4mm,而使用短波長的蘭光，其最小直徑減小到0.14 mm。因此，蘭光DVD單面單層盤片的存貯容量可達27GB，是紅光4.7GB的近6倍。日本索尼和三洋公司均已推出這種產(chǎn)品。
荷蘭philips公司在2002年7月已推出用蘭光DVD的袖珍產(chǎn)品，雖然其盤片直徑只有3cm，其存貯容量卻達1GB，而驅(qū)動器非常小（5.6×3.4×0.75cm3），因而可放入數(shù)碼相機，掌上電腦及手機當(dāng)中。
2.可擦除式光盤存貯
可擦除式光盤與磁盤相似，不僅可以寫入，還可以隨時擦除。它也稱可重寫光盤或可逆式光盤，因而同硬磁盤一樣，可方便用于各類系統(tǒng)中。
可擦除式光盤有兩種：
① 用激光的熱效應(yīng)使磁光介質(zhì)局部發(fā)生磁反轉(zhuǎn)的磁光盤；
② 利用激光照射使記錄介質(zhì)局部結(jié)晶或使結(jié)晶態(tài)向非結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變的相變光盤。
3.大容量光帶存貯
在多頻道多媒體時代，要求圖像素材的有效應(yīng)用日益提高，為此需要一種可以代替過去錄像帶，在小盒內(nèi)可長期保存并可多次再生的大容量存貯媒體-光帶。這種光帶存貯系統(tǒng)，可實現(xiàn)磁帶、磁盤、光盤等不能實現(xiàn)的高可靠，大容量記錄。
光帶存貯與光盤存貯相比，存貯面積可以高2～3個數(shù)量級以上。通過利用光盤的高密度技術(shù)，在VHS磁帶盒那樣光帶上將可實現(xiàn)1太（1012）字節(jié)以上的存貯容量。并且光帶行走系統(tǒng)簡單，所以可高速存取。若是200GB，光帶可實現(xiàn)5秒以內(nèi)的平均存取時間。
4.高密度多層彩色光盤存貯
該光盤系統(tǒng)利用不同頻率的光波不發(fā)生干涉這一特性，而采用多波長激光進行三維立體分層記錄信息，配合特殊設(shè)計的光學(xué)頭，實現(xiàn)信息的同時讀寫。其制作方法是，在光盤盤基上鍍N個記錄層，而每個記錄層都在光學(xué)頭復(fù)消色差物鏡的焦深之內(nèi)。并且每個記錄層都有一種光致變色材料組成，它們分別只能與一種激光發(fā)生作用，而對其它波長的激光則全部透射。如在彩色N層光盤系統(tǒng)中，N種不同波長的激光經(jīng)過整形和準(zhǔn)直系統(tǒng)通過光柵并合光后，成為方向完全重合的圓形平行光束，然后再經(jīng)過復(fù)消色差物鏡系統(tǒng)聚焦于光盤上的同一點，它們被相應(yīng)的記錄介質(zhì)吸收能量后反射，這樣多波長光束回到主光路后通過衍射光柵按波長分光，從而為各探測器件接收并讀取信息。
利用彩色多層光盤系統(tǒng)記錄信息可以有效地增加光盤的存貯容量和顯著提高光盤的讀寫速度。如使用N層存儲，則可將容量和速度同時提高到單層存儲的N倍。
三、下一代有實用前景的超高密度光電存儲技術(shù)
光盤存貯由于受光斑尺寸的限制，密度提高有限。為滿足信息時代發(fā)展的需要，必須研發(fā)新的超高密度光電存貯系統(tǒng)。科學(xué)家們一致看好短期有實用前景的超高密度光電存貯技術(shù)，主要有下面幾種：
1、三維體全息存儲技術(shù)
這種存儲方式是利用光的干涉原理，在記錄材料上以體全息圖的形式記錄信息，并在特定條件下以衍射形式恢復(fù)所存儲的信息。三維多重體全息存儲，是利用某些光學(xué)晶體的光折變效應(yīng)記錄全息圖形圖像。一般常用的材料有重鉻酸鹽明膠、光致聚合物和光致變色材料等。
三維體全息存儲的原理是，待存儲的數(shù)據(jù)由空間光調(diào)制器調(diào)制成二維信息，然后與參考光在記錄介質(zhì)中發(fā)生干涉，并利用材料的光折變效應(yīng)形成體全息圖而完成信息的記錄。讀取時使用和原來相同的參考光尋址，以讀出存儲在晶體中的相應(yīng)的全息圖。根據(jù)體全息圖的布拉格角度或波長選擇性，改變參考光的入射角度或波長以實現(xiàn)多重存儲。由于布拉格選擇性非常高，所以體全息存儲可在一個單位體積內(nèi)復(fù)用多幅圖像，從而實現(xiàn)超高密度存儲。
體全息存儲技術(shù)的主要特點是：
（1）存儲密度高。存儲密度的理論極限值為λ-3（λ為光波波長），在可見光譜中該值約為1012bit/cm3.
（2）數(shù)據(jù)冗余度高。因信息是以全息圖的形式存儲在一定的擴展體積內(nèi)，而記錄介質(zhì)局部的缺陷和損傷只會使信號的強度降低，而不會引起信號的丟失，所以冗余度高，抗噪能力強。
（3）數(shù)據(jù)并行傳輸。全息圖數(shù)據(jù)以頁面的形式存儲和恢復(fù)，一頁中所有的位都并行地記錄和讀出（不像磁、光盤那樣串行方式逐點存取），其存取一頁的時間達1秒或更快，總的數(shù)據(jù)傳輸速率可達1.25Gbit/s。
（4）尋址速度快。數(shù)據(jù)檢索采用聲光或電光非機械尋址方式，因而尋址一個頁面的時間可小于50μs。
（5）有關(guān)聯(lián)尋址功能。用物光中的某幅圖像（或其部分）照射公共體積內(nèi)由角度復(fù)用存儲的多重全息圖，將會讀出一系列不同方向的“參考光”，各光的強度大小代表對應(yīng)存儲圖像與輸入圖像之間的相似程度。用此關(guān)聯(lián)特性，可實現(xiàn)內(nèi)容尋址操作和基于圖像相關(guān)運算的快速目標(biāo)識別。
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2、近場光學(xué)存儲技術(shù)
目前各種光盤驅(qū)動器均用光學(xué)鏡頭進行讀或?qū)懀湮镧R離介質(zhì)為毫米量級，屬于遠場光學(xué)存儲系統(tǒng)。雖然可通過短波長光激光器和固體浸沒透鏡等技術(shù)能使光盤記錄密度有一定的提高。但物鏡聚焦的光斑尺寸受遠場衍射極限的制約，而不可能從根本上實現(xiàn)光學(xué)存儲的超高密度。
在近場光學(xué)顯微鏡中，近場的小孔功能由光學(xué)探針的針尖來完成。光學(xué)探針尖端孔徑遠小于光的波長。當(dāng)把這樣的納米小孔置于距樣品表面一個波長以內(nèi)（即近場區(qū)域時），不僅可以探測到由物體衍射的傳導(dǎo)分量，而且可探測到非輻射場--隱失場分量（對應(yīng)于高的空間頻率，包括豐富的納米光學(xué)信息）。因此，近場光學(xué)存儲的基本原理是，通過納米尺寸的光學(xué)頭和納米尺寸的距離控制，實現(xiàn)納米尺寸的光點記錄。所以克服了衍射極限而提高了光存儲的密度。因此，就提高光學(xué)存儲密度來說，近場光學(xué)的超衍射分辨方法是最基本的方法。與其它高密度存儲方法相比，這種存儲方法具有兩大優(yōu)點：
（1）密度高、容量大。由于其讀寫光斑小，可大大提高存儲密度和存儲容量。并且存儲每兆數(shù)據(jù)的花費比普通光盤大大降低。如果采用多光束多光點并行的方法，其數(shù)據(jù)傳輸率還可進一步地提高。
（2）可充分運用已有的存儲中的成熟技術(shù)，以減少開發(fā)的時間和投資。這種近場光學(xué)存儲方法，可以利用其它存儲技術(shù)已經(jīng)成熟的相關(guān)技術(shù)。如硬盤驅(qū)動器中的磁頭懸浮技術(shù)和光盤存儲中的光頭飛行技術(shù)，因而不用另外去進行新的系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)。顯然，這對降低產(chǎn)品的價格起了很大的作用。
3、雙光子雙穩(wěn)態(tài)三維數(shù)字存儲技術(shù)
雙光子雙穩(wěn)態(tài)三維數(shù)字存儲，是根據(jù)兩個不同光束中的光子同時作用于原子時，能使介質(zhì)的原子中某一特定能級上的電子激發(fā)至高的電子能態(tài)即另一穩(wěn)態(tài)，并使其光學(xué)性能發(fā)生變化。因此，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、寫入與讀出。
任何光性質(zhì)的不同，都可用作信息的光記錄和讀出，所以雙光子吸收光學(xué)存儲有很多種形式：如光致色變、光敏聚合物、光致熒光漂白、光折變效應(yīng)等。
光致色變存儲是一種光子型記錄，它是在光子作用下發(fā)生化學(xué)變化而實現(xiàn)信息存儲的，其反應(yīng)時間極短。由于該過程是分子尺度上的一種反應(yīng)，因而能實現(xiàn)超高密度存儲。由于一定光致色變材料對一定波長的光線有吸引并反應(yīng)，而對其它波長的光線不敏感。因此，若記錄層含有吸收帶不同的多種或多層光致色變材料，則可用相應(yīng)的多種波長分別寫入和讀出，從而實現(xiàn)多波長的多重記錄。所以，通過多重多維記錄，在不改變光斑尺寸的情況下，能進一步提高單盤存儲容量。
光致色變存儲化合物作為光存儲介質(zhì)有許多優(yōu)點：
（1）靈敏度高、速度快，可達納米量級；
（2）可用旋轉(zhuǎn)涂布法制作光盤，制作成本低；
（3）信噪比高、抗磁性好；
（4）光學(xué)性能可通過改變分子結(jié)構(gòu)來調(diào)整，有利于有機合成等。
光致色變的實用化，還需解決與半導(dǎo)體激光器波長相適應(yīng)、熱穩(wěn)定性、寫擦疲勞等問題。
4、光譜燒孔存儲技術(shù)
光譜燒孔存儲技術(shù)是利用分子對不同頻率光吸收率不同來識別不同的分子，從而可以實現(xiàn)用一個分子來存儲一位信息，達到了超高密度存儲的目的。
由于可以通過改變激光頻率在吸收譜線內(nèi)燒出多個孔，即利用頻率維來記錄信息，從而在一個光斑內(nèi)存出多個信息，其存儲密度可提高2～3個數(shù)量級。
5、電子俘獲存儲技術(shù)
電子俘獲存儲技術(shù)的原理是電子的俘獲和釋放。其信息的記錄和讀取的過程只與電子的俘獲和釋放有關(guān)，而和光學(xué)材料的狀態(tài)及結(jié)構(gòu)變化無關(guān)。因此，可以以納秒時間實現(xiàn)寫入和讀出，反應(yīng)時間很快；無熱效應(yīng)；可反復(fù)擦除、使用壽命非常長等。
四、超高密度光電存儲技術(shù)的發(fā)展趨勢
上述這些新型的存貯技術(shù)可以實現(xiàn)存貯密度達入-3，或者是其記錄材料的微觀結(jié)構(gòu)的分辨率，所以能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的海量存貯。
由上看出，上述光電存儲技術(shù)都是以提高存儲密度、容量、可靠性和數(shù)據(jù)傳輸率作為主要的發(fā)展目標(biāo)。因此光電存儲技術(shù)的發(fā)展趨勢是：
從遠場光存儲到近場光存儲；
從二維光存儲到多維光存儲；
從光熱存儲到光子存儲等。；
超高密度光電存儲技術(shù)是一種代表著信息存儲發(fā)展方向的新技術(shù)，它在新世紀(jì)的信息光子時代將會發(fā)揮巨大的威力。與國外的發(fā)展態(tài)勢相比，必須加快我國超高密度光存儲技術(shù)的研究和發(fā)展，使它在促進我國信息科學(xué)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中起到關(guān)鍵的作用。
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