超高密度光存储技术的现状和今后的发展_金国藩
光存储技术发展现状及展望
光存储技术发展现状及展望随着科技的快速发展，信息存储需求日益增加，光存储技术作为未来存储技术的发展方向之一，受到了广泛。
本文将概述光存储技术的现状、重要性，并展望其未来发展方向。
光存储技术是指利用光学原理进行信息存储的技术。
目前，光存储技术主要包括光盘、光磁复合存储、全息存储、光学头阵列存储和光子晶体存储等多种技术。
其中，光盘是最常用的光存储技术，包括CD、DVD和蓝光光盘等格式。
光磁复合存储则将光学和磁学技术相结合，实现高密度、快速和大容量存储。
全息存储则通过记录光场的全息图像来实现信息的存储，具有高密度、快速和大容量存储的潜力。
近年来，光存储技术取得了显著的进展。
例如，光子晶体存储和光学头阵列存储等新兴技术的出现，为实现更高密度的光存储提供了可能。
在光存储材料方面，研究人员也在不断探索新型的光学材料和器件，以提高光存储技术的性能和稳定性。
光存储技术具有许多优点，因此在信息存储和未来发展中具有重要应用价值。
光存储技术具有高密度、快速和大容量存储的潜力，可以实现海量信息的存储和管理。
光存储技术对信息的安全性和可靠性较高，可应用于重要信息的长期存储和备份。
光存储技术还具有环保、低能耗等优势，符合绿色可持续发展的要求。
未来，随着大数据、云计算、人工智能等技术的不断发展，光存储技术在以下领域将具有更加广泛的应用：云计算：在云计算中心，光存储技术可实现高速、大容量数据存储和备份，提高云计算的效率和可靠性。
人工智能：在人工智能领域，光存储技术可应用于智能处理和决策系统中，实现高速、高精度的信息读写和处理。
医疗保健：在医疗保健领域，光存储技术可用于医学影像、生物样本等的存储和管理，提高医疗保健的质量和效率。
能源领域：在能源领域，光存储技术可实现太阳能的高效利用和储存，推动可再生能源的发展。
未来，光存储技术将面临更大的挑战和机遇。
以下是一些主要的发展方向：提高存储密度：进一步缩小光存储单元的尺寸，提高信息存储密度是光存储技术的重要发展方向。
超高密度光存储技术的现状和今后的发展_金国藩
第2期(总 第13期)2001年9月中 国 计 量 学 院 学 报JOURN AL O F CHIN A INS TIT UT E OF M E TROLOGY №.2(Sep.13)Mar.2001 【文章编号】 1004-1540(2001)02-0006-07【收稿日期】 2001-04-09【作者简介】 金国藩(1929-),男,浙江绍兴人,教授,中国工程院院士、国家教育部科技委副主任,目前所从事的科学研究为计算全息,二元光学,光计算.超高密度光存储技术的现状和今后的发展金国藩,张培琨(清华大学精仪系光电工程研究所,北京 100084)【摘 要】 文章综述了光存储领域的研究进展,主要包括体全息存储、近场光学存储和双光子双稳态存储技术.在介绍各种存储技术发展现状的同时,分析了各自的优势和存在的问题.从整个光存储学科发展的角度给出了未来的趋势.【关键词】 光存储;体全息;近场光学;双光子【中图分类号】 TN 29;O438 【文献标识码】 A1 信息时代的光学存储21世纪人类进入信息社会,知识经济成为推动社会进步,促进科技发展的强大动力,信息存储、传输与处理是提高社会整体发展水平最重要的保障条件之一.全球的信息量今后几年会以更快的速度增长.由于信息的多媒体化,人们需要处理的不仅是数据、文字、声音、图像,而且是活动图像和高清晰的图像等.一页A 4文件为2KB (千字节),而一张A 4彩色照片就占5M B (兆字节),放一分钟广播级的FM V 就要占40M B,可见信息量与日俱增.在信息技术的几个环节(获取、传输、存储、显示、处理)中,信息存储是关键.20世纪80年代到90年代,人们最关心的是信息处理,即如何提高计算机芯片的处理速率和效率,全球掀起的计算机主处理器竞争已使本世纪可达1GHz 的处理速度;随后通信网络的掀起及数据共享和通信使人们认识了网络时代的到来;面对21世纪,人们又在考虑如何有效地存储和管理越来越多的数据和如何应用这些数据,信息存储空间日益拥挤,信息数据的采集和数据管理体系的复杂性越来越高,以及网络的普及,导致21世纪信息技术的浪潮将在存储领域兴起.光信息存储(简称光存储)作为继磁存储之后新兴起的重要信息存储技术(目前以光盘为代表的光学数字数据存储技术)已成为现代信息社会中不可缺少的信息载体.与磁存储技术相比,现有的光盘存储技术具有许多特点:(1)数据存储密度高、容量大、携带方便.目前普通的 120m m 的光盘能存储650M B,是硬磁盘的几十倍,软盘的几百倍.(2)寿命长、功能多.在常温环境下数据保存寿命在100年以上,且可根据用途采用不同介质制成只读型、一次写入型或可擦除型等不同功能的光盘.(3)非接触式读/写和擦.(4)信息的载噪比高,光盘的载噪比可达50dB 以上.(5)生产成本低廉、数据复制工艺简单、效率高.以CD 系列为代表的第一代光盘技术产品的存储容量仍为十年前的650M B ;第二代DV D 系列的单面双层存储容量为8.5GB,盘容量为17GB [1];2000年日本So ny 公司采用兰光激光器实现单面存储容量达25GB 的高密度DV R 已见报道[2].尽管如此,作为计算机科学中的关键研究领域的高密度数据存储,为了满足预计到2005年新型网络系统和第三代多媒体出现时计算机外部存储容量至少应为100GB ,数据传输率至少为50M B /s 的需求,则必须运用新原理,启用新材料才有可能研究出新一代超高密度、超快速存储系统.图1 时代对信息存储量的要求图2 光存储的未来发展趋势 实际上,各发达国家都已投入了大量人力财力开展超高密度、超快速数据存储方面的研究.尽管人们在开展各式各样的高密度存储研究,但一致看好短期有实用前景的存储方法主要集中在三维体全息、近场光学存储、双光子效应存储等方面.美国Jet Propulsion 实验室、Ro ckw ell 科学中心、Stanfo rd 大学、亚利桑那大学光学中心、Carnegie Mellon 大学数据存储系统中心、IBM 、A T &T 、NIST,日本松下、N TT 、SON Y 、SEIKO 等研究机构都在开展三维体全息、近场光学存储、双光子效应存储等方面的研究.我国也将这方面的研究列入了国家重点基础研究发展规划(973)项目中,以便跟上国际高新技术发展的步伐并获得自主的知识产权.图3 由于激光波长的减小和物镜数值孔径的增大,DV D 盘面的坑点尺寸可以减小而提高了DV D的存储密度图4 体全息存储原理图2 光学体全息存储的发展现状光学体全息存储是超高密度存储最重要的研究领域之一.早在1963年美国科学家Pieter J.va n Heerden 就曾提出利用全息术进行数据存储的概念[3],起初由于缺少合适的记录材料以及当时的光学及光电子元器件技术还不成熟,因而在随后很长一段时间内,体全息存储的研究工作进展很小.目前,随着计算机科学和现代信息处理技术的不断发展,一方面,对于具有大容量、高传输率、可快速存取的数据存储系统提出了日益迫切的要求,另一方面,随着新型优良全息记录材料(如光折7 第2期金国藩,等:超高密度光存储技术的现状和今后的发展8中 国 计 量 学 院 学 报2001年 变晶体和光聚合物)的研制出现以及相关元器件,如高密度空间光调制器(SLM)和CCD光电探测阵列制造技术的不断进步,可满足各种实际应用要求的体全息数据存储系统正逐步成为可能,人们对体全息存储的兴趣又重新高涨起来.一般的光学体全息数据存储基理可简单描述为: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并被介质记录,利用体全息图的布拉格选择性,改变参考光的入射角度或波长以实现多重存储.1991年加州理工学院(CIT)的F.H.Mo k等人[4]在1立方厘米掺铁铌酸锂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成为再度掀起体全息存储技术研究热潮的标志.1994年斯坦福大学Hesselink领导的研究小组把数字化的压缩图像和视频数据存储在全息存储器中,图像质量无显着下降[5].1995年由美国政府和工业部门主持,投资约7000万美元,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、存取速率为每秒1000M B的一次写入或可重复写入的全息数据存取系统.1997年CIT的Allen Pu和D.Psaltis使用球面参考光通过移位复用在1m m厚的掺铁铌酸锂晶体上获得面密度为100bits/μm2的体全息存储[6];1998年Bell实验室的K.Curtis等利用相关复用技术(Correlatio n Mutiplex ing)在掺铁铌酸锂中的存储面密度超过了350bits/μm2[7].1999年D.Psaltis 等人又在铌酸锂晶体中记录了160,000幅全息图;H.J.Eichler(Berlin Technical Univ ersity,Ger-ma ny)提出采用微全息盘式存储方案,使用1微米光腰的激光采用10个波长复用以及16个角度复用可以在CD大小的盘上两层共存储100Gby te的容量[8].以上研究结果表明体全息存储面密度至少能达到几百bits/μm2,而现有的二层四面的DV D总的面密度也仅近似为20bits/μm2.显然,体全息存储可使存储容量较目前光盘呈数量级地提高.在克服光折变晶体固有的读写时已有存储信息被部分擦除的缺点方面,研究焦点集中在光致聚合物全息存储和双光子无挥发双掺光折变晶体的全息存储上.2000年 A.Adibi和 D.Psaltis等用紫外和红光在双掺锰和铁的铌酸锂晶体上实现了无挥发全息存储[9].我国在光折变非线性光学材料与效应的基础研究中也已取得许多成果,非线性光学晶体生长技术在国际上取得较高的地位.1998年以来清华大学相继完成单一公共体积中存储1000幅[10],动态散斑全息存储[11]及系统小型化的研究;、北京工业大学实现了盘式单轨2000幅和盘式多轨10000幅全息图像存储的验证性实验[12].光学体全息数据存储具有如下几个显着特征:(1)数据冗余度高:信息是以全息图的形式存储在一定的扩展体积内,因而具有高度的冗余性.在传统的磁盘或光盘存储中,每一数据比特占据一定的空间位置,当存储密度增大,存储介质的缺陷尺寸与数据单元大小相当时,必将引起对应数据丢失,而对全息存储来说,缺陷只会使得所有的信号强度降低,而不致引起数据丢失.(2)数据并行传输:信息以页为单位,并行读写,因而可具有极高的数据传输率,其极限值将主要由I/O器件(SLM及CCD)来决定.目前多信道CCD探测阵列的运行速度已可达128M Hz,采用巨并行探测阵列的全息存储系统的数据传输率将有望达1Gby te/s[13].(3)存储密度高:利用体全息图的布拉格选择性或其它选择特性,可在同一存储体积内多重存储很多全息图,因而系统的有效存储密度很高.存储密度的理论极限值为1/λ3,其中(为光波波长,在可见光谱区中,该值约为1012bits/cm3.现已发展了多种复用存储技术,例如,1991年C.Denz等采用相位编码复用技术[14]、1992年 A.Ya riv等采用波长复用技术[15]、1993年F.H.M ok采用角度复用技术[16]、D.Psaltis等1995年采用移位复用技术[17]、1996年C.C.Sun等采用随机相位编码复用技术[18]以及随后其它不同的混合复用技术分别实现了多重全息存储.(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,因而系统的寻址速度很快,数据访问时间可降至亚毫秒范围或更低.例如,美国Rockw ell 于2000年提出的两种分别存储100M B 和1GB 的系统都是利用声光调制器来实现小于50μs 的寻址功能[19],而传统磁盘系统的机械寻址需要10ms.(5)具有关联寻址功能:对于块状角度复用体全息存储,如果在读出时不用参考光而改由物光中的某幅图像(或其部分)照射公共体积内由角度多重法存储的多重全息图,那么将会读出一系列不同方向的“参考光”,各光的强度大小代表对应存储图像与输入图像之间的相似程度,利用此关联特性,可以实现内容寻址操作,该功能对基于图像相关运算的快速目标识别(如原Holoplex 公司利用体全息存储技术已做成一种高速“全息指纹识别系统”,其样机存储1,000幅指纹图像,在一秒钟内便可完成输入指纹与所有存储内容的快速准确比较[5];清华大学建立了基于体全息存储的快速人脸识别光电混合系统,在1秒内实现200幅人脸快速识别[20-22])、自动导航(如CIT 的D.Psaltis 利用体全息存储器特有的内容关联存储特性,构成的快速车辆导航系统[5])、卫星星图匹配定位、大型数据库的检索与管理等应用十分重要.目前制约体全息存储的关键仍在于获取合适的存储记录材料.图5 探针型近场存储图6 超分辨率近场结构存储3 近场光学存储的发展现状图7 固体源没透镜近场存储近场光学存储是超高密度光存储的另一重要研究领域.基于超衍射分辨的近场光学原理和方法的近场存储将可能使存储密度提高几个数量级.存储线宽可以达到10～50nm,相应的理论存储密度可以达到1000GB /in 2以上.近场固体浸没透镜(SIL)虽然只能够得到100nm 左右存储光斑,但存储密度也提高了十倍,达到40GB /in 2以上.国外所建立已能够进行存取数据操作的实验系统可分为三种:(1)探针型近场存储,它是将激光束通过直径非常小的孔对存储介质进行记录和读取,当记录介质距小孔相当近,则通过小孔的光便在光盘上形成尺寸与小孔相当的记录点.1996年Ho saka 用这种方法以785nm 的激光在相变介质上获得了60nm 的记录点[23],而经典光学显微镜的衍射受限分辨率约为250nm 左右;1999年贝尔实验室的 A.Partovi 小组抛弃传统的光纤探针,采用250nm 大小孔径的微小孔径激光(V SAL ,v ery -small -aperture laser )(波长为980nm )获得了250nm 的记录点[24].(2)超分辨率近场结构存储(super-RENS)是在盘片中距记录层20nm 处加掩模层,基于近场9 第2期金国藩,等:超高密度光存储技术的现状和今后的发展增强效应和近场表面等离子波效应,掩模层在激光照射下产生纳米尺寸隐失场,在近场区域内所产生的光斑直径要小于衍射极限分辨尺寸,从而实现超分辨率的记录点.目前日本的Tominaga 利用这种方法已得到81nm 的记录点[25].(3)固体浸没透镜(Solid Imm ersion Lens,SIL)近场存储,是通过使用高数值孔径的固体浸没透镜来减小读写光斑的直径.SIL 底面和记录介质之间距离保持在近场范围内,聚焦在SIL 底面的光斑通过近场耦合将隐失场光能量传到记录介质中实现高密度的记录,其理论上可获得直径为125nm 的光斑.1999年丰田科技学院的A.Chekanov 等人用SIL 方案在磁光介质上获得了150nm 的记录点[26].国内近场光学的研究大多集中于近场光学成像、近场光学荧光探测等.北京大学曾使用探针式近场光学显微镜系统进行了量子阱、量子线、激光器近场光谱和生物样品成象实验.清华大学建立了近场光学显微镜系统,自制了纳米光纤探针对多种样品进行成象,分辨率达到50～100nm.设计了固体浸没透镜式近场光学超高密度存储系统,同时在进行super -RENS 光盘的研究.中国科技大学对有源和无源光纤探针进行了研究.近场光学存储的优势突出在读写光斑的减小大大提高存储的面密度和容量,同时可以充分利用已有的相关技术,与现有的光盘存储系统兼容,如硬盘驱动器的空气悬浮技术等而无需另行重新设计开发新的系统.但如何控制高速旋转的记录盘片表面与近场光学读写头间距保持在近场范围是一难题.图8 双光子数据存储实验装置4光学双光子双稳态三维数字记录的发展现状光学双光子双稳态三维数字记录基本原理是根据两种光子同时作用于原子时,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,所以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写入,读出.利用材料折射率、吸收度、荧光或电性质的改变来实现存储.信号由于是荧光读出,在未写入点无荧光,是零背景过程,所以读出灵敏度很高.由于此反应属于原子对光量子的吸收过程,反应速度为皮秒级,而最小记录单元,理论上可达到原子级.这种方法能实现Tbits /cm 3的体密度,可达到40M B /s 的传输率.国际上最有代表性的是美国加州大学Sa n Diego 分校及Call &Recall 公司,其100层的记录方法已见报道.1997年,A.S.Dv ornikov 等人(Uni-versity o f California,U SA.)采用双光束写入、单光束读出的方案,材料为罗丹明B,制成立方体形状:10×10×10m m 3,存储100层共1Mb ,10000bit /层,信息单元的间距为30μm .写入时,掩膜被Nd :YAG 锁模脉冲(波长1064nm ,脉宽35ps)照射,成像在立方体材料上形成4mm ×4mm 平面.532nm 倍频的激光束变形聚焦成80μm ×5m m 的片状,与立方体内的IR 图像平面对齐,从而记录信息.读出采用200μw 、CW 型、543nm 的He -Ne 激光器[27].1998年,Y.kaw ata,S.Kaw ata 等人(Osaka Univ ersity ,Japa n)用双光子吸收技术,采用单光束写入、单光束读出方案,在光折变晶体LiNbO 3(10×10m m ×800μm)上进行了三维光学记录.层间距约20μm,信息单元的间距是5μm,记录了7层.写入采用Ti :Sapphire 锁模脉冲(波长762nm ,脉宽130fs ,峰值光强0.4KW /μm 2)和N A =0.85的物镜.读出采用背面光照方式,利用Zernike 相10中 国 计 量 学 院 学 报2001年 衬显微镜,物镜N A =0.75.推测密度为33Gbits /cm 3(1.2×1.8×14.2μm )[28].1999年,H .E .Pudav ar 等人(State Univ ersity o f New Yo rk ,)同样采用单光束写入、单光束读出方案,材料为掺杂AF240(2%)光色变分子的有机聚合物(来源于U S Airfo rce Research Labo ra-to ry ),结构为多层盘片式.实验存储密度为100Gbits /cm 3(推算依据:层间距10μm,位间距1μm ).写入时,采用Ar 离子泵浦的Ti :Sapphire 锁模脉冲(波长798nm ,脉宽70fs ,重复频率90M Hz ,平均功率200mw ),60×油浸物镜和XYZ 扫描平台.读出时采用同样的激光器,但平均功率低,为10～20mw [29].此外,俄罗斯的N.I.Koro teev 等人(M oscow State Univ ersity ),使用N P 光色变分子材料搭建了单光束写入、单光束读出装置.存储材料每层厚1μm ,层间距30μm,点间距 1.7μm [30].国内清华大学从1995年开始这一研究,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,获国家发明专利.对于已有的双光子存储方案,我们可以看出:(1)在双光束记录结构中,由于对各自光束的峰值功率要求不太高,可以采用皮秒级的Nd:YAG 锁模脉冲激光器.(2)在单光束记录结构中,由于对光束的峰值功率要求很高,必须采用飞秒级的Ti :Sapphire 锁模脉冲激光器.然而,大型和昂贵的飞秒Ti :Sapphire 锁模脉冲激光器成为制约双光子存储实用化的一个主要因素.(3)存储体的形状多采用立方体(cube)、或多层盘片结构,且大都采用XY Z 平台寻址.(4)记录信息的读取,普遍采用“共焦显微”系统以及CCD 摄像头.(5)对于光色变材料的信息,可以采用双光子读出或者单光子读出方案.单光子方案易于采用“page By page ”的读出系统.但是单光子读出方案的层间窜扰要大于双光子读出方案,因此必须采用“共焦显微”结构.(6)在光色变存储方案中,AF240材料的存储密度可达到100Gbits /cm 3以上.而在光折变材料方案中,由于球差和擦除作用,使在LiNbO3(铌酸锂)晶体中仅能达到33Gbits /cm 3.另外,由于是荧光读出也就对弱信号检测提出更高的要求.图9 提高光学存储密度不同可行方案5 超高密度光存储技术的发展趋势除了上述所种光存储技术外,还有许多其它存储技术也在发展之中,如光谱烧孔技术(目前其工作温度要求低温是最主要的障碍)、激光微爆存储技术和电子俘获存储技术等等.所以这些技术都是以提高存储容量、密度、可靠性和数据传输率作是其高密度光存储技术的主要发展目标.只要是利用光来改变某种稳定物质的物理或化学状态记录信息的各种方法都属于光存储技术的研究范畴.但从整个学科发展的角度预测,今后高密度光存储技术的主要发展可能着重于:(1)数字式记录仍是最基本和有效的方式,人们对信息的使用仍然主要基于计算机和网络,各类信息都要数字化.(2)进一步缩小记录单元是发展高密度光存储的一有效途径.近场超分辨存储就是典型的尝试.随着精密技术及弱信号处理等相关技术的进步,相信信息的记录单元将从目前的分子团逐渐减小到单原子或分子量级.(3)从目前的二维存储向多维存储发展.所谓的多维包括两方面的含义,一方面是指记录单元空间尺度的多维,即平面存储拓展到三维体存储,已有的努力如双光子多层存储及1999年V.Markov 等(Metrolaser Inc.,Califo rnia U SA)利用散斑全息实现的多层全息存储等[31];另一方面是指复用维数的多维,例如H .J .Eichler 提出的微全息存储技术就是将传统的光盘存储位用微全11 第2期金国藩,等:超高密度光存储技术的现状和今后的发展12中 国 计 量 学 院 学 报2001年 息光栅来表示,利用全息的波长或角度选择特性使实际存储复用维数得到增加[9].(4)并行读写逐步代替串行读写提高数据的读取传输率.并行读写功能是体全息页面存储的一个固有特性,也是体全息存储被普遍重视的原因之一.(5)改善和发展存储系统的寻址方法,努力实现无机械寻址功能的实用化,从根本上解决目前难以提高随机寻址速度的问题.这方面体全息存储系统中的声光调制寻址和相位编码寻址就是很好的尝试.(6)光学信息存储同光学信息处理精密结合以提高信息系统整体性能及功能,充分利用光学特性实现信息存储、传输、处理和计算的集成.【参 考 文 献】[1] 徐端颐.光盘存储系统设计原理[M].国防工业出版社,2000.624.[2] N IK KEI EL ECT RO N ICS,2000年10月9日号,N o.780,33-34.[3] P.v an H ee rden,Appl.O pt.,1963,2:393.[4] F.H.M ok,et al.,Opt.Le tt.,1992,16:605.[5] D.Psaltis,et al.,Scientific America n,N ov ember,1995,70.[6] A.Pu and D.Psaltis.T opical M eeting o n Optical Data Sto rag e-Dig est of Technica l Paper s Apr7-919971997Sponso red by:IEEE O ptical So c of America p48-49.[7] K.Cur tis,W.L.Wilso n,U.S.Pa tent,PN:5,719,691,g ra nted1998.[8] H.J.Eichle r,P.Kuemmel,S.O r lic,et al.,IEEE J.of Selected to pics in Quantun Electr on.,1998,4(5).[9] A.Adibi,K.Buse, D.Psa ltis,O pt.Lett.,2000,25(8):539-541.[10] 李晓春,等.光学学报,1998,18(6):722-725.[11] P.Zhang,Q.He,G.J in,e t a l.SP IE's Pho to nics Taiwa 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ultraviolet and extreme ultravioletCHEN Xing -dan(Changchun Institute o f Optics,Fine M echanism and Ph ysics,Chinese Academy of Sciences ,Cha ng chun 130022,China )Abstract :This paper introduces som e resea rch finding s in short w aveleng th optics of Cha ngchun Institute of Optics and Fine m echa nism in eig hties and nineties o f last century.Key words :ultraviolet ;ex treme ultraviolet(上接第12页)Trends in reseach on super-high density optical storage JIN Guo-fan,ZHAN G Pei-kun(Sta te Key La bo ra tor y o f Pr ecisio n M ea sur ement Techno lo g y and Inst rumentsDepa rtme nt o f Precisio n Instr uments ,Tsingh ua U niv er sity ,Beijing 100084,China )Abstract :Nov el optical sto rag e is an indispensable im po rtant storag e technolog y in modern info r-ma tion society.In this paper,the recent resea rch prog ress in o ptical sto rag e,including the vo l-ume ho log ra phic sto rag e and nea r -field optical sto rag e as w ell as two -photon optical storage ,is review ed.At the sa me time the adv antag e and disadv antag e of each sto rag e technolog y are ana-ly zed.The dev eloping tendency o n super-high density storage is giv en from the point of view of w hole o ptical sto rag e .Key words :optical sto rag e ;vo lum e holog ram ;near -field o ptics ;and tw o -photon 15 第2期陈星旦:应用紫外·极紫外。
超高密度数据存储技术的研究与开发
超高密度数据存储技术的研究与开发数据是现代社会运转的动力，是信息时代的核心资产。
数据的大爆发，让人们对数据的存储需求越来越高。
传统的数据存储技术虽然已经趋于成熟，但已经不能满足现代社会对数据存储的需求。
为了更好地实现对数据的管理和应用，人们在不断地研究和探索新的数据存储技术。
其中，超高密度数据存储技术就是一种备受青睐的新型技术。
超高密度数据存储技术是一种以光学、电子、存储介质和读取方式等多种技术为基础的新型技术。
超高密度数据存储技术的主要特点是可以在极小的存储介质面积上存储大量的数据。
这种技术不仅可以提高存储数据的能力，还能够大幅度缩小数据存储设备的体积。
在追求体积小、重量轻、存储容量大的今天，超高密度数据存储技术不仅具有前景，而且已经成为发展趋势。
超高密度数据存储技术的研究和开发已经成为众多科学家和研究者们的关注点。
在这些研究中，介质材料的选择是一个非常重要的考虑因素。
介质材料的优劣直接影响了超高密度数据存储系统的读写速度和可靠性。
目前，硅、氧化硅、硅酮、聚合物和有机玻璃等是超高密度数据存储介质材料中比较流行的选择。
在超高密度数据存储技术的研究和开发中，还需要注意的一个因素是读取方式。
目前常用的读取方式包括：扫描隧道显微镜探头读取和激光散斑照相读取。
扫描隧道显微镜探头读取的优点是精度高，但也存在一定的不便性。
激光散斑照相读取相对于扫描隧道显微镜探头读取来说则更方便，而且成本更低。
除此之外，针对不同场景下的需求，针对性的超高密度数据存储技术也得到广泛的研究。
例如，基于DNA存储技术的超高密度数据存储技术，其超高密度特性、稳定性和可靠性的特点，使其在数字存储和容量问题等方面具有一定优势，可以满足不同场景下的需求。
超高密度数据存储技术在未来的应用领域非常广泛，尤其是在云计算、物联网、智能家居等领域，应用前景巨大。
相信在各方的努力下，超高密度数据存储技术也将越来越成熟。
光存储技术研究现状
光存储技术研究现状光存储技术研究现状光存储技术是一种基于光学原理的数据存储技术，它通过利用光的特性实现数据的存储与读取。
在过去几十年里，随着科学技术的发展和研究的深入，光存储技术已经取得了许多重要的突破和进展。
首先，光存储技术的核心是利用光的强大穿透力和高速度进行数据存储。
光存储的基本原理是在一块特殊的介质中，通过激光的照射将数据以二进制形式编码并存储在其中。
由于激光的高能量和高速度，使得光存储技术在存储密度和读取速度方面具有明显优势。
其次，传统的光存储技术主要包括光盘和光纤存储。
光盘是最早应用光存储技术的产品，它通过激光的照射将数据表面刻上微小的凹槽或凸起，表示0或1。
而光纤存储是将数据以光信号的形式通过光纤进行传输和存储。
然而，随着科技的进步，研究人员不断探索和发展新的光存储技术。
一种新兴的光存储技术是体积全息存储。
体积全息存储是利用激光束的干涉特性将数据存储在介质的三维空间中。
相比传统的二维光存储技术，体积全息存储具有更高的存储密度和更快的读取速度。
此外，研究人员还在探索其他新的光存储材料和技术。
例如，相变存储技术利用物质的相变特性进行数据的存储和读取，具有较高的可靠性和长期稳定性。
其他的研究方向还包括量子存储和超短脉冲激光存储等。
尽管光存储技术已经取得了很多突破，但仍然存在一些挑战和问题。
首先，高速度的激光束对光存储材料的要求较高，限制了技术的发展。
其次，光存储技术在成本和可靠性方面仍需进一步改进。
最后，光存储技术在商业化应用方面还存在一定的难题。
总的来说，光存储技术作为一种新兴的数据存储技术，具有许多优势和潜力。
随着科技的不断进步和研究的深入，相信光存储技术将会在未来发挥更重要的作用，并带来更多的创新和突破。
光存储技术的发展趋势与未来应用展望
光存储技术的发展趋势与未来应用展望随着科技的不断发展，以及大数据、人工智能等技术的迅速崛起，存储技术的重要性也逐渐凸显出来。
现在市面上的存储设备多种多样，从传统的机械硬盘到固态硬盘，再到最近几年兴起的全闪存存储等等。
但是，在众多存储技术中，光存储技术也许是最具潜力的一个。
所谓光存储技术，就是利用激光等光源对材料进行刻写，读取和擦写的一种存储方式。
与传统的机械硬盘和固态硬盘相比，光存储的容量更大、速度更快、寿命更长、安全性更高，而且还能实现数据的非接触式读取。
因此，在未来的数码时代，光存储技术将有着广泛的应用前景。
下面，我们就一起来看看光存储技术的发展趋势以及未来应用展望。
一、光存储技术的发展趋势1.高密度存储。
随着社会的信息化程度不断提高，数据量也在不断增加。
在这种情况下，光存储技术的发展势头十分强劲，高密度存储是其中一个方向。
据统计，目前已经有企业在开发超过1TB的光盘，而且这种高密度光存储还有望实现动态存储和可重复写入等功能。
2.快速读写。
在机械硬盘和固态硬盘的读写速度不断提升的情况下，光存储也在向更快的方向发展。
未来的光存储技术或许能够实现GB/s级别的极速读写，进一步提高存储效率和响应速度，满足大规模数据存储和处理的需求。
3.低成本。
尽管光存储的存储密度和速度都非常优异，但是目前的光存储产品仍然比较昂贵。
因此，未来光存储技术的发展趋势之一就是降低成本。
例如采用更便宜的材料、更简单的制造工艺和更先进的生产流程，借此来迎合市场的需求，走向更广泛的用户群体。
二、光存储技术的未来应用展望1.高清储存。
在视频流媒体时代，高清画质已经成为一种标配。
而为了保证高清画质的储存和播放，以及缩短解码时间，光存储技术就显得尤为重要。
未来，光存储设备或许可以实现更大容量、更高速度的高清视音频数据储存和传输，更好地满足人们对高清体验的需求。
2.大数据存储。
在大数据时代，海量数据的存储和处理成为了一个巨大的挑战。
而光存储技术的高密度储存能力和快速读写速度，可以更好地满足大规模数据存储的需求。
超高密度磁光存储及其介质研究进展
超高密度磁光存储及其介质研究进展3王现英 张约品 沈德芳 干福熹(中国科学院上海光学精密机械研究所 上海 201800)摘 要 短波长(蓝光)磁光存储、磁光超分辨近场结构光存储(Super 2RE NS )、混合记录技术是近年来发展起来的超大容量磁光存储技术,文章介绍了这些技术用于超高密度磁光存储的原理,并对其研究现状及发展前景作了全面综述.关键词 超高密度磁光存储,短波长,超分辨近场结构光存储,混合记录NEW PR OGRESS IN SUPER HIGH DENSIT Y MAGNETO 2OPTICA L RECOR DINGW ANG X ian 2Y ing ZH ANG Y ue 2Pin SHE N De 2Fang G AN Fu 2X i(Shanghai Institute o f Optics and Fine Mechanics ,Chineses Academy o f Sciences ,Shanghai 201800,China )Abstract Short wavelength magneto 2optical ,magneto 2optical super resolution near 2field structure and hybrid recording are three possible means to obtain super 2high storage density.W e present a com prehensive review of the principles ,recent progress and future prospects of these technologies.K ey w ords super high density M O storage ,short wavelength ,Super 2RE NS ,hybrid recording3 国家自然科学基金(批准号:59832060)重点资助项目2002-04-03收到初稿,2002-05-27修回 通讯联系人.E 2mail :wangxianying @1 引 言信息社会的发展需要超大容量的信息载体,近年来,无论是光存储还是磁存储都在向着高密度化的方向发展.在光存储方面,短波长激光器、高数值孔径透镜的应用及固体浸没透镜、近场光学、全息存储等技术的发展,使得记录密度大大提高.而磁存储密度近年来以每年60%的速度快速增长,估计在不久的将来会达到由超顺磁性决定的理论极限(100G bit Πin 2).磁光存储作为一种与全光存储、磁存储并存的存储方式,具有信噪比高、可擦重写、可更换等一系列的优点,因此日益成为一种重要的记录媒体.自从20世纪80年代磁光光盘商业化以来,其存储密度在不断提高,目前已经发展到第五代,315英寸磁光盘的单面存储容量达到2156G B.围绕磁光存储的高密度化,前人已经做了大量的工作,磁致超分辨技术(MSR )、磁畴放大读出技术(MAM MOS )、畴壁移动检测技术(DW DD )和激光脉冲磁场调制技术(LP 2MFM )等技术的提出大大提高了读出分辨率和写入密度.而近几年来,短波长激光器(410nm 左右)在光盘存储中的应用、近场光学、超分辨技术的发展以及混合记录技术的提出,又为提高磁光存储密度的研究指明了新的方向,使实现100G bit Πin 2以上的超高存储密度成为可能.本文将对这些磁光存储研究的最新动态给以全面综述.2 短波长磁光存储同光存储一样,在磁光存储中,也受光的衍射效应限制,使记录点直径为[1]D =1122λΠn sin θ,(1)其中λ为记录激光波长,n sin θ为光学头的数值孔径.由上式可以看出,减小记录激光的波长或增大光学头的数值孔径,都可以减小记录点的尺寸,从而增加存储密度.近年来,随着G aN 短波长激光器性能的不断提高,它在光盘存储中的应用前景也越来越好,因此,蓝光存储的研究也越来越多.对蓝光在磁光存储中的应用研究也是国外研究高密度磁光存储的热点之一,研究的内容主要集中在对传统磁光光盘结构的改进和新型短波长磁光存储材料的研究两个方面.211 稀土-过渡族合金(RE -TM)薄膜作短波长磁光存储介质RE -T M 合金薄膜是目前已实用化的磁光存储介质,但是它的克尔(K err )角随着波长的减小而降低,被认为不适合短波长磁光存储.但是,研究者并未因此而放弃,这是因为RE -T M 作为磁光存储介质本身有很多的优点.以RE -T M 作为蓝光磁光存储的介质时,聚焦光斑内单位面积蓝光的能量比红光要高得多,过高的能量积累会引起K err 角的减小及记录磁畴的不稳定,对光盘热学结构进行重新优化设计可以解决这个问题;另外随着记录密度的提高,由衬底槽的粗糙引起的噪声水平增大,信噪比减小,用紫外光照射衬底可以减小噪声.Y.Sabi 等人[2]对传统的磁光光盘结构做了热学结构的优化设计,在记录层与上介质层之间镀一层金属作为热传导层(如图1所示),用407nm 的K r 激光器作为光源,以激光脉冲磁场调制法记录,在数值孔径为0160时,得到记录点的长度为210nm ,道间距为500nm ,这相当于611G bit Πin 2的记录密度.结果还表明,改进结构后的磁光盘读出载噪比最大达44dB.在此基础上,K.K awase 等人[3]进一步采用槽Π平台记录方法,得到了10G bit Πin 2的记录密度.图1 改进结构的RE -T M 光盘结构MSR ,MAM MOS ,DW DD ,LP -MFM 技术都是以RE -T M 合金为记录介质发展起来的用于提高磁光存储密度的方法.在激光波长为780nm 时,上述技术的应用可使记录密度提高4—6倍,如果进一步结合短波长技术,采用410nm 左右的激光器件,可使记录密度提高近20倍.S ony 公司的Y asuhito T anaka 等人[4]用蓝光(406nm )与中心孔探测型磁超分辨(C AD -MSR )技术相结合,在数值孔径为016时,实现了11G bit/in 2的高密度记录.MAM MOS 同蓝光相结合,可实现50G bit/in 2的记录密度,这意味着120mm 盘的实际容量可达75G B.T etsuhiro Sakam oto 等人[5]用蓝光结合DW DD 技术,得到了15G bit/in 2的高记录密度.但是以RE -T M 合金作为记录介质,蓝光与上述技术结合时光盘的结构都特别复杂,磁性层就多达五层[6],如此复杂的结构势必会影响实用化的进程.212 新型短波长磁光存储介质传统的TbFeC o 磁光存储薄膜在短波长时克尔效应下降,因此它作为短波长磁光存储介质具有先天不足性,从长远来看,必须找到在短波长时有较大克尔效应的新材料来作为存储介质.目前所研究的短波长磁光存储材料大体上有以下几种:(1)轻稀土-过渡族合金(LRE 2T M ),它在短波长时有较大的克尔效应,但是很难形成垂直于膜面的磁畴;(2)MnBi 2Al 合金,由于Al 的掺入,改善了MnBi 合金的晶粒和晶相,但写入功率太高.(3)掺Bi 的石榴石氧化物薄膜,有很好的磁光性能和记录性能,但是非晶薄膜需要热处理变成晶态使用,过高的热处理温度限制了塑料衬底的应用,玻璃衬底的成本很高;(4)Pt/C o 多层膜和Pt -C o 合金膜,有好的垂直各向异性,在短波长时有大的克尔角,晶粒细小,但还存在居里温度偏高,重复擦写次数不足等缺点.可见,短波长磁光存储材料的实用化都存在着许多问题,还有很多工作需要做.Pt/C o 多层膜和Pt -C o 合金膜在短波长时的磁光性能最佳,是最有希望能够实用化的下一代磁光存储介质.将短波长存储材料用于磁超分辨、磁畴检测放大、畴壁移动检测等技术中,可以避免RE -T M 作介质时光盘结构复杂,实用化的希望将更大.3 磁光超分辨近场结构存储技术当光通过带有比光波长还小的微孔的微细探针时,在距离探针几十个纳米的范围内,光斑不发生衍射,其大小将等于微孔尺寸,这时所产生的光称为近场光.如果能将近场光用于信息存储,记录点的尺寸就可以不受光斑衍射极限的限制,而只和产生近场光的小孔的尺寸有关,那么光盘存储的极限密度就可以大大增加,实现Tbit/in 2的高密度记录.但是,要用微细探针作为近场光发生器用于光盘驱动器上,在动态的条件下保持探针与光盘之间的距离在几十个纳米的范围内,几乎是不能实现的.为解决上述难题,在1998年J.T ominaga 等人[7]提出了超分辨近场结构(Super -RE NS )光存储技术.311 Super -RENS 的原理[8]Super -RE NS 技术是基于超分辨光盘(SR )和近场光学显微镜(NS OM )而提出的.它又分为孔径型近场超分辨(T A -Super -RE NS )和散射型近场超分辨(LSC -Super -RE NS ),其基本原理如图2所示.图2 近场超分辨光存储的原理图类似于超分辨光盘的设计[9],在记录层之上增加一层具有光学非线性的掩膜层作为开关层.孔径型近场超分辨光盘以Sb 作为掩膜,聚焦激光照射时,孔径开关层在激光光斑中心超过阈值功率的高能量处形成微孔径,当光透过微孔时,将产生近场光.而散射型近场超分辨光盘是以AgO x 作为掩膜层,在光照作用下,AgO x 分解为纳米级的Ag 颗粒,形成散射中心,产生近场光.掩膜层和记录层之间介质层的厚度只有十几个纳米(这也是近场超分辨光盘和普通超分辨光盘的最大不同之处),所以,经过微孔径或纳米级的散射中心到达记录层的光就是近场光.Super -RE NS 较其他近场光存储的最大优点是用一层具有纳米级厚度的固态薄膜来控制近场光源与记录介质的距离,克服了动态控制探针与盘面之间空气层厚度的困难,避免了复杂的近场间距测控系统,为近场光学光存储的实用化解决了技术上的一个大难题.312 Super -RENS 在磁光存储中的应用同磁致超分辨[10]不同,磁光Super -RE NS 用非磁性的Sb 或AgO x 作为掩膜层来实现超分辨写入和读出.将Super -RE NS 用于磁光存储中,在记录点尺寸小于200nm 时,仍得到较高的信噪比.因此,这种技术是实现磁光超高密度(Tbit Πin 2量级)存储的很有希望的一种方法,已成为研究的热点.Jooho K im 等人[11]报道了用Sb 作为磁光近场超分辨的掩膜,但是在记录点尺寸小于370nm (λ=780nm ,NA =0153时的衍射极限)时,没有得到任何信号,即未观察到超分辨效应.在此基础上,2001年,他提出了改进的Sb 磁光近场超分辨结构[12],做了一系列的优化设计:采用Helicon -Wave 溅射设备(衬底与靶材距离仅为200nm )镀膜,减小各层的内应力,对掩膜层Sb 的光学性能作了优化设计,对磁性层厚度、保护层的种类作了优化设计.结果表明,在光斑尺寸小于370nm 时仍有较大的信号检出,最小可分辨尺寸为200nm (见图3).图3 磁光近场超分辨突破衍射极限示意图散射型近场超分辨在磁光存储中的应用似乎更有吸引力,这是因为,作为散射中心的银的表面等离子体效应,使磁光克尔效应增强,在光斑衍射极限尺寸时,读出信号比普通MO 增加将近100倍[11].Jooho K im 等人[12]的实验结果表明(图3),在相同条件下,以AgO x 作为磁光超分辨光盘的掩膜时,载噪比要比以Sb 作掩膜时的高得多.在记录点的尺寸小于200nm 时,这种增强效应仍很强.J.H.K im 等人[13]的研究结果表明,当λ=680nm ,NA =0153,读出功率为3mW 时,散射型Super -RE NS 磁光盘的分辨极限可达170nm ,远远超过了光头的衍射极限310nm.而当读出功率为1mW 时,几乎没有超分辨的效果,这是因为激光功率较低时,不能使AgO x 分解为Ag 颗粒,因而不能产生近场光源.他们还发现,用SiN x 作为保护层比ZnS 2SiO 2作为保护层时有更高的载噪比,不同的SiN x 保护层的厚度对载噪比也有影响,对盘的结构和介质进行优化设计,可使MO Super -RE NS 的分辨率进一步提高到100nm 以上.4 混合记录技术混合记录技术是近几年提出的一种有可能使记录密度超过100G bit Πin 2的记录方法.Sharp ,Hitachi ,Philips 等公司和美国的Carnegie Mellon 大学的数据存储中心(DSSC )都对此进行过研究.DSSC 已将混合记录作为今后主攻方向之一.411 混合记录的基本原理[14]混合记录主要是基于高密度磁光存储和磁存储时二者缺点的解决而提出的,它以激光辅助热磁写入和磁通检测读出为主要特征.其写入过程和磁光存储差不多,采用居里点写入或是补偿点写入:聚焦激光束加热介质,使其温度升高到居里温度(补偿温度)附近,矫顽力下降,在外磁场的作用下,介质被磁化写入信息;当激光束离开记录点,温度下降,矫顽力又提高,可形成稳定的磁畴.但混合记录信号的读出不是根据磁光克尔效应或法拉第效应来读出的,而是和硬磁盘的读出原理差不多,用巨磁阻磁头检测漏磁信号来读出.412 混合记录克服磁光和磁存储缺陷的机理在磁光记录中,记录点的形状为典型的V 字型.在高密度记录时,道间距的大小就会受到限制.同时,磁光存储是通过检测偏振光的克尔转角或法拉第转角来读出信号的,通常,这个转角都非常小,所以,难以达到很高的分辨率.混合记录用巨磁阻材料做成的磁头来读出信号,可以有很高的灵敏度和分辨率.同时,由写入磁头的磁场分布和激光光斑的热能分布共同决定记录光斑的尺寸和形状,可以形成规则的矩形记录畴,如图4所示.图4 混合记录形成的记录畴形状示意图而在磁存储中,随着磁记录密度的提高,记录磁畴的尺寸越来越小.当尺寸小到一定程度时磁畴的热运动将不规则,即表现出超顺磁性,从而失去记录信息.磁有序的弛豫时间是衡量磁畴热稳定性的一个重要参数,它的表达式为τ=τ0exp (K V Πk B T ),(2)其中τ0为常数,K 为磁各向异性常数,V 为晶粒的体积,k B 为玻尔兹曼常数[15].由上式可见,K V /k B T 与τ成指数关系.当记录点的尺寸V 减小时,热稳定性将急剧降低,为在室温下保持良好的热稳定性,必须使介质的磁各向异性常数K 增大.根据Stoner -W ohlfarth 理论,各向异性常数的增加必然会引起矫顽力H c 的增大.但对于传统的磁记录方法,记录介质H c 的增大是有一定限度的,它决定于写入磁头在一定温度下的饱和磁化强度.即使用目前饱和磁化强度较高的材料(Fe 88T a 12N ,Fe 97Si 3N 等富Fe 合金)作为写入磁头,介质矫顽力也只能低于360kA Πm (4500Oe )[14].要用矫顽力更高的材料作为存储介质,现有的写入磁头往往难以满足要求.混合记录的写入过程采用激光辅助热磁写入的方法,使室温时有较高矫顽力的介质在写入时矫顽力下降,同时保证了记录磁畴室温时的热稳定性和记录介质的可写性,使磁记录的理论极限密度大大提高.413 混合记录介质混合记录对介质的总体要求是:室温下有较高的矫顽力、大的剩余磁化强度以及适当的热学性能.目前仍没有找出适合混合记录的最佳介质,对混合记录介质的研究主要是对传统的磁存储介质或磁光存储介质进行优化设计,使其适合热磁记录和磁通检测读出的特点,所得的实验结果可能不能最大限度地反映混合记录的优点,但已经表现出很多的优越性.日立公司的研究者[16,17]提出以交换耦合的磁光双层(EC D L )薄膜作为混合记录的介质.传统的磁光记录介质TbFeC o 在室温时有高的矫顽力,满足热磁写入的要求,但是,由于TbFeC o 薄膜在室温时的饱和磁化强度很小(低于50emu Πcm 3),不适合磁通检测读出.在TbFeC o 上加一层TbDyFeC o 作为读出层,读出层通过交换耦合相互作用,复制记录层的信号.TbDyFeC o 在室温时的饱和磁化强度为230emu/cm 3,可以得到比较高的磁通密度,便于检测漏磁场以得到信号.实验结果表明,混合记录方法所得信号的分辨率,比磁光克尔效应读出时得到的信号分辨率高很多.Bing -Mau Chen 等[18]也提出了类似的结构.以富T M 的TbFeC o 作为读出层,以Tb x (FeC O )10-x (其中21<x <34)作为记录层.结果得室温下读出层的饱和磁化强度为300emu/cm 3,通过富T M 的读出层和富RE 的记录层之间的交换耦合,EC D L 薄膜的矫顽力可以从117kOe 提高到716kOe.高的矫顽力保证了良好的热稳定性,而大的饱和磁化强度则保证高的灵敏度和分辨率.Sharp 公司[19,20]以经过性能优化的磁光单层膜TbFeC o 作为混合记录的介质.TbFeC o 用Tb ,Fe ,C o 三靶共溅射来制备.控制各个靶的功率可以控制合金薄膜的成分,增大Fe/C o 的比率可以降低居里温度,从而提高写入灵敏度;在溅射过程中保持较低的Ar 气压可以增大RE -T M 薄膜的垂直各向异性.但正如前所述,TbFeC o薄膜由于小的饱和磁化强度而不适合磁通检测读出.但我们知道,在温度稍高于补偿温度时,亚铁磁材料的饱和磁化强度随着温度的升高而增大,因此,在读出时采用激光辅助读出,加热介质,使其磁通密度增加,可以满足混合记录磁通检测读出的要求.用这种结构作为混合记录介质,结果有很好的频率响应特性,在频率大于40MH z以上,信噪比可达36—38dB,这意味着线密度可以很高,加上混合记录方式本来就有的高的道密度,可以得到很高的实际记录密度.5 结束语短波长(蓝光)应用于磁光存储中,可同时得到较高的记录密度和读出载噪比,进一步结合磁光MSR等技术,可使磁光记录密度大大提高;但需要继续研究新型短波长磁光存储材料的性能,以加快其实用化进程.超分辨近场结构光存储集近场光存储和超分辨技术的优点于一身,可得远小于光斑衍射极限的记录点,银的表面等离子体效应可提高MO Super-RE NS的读出信号强度;但目前载噪比仍很小,需要对光盘的结构、掩膜层的性能、记录介质的性能、保护层性能等进一步优化设计(包括寻找有更好开关性能的掩膜材料);需要对读出装置加以改进,最大限度地收集反射或透射信号,来提高信噪比.混合记录技术可以得到矩形的记录斑点,有高的道密度,磁通检测读出使MO分辨率和灵敏度大大提高;它的实用化将引起存储技术的一场革命.这些都是有望实现100G bit/in2以上超高密度磁光存储的记录技术,研究这些技术以推动其实用化进程将是磁光存储界的奋斗目标所在.参考文献[1]干福熹等编.数字光盘存储技术.上海:上海科学技术出版社,1998[G an F X et al ed.Digital Optical Disk Recording T ech2nique.Shanghai:Shanghai Science Press,1998(in Chinese)] [2]Sabi Y,K im itaka K,K azunori Y et al.Jpn.J.Appl.Phys.,2000,39:943[3]K awase K,Muto Y,Ando N et al.SPIE,2000,4090:232[4]T anaka Y,Shinodea M,Y amaguchi K et al.SPIE,2000,4090:246[5]Sakam oto T,Fujita G,T akem oto Y et al.SPIE,2000,4090:153[6]Shinoda M,T anaka Y,Akiyama Y et al.SPIE,2000,4090:160[7]T om inaga J,Nakano T,Atoda N et al.Appl.Phys.Lett.,1998,73:2078[8]T om inaga J,Fuji H,S ato A et al.Jpn.J.Appl.Phys.,2000,37:957[9]李进延,干福熹.物理,2002,31:22[Li J Y,G an F X.Physics,2002,31:22(in Chinese)][10]M ashiko K,K atsuhisa A,Atsushi F et al.Proceedings of the IEEE,1994,82:544[11]K im J H,Buechel D,Nakano T et al.Appl.Phys.Lett.,2000,74:1774[12]K imJ H,Shima T,Fuji H et al.J.M agn.S oc.Japan.,2001,25:387[13]K im J H,Fuji H,Y amakawa Y et al.Jpn.J.Appl.Phys.,2001,40:1634[14]Ruigrok J M,C oehoorn R,Cum ps on S R et al.Appl.Phys.,2000,87:5398[15]宛德福,马兴隆.磁性物理学.成都:电子科技大学出版社,1994[W an D F,M a X L.M agnetic Physics.Chengdu:University ofE lectronic Science Publishing C om pany,1994(in Chinese)][16]Saga H,Nem oto H,Sukeda H et al.Jpn.J.Appl.Phys.,1999,38:1839[17]Nem toto H,Saga H H,Sukeda H et al.Jpn.J.Appl.Phys.,1999,38:1841[18]Bing M C,Chih H L,Han P D.Jpn.J.Appl.Phys.,2001,40:4518[19]K atayama H,Hamamato M,Sato J et al.IEEE T rans.M agn.,2000,36:195[20]K ojim K,Hamam oto M,Sato J et al.IEEE T rans.M agn.,2001,37:1046・物理新闻・固态的阴极射线管(A Solid State C athode R ay Tube) 一般在电视与计算机监视器中使用阴极射线管都有较大的体积,其中安装着电子枪,从热阴极发射出的电子通过电子枪将电子送到荧光屏.现在日本东京大学农业与技术研究所的N obuy oshi K oshida博士研制了一种新的固态阴极射线管,它是让电子通过一个纳米晶体的多孔栅直射到屏幕,由于电子的运动方向是垂直于装置的表面,所以它们将在荧光屏上生成一个线性点阵,并形成一个真正的平面发光源.因此N obuy oshi K oshida博士认为他的这个发明与其他平面发光显示板相比,具有下列的一些优点:(1)消耗能量少;(2)可在不同的尺度下产生清晰的图像;(3)响应速度快;(4)装置简单且价格便宜.(云中客摘自Appl.Phys.Lett.,23September2002)。
超高密度数据存储技术的发展与挑战
超高密度数据存储技术的发展与挑战随着信息化的快速发展，数据量呈爆炸式增长，数据存储设备的需求不断提高。
如何实现超高密度数据存储成为了一个亟待解决的问题。
为了应对这一挑战，学界和工业界一直致力于探索新的存储技术。
本文将从存储技术的历史和进展、超高密度存储技术的研究现状、以及未来的发展趋势三个方面来分析超高密度数据存储技术的发展与挑战。
一、存储技术的历史和进展磁存储是目前主流的数据存储技术之一，其历史可以追溯到五十年前，最早的磁存储器是基于霍尔效应的磁性存储器。
之后，磁性存储器不断发展，诞生了磁盘式存储器、磁带式存储器、磁浮式存储器等多种形式。
最著名的就是IBM所发明的硬盘和磁带。
但是，这些磁性存储器虽然容量逐渐增大，速度逐渐提升，但是存取速度和存储密度都已到了一个瓶颈。
基于此，学界和工业界开始探索新的存储技术来应对容量和速度的瓶颈问题。
二、超高密度存储技术研究现状在新型存储技术中，两个最具有潜力的技术是相变存储和量子存储。
相变存储基于材料相变的原理进行存储，能够实现比磁存储更高的密度和速度。
量子存储则是利用量子隧穿效应在纳米粒子表面进行存储，能够实现远高于半导体存储的密度。
除此之外，基于DNA和蛋白质的生物存储和基于光的存储技术也有一定的研究进展。
其中，相变存储是目前最有希望实际应用的一种技术。
相变存储利用材料从固态到非晶态的相变过程进行信息转化。
在材料加热的过程中，材料内部的晶体结构会发生改变，而不同结构状态对应着不同的电阻值，形成了二进制信息的存储。
相比于传统的磁盘存储，相变存储具有更小的存储单元，可以实现更高的存储密度。
此外，相变存储也具有很快的写入速度和较长的存储寿命，是一个非常具有潜力的存储技术。
三、未来的发展趋势虽然新型存储技术在密度和速度上有显著的提高，但是实际应用中还有一些技术问题需要解决。
例如，相变存储需要材料在高频反复使用时的稳定性，还需要研究如何实现更高的写入速度。
量子存储则需要克服量子干扰和误差纠正等挑战。
光存储技术在大数据应用中的优势分析与未来趋势预测
光存储技术在大数据应用中的优势分析与未来趋势预测近年来，世界各国都在加大对大数据的研究和应用，在这个领域内，光存储技术被认为是一个有很大潜力的方向，它被广泛应用于数据中心，云计算以及各种系统领域。
本文将分析光存储技术在大数据应用中的优势以及未来趋势预测。
光存储技术起源于20世纪80年代，最初应用于视频和音频的录制和播放。
随着科技的不断进步，光存储技术在存储介质、激光技术、读取技术等多个方面都有着不断的更新换代。
现在，光存储技术被广泛应用于大规模数据存储、高速数据交换、高速网站访问等领域，并逐渐占据了数据存储领域的主流地位。
与传统硬盘存储技术相比，光存储技术有以下几方面的优势：1. 高速读写光存储技术通过激光进行读写操作，速度快，读取和写入数据的速度都大幅增加，这对于大规模数据存储来说尤为重要。
2. 高密度存储光存储技术能够将数据高密度地录制在光盘上，大幅提升了存储容量。
此外，在激光技术和光阅读技术的不断进步下，未来光存储技术的存储密度还会有进一步提升。
3. 高可靠性光存储技术具备高可靠性和较长的存储寿命；光盘的存储介质可以抵抗磁场干扰，光盘记录更加耐用，可以保证数据的长期稳定存储。
4. 低功耗光盘不需要电力供应，功耗较低，在节能环保、缩小存储设备尺寸等方面都具备优势。
5. 易于制造光存储技术上手操作简单，生产成本低廉，制造工艺相对简单，因此易于制造。
光存储技术与大数据的结合，可以应对大规模数据存储的问题。
由于大数据量很大，传统的存储技术往往无法应对。
但是，光存储技术的快速读写、高密度存储以及高可靠性，使得它在大数据存储领域中发挥了重要作用。
除了已经存在的优势，光存储技术在大数据应用领域未来的发展前景也非常值得期待。
1. 光存储技术将与云计算结合的更紧密随着云计算应用的不断扩大，光存储技术也将与云计算结合得更加紧密。
在与云计算结合的过程中，光存储设备会变得更加高效和节能，减少能源消耗的同时，也能应对不断增加的数据存储需求。
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第2期(总 第13期)2001年9月中 国 计 量 学 院 学 报J OURNAL OF CHIN A INST ITU TE OF M ETROLOGY №.2(Sep.13)Ma r.2001 【文章编号】 1004-1540(2001)02-0006-07【收稿日期】 2001-04-09【作者简介】 金国藩(1929-),男,浙江绍兴人,教授,中国工程院院士、国家教育部科技委副主任,目前所从事的科学研究为计算全息,二元光学,光计算.超高密度光存储技术的现状和今后的发展金国藩,张培琨(清华大学精仪系光电工程研究所,北京 100084)【摘 要】 文章综述了光存储领域的研究进展,主要包括体全息存储、近场光学存储和双光子双稳态存储技术.在介绍各种存储技术发展现状的同时,分析了各自的优势和存在的问题.从整个光存储学科发展的角度给出了未来的趋势.【关键词】 光存储;体全息;近场光学;双光子【中图分类号】 T N 29;O438 【文献标识码】 A1 信息时代的光学存储21世纪人类进入信息社会,知识经济成为推动社会进步,促进科技发展的强大动力,信息存储、传输与处理是提高社会整体发展水平最重要的保障条件之一.全球的信息量今后几年会以更快的速度增长.由于信息的多媒体化,人们需要处理的不仅是数据、文字、声音、图像,而且是活动图像和高清晰的图像等.一页A 4文件为2KB (千字节),而一张A 4彩色照片就占5M B (兆字节),放一分钟广播级的FMV 就要占40M B,可见信息量与日俱增.在信息技术的几个环节(获取、传输、存储、显示、处理)中,信息存储是关键.20世纪80年代到90年代,人们最关心的是信息处理,即如何提高计算机芯片的处理速率和效率,全球掀起的计算机主处理器竞争已使本世纪可达1GHz 的处理速度;随后通信网络的掀起及数据共享和通信使人们认识了网络时代的到来;面对21世纪,人们又在考虑如何有效地存储和管理越来越多的数据和如何应用这些数据,信息存储空间日益拥挤,信息数据的采集和数据管理体系的复杂性越来越高,以及网络的普及,导致21世纪信息技术的浪潮将在存储领域兴起.光信息存储(简称光存储)作为继磁存储之后新兴起的重要信息存储技术(目前以光盘为代表的光学数字数据存储技术)已成为现代信息社会中不可缺少的信息载体.与磁存储技术相比,现有的光盘存储技术具有许多特点:(1)数据存储密度高、容量大、携带方便.目前普通的Á120mm 的光盘能存储650M B,是硬磁盘的几十倍,软盘的几百倍.(2)寿命长、功能多.在常温环境下数据保存寿命在100年以上,且可根据用途采用不同介质制成只读型、一次写入型或可擦除型等不同功能的光盘.(3)非接触式读/写和擦.(4)信息的载噪比高,光盘的载噪比可达50dB 以上.(5)生产成本低廉、数据复制工艺简单、效率高.以CD 系列为代表的第一代光盘技术产品的存储容量仍为十年前的650M B;第二代DVD 系列的单面双层存储容量为8.5GB,盘容量为17GB [1];2000年日本Sony 公司采用兰光激光器实现单面存储容量达25GB 的高密度DVR 已见报道[2].尽管如此,作为计算机科学中的关键研究领域的高密度数据存储,为了满足预计到2005年新型网络系统和第三代多媒体出现时计算机外部存储容量至少应为100GB ,数据传输率至少为50M B /s 的需求,则必须运用新原理,启用新材料才有可能研究出新一代超高密度、超快速存储系统.图1 时代对信息存储量的要求图2 光存储的未来发展趋势 实际上,各发达国家都已投入了大量人力财力开展超高密度、超快速数据存储方面的研究.尽管人们在开展各式各样的高密度存储研究,但一致看好短期有实用前景的存储方法主要集中在三维体全息、近场光学存储、双光子效应存储等方面.美国Jet Pro pulsion 实验室、Rockw ell 科学中心、Stanford 大学、亚利桑那大学光学中心、Carnegie Mello n 大学数据存储系统中心、IBM 、AT &T 、NIST ,日本松下、NT T 、SONY 、SEIKO 等研究机构都在开展三维体全息、近场光学存储、双光子效应存储等方面的研究.我国也将这方面的研究列入了国家重点基础研究发展规划(973)项目中,以便跟上国际高新技术发展的步伐并获得自主的知识产权.图3 由于激光波长的减小和物镜数值孔径的增大,DV D 盘面的坑点尺寸可以减小而提高了DV D的存储密度图4 体全息存储原理图2 光学体全息存储的发展现状光学体全息存储是超高密度存储最重要的研究领域之一.早在1963年美国科学家Pieter J.van Heerden 就曾提出利用全息术进行数据存储的概念[3],起初由于缺少合适的记录材料以及当时的光学及光电子元器件技术还不成熟,因而在随后很长一段时间内,体全息存储的研究工作进展很小.目前,随着计算机科学和现代信息处理技术的不断发展,一方面,对于具有大容量、高传输率、可快速存取的数据存储系统提出了日益迫切的要求,另一方面,随着新型优良全息记录材料(如光折7 第2期金国藩,等:超高密度光存储技术的现状和今后的发展8中 国 计 量 学 院 学 报2001年 变晶体和光聚合物)的研制出现以及相关元器件,如高密度空间光调制器(SLM)和CCD光电探测阵列制造技术的不断进步,可满足各种实际应用要求的体全息数据存储系统正逐步成为可能,人们对体全息存储的兴趣又重新高涨起来.一般的光学体全息数据存储基理可简单描述为: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并被介质记录,利用体全息图的布拉格选择性,改变参考光的入射角度或波长以实现多重存储.1991年加州理工学院(CIT)的F.H.M ok等人[4]在1立方厘米掺铁铌酸锂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成为再度掀起体全息存储技术研究热潮的标志.1994年斯坦福大学Hesselink领导的研究小组把数字化的压缩图像和视频数据存储在全息存储器中,图像质量无显着下降[5].1995年由美国政府和工业部门主持,投资约7000万美元,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、存取速率为每秒1000MB的一次写入或可重复写入的全息数据存取系统.1997年CIT的Allen Pu和D.Psaltis使用球面参考光通过移位复用在1mm厚的掺铁铌酸锂晶体上获得面密度为100bits/L m2的体全息存储[6];1998年Bell实验室的K.Curtis等利用相关复用技术(Cor relation M utiplex ing)在掺铁铌酸锂中的存储面密度超过了350bits/L m2[7].1999年D.Psaltis 等人又在铌酸锂晶体中记录了160,000幅全息图;H.J.Eichler(Berlin Technical U niversity,Ger-many)提出采用微全息盘式存储方案,使用1微米光腰的激光采用10个波长复用以及16个角度复用可以在CD大小的盘上两层共存储100Gby te的容量[8].以上研究结果表明体全息存储面密度至少能达到几百bits/L m2,而现有的二层四面的DVD总的面密度也仅近似为20bits/L m2.显然,体全息存储可使存储容量较目前光盘呈数量级地提高.在克服光折变晶体固有的读写时已有存储信息被部分擦除的缺点方面,研究焦点集中在光致聚合物全息存储和双光子无挥发双掺光折变晶体的全息存储上.2000年A.Adibi和D.Psaltis等用紫外和红光在双掺锰和铁的铌酸锂晶体上实现了无挥发全息存储[9].我国在光折变非线性光学材料与效应的基础研究中也已取得许多成果,非线性光学晶体生长技术在国际上取得较高的地位.1998年以来清华大学相继完成单一公共体积中存储1000幅[10],动态散斑全息存储[11]及系统小型化的研究;、北京工业大学实现了盘式单轨2000幅和盘式多轨10000幅全息图像存储的验证性实验[12].光学体全息数据存储具有如下几个显着特征:(1)数据冗余度高:信息是以全息图的形式存储在一定的扩展体积内,因而具有高度的冗余性.在传统的磁盘或光盘存储中,每一数据比特占据一定的空间位置,当存储密度增大,存储介质的缺陷尺寸与数据单元大小相当时,必将引起对应数据丢失,而对全息存储来说,缺陷只会使得所有的信号强度降低,而不致引起数据丢失.(2)数据并行传输:信息以页为单位,并行读写,因而可具有极高的数据传输率,其极限值将主要由I/O器件(SLM及CCD)来决定.目前多信道CCD探测阵列的运行速度已可达128M Hz,采用巨并行探测阵列的全息存储系统的数据传输率将有望达1Gbyte/s[13].(3)存储密度高:利用体全息图的布拉格选择性或其它选择特性,可在同一存储体积内多重存储很多全息图,因而系统的有效存储密度很高.存储密度的理论极限值为1/K3,其中(为光波波长,在可见光谱区中,该值约为1012bits/cm3.现已发展了多种复用存储技术,例如,1991年C.Denz等采用相位编码复用技术[14]、1992年A.Yariv等采用波长复用技术[15]、1993年F.H.Mo k采用角度复用技术[16]、D.Psaltis等1995年采用移位复用技术[17]、1996年C.C.Sun等采用随机相位编码复用技术[18]以及随后其它不同的混合复用技术分别实现了多重全息存储.(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,因而系统的寻址速度很快,数据访问时间可降至亚毫秒范围或更低.例如,美国Ro ckw ell 于2000年提出的两种分别存储100MB 和1GB 的系统都是利用声光调制器来实现小于50L s 的寻址功能[19],而传统磁盘系统的机械寻址需要10m s.(5)具有关联寻址功能:对于块状角度复用体全息存储,如果在读出时不用参考光而改由物光中的某幅图像(或其部分)照射公共体积内由角度多重法存储的多重全息图,那么将会读出一系列不同方向的“参考光”,各光的强度大小代表对应存储图像与输入图像之间的相似程度,利用此关联特性,可以实现内容寻址操作,该功能对基于图像相关运算的快速目标识别(如原Holoplex 公司利用体全息存储技术已做成一种高速“全息指纹识别系统”,其样机存储1,000幅指纹图像,在一秒钟内便可完成输入指纹与所有存储内容的快速准确比较[5];清华大学建立了基于体全息存储的快速人脸识别光电混合系统,在1秒内实现200幅人脸快速识别[20-22])、自动导航(如CIT 的D.Psaltis 利用体全息存储器特有的内容关联存储特性,构成的快速车辆导航系统[5])、卫星星图匹配定位、大型数据库的检索与管理等应用十分重要.目前制约体全息存储的关键仍在于获取合适的存储记录材料.图5 探针型近场存储图6 超分辨率近场结构存储3 近场光学存储的发展现状图7 固体源没透镜近场存储近场光学存储是超高密度光存储的另一重要研究领域.基于超衍射分辨的近场光学原理和方法的近场存储将可能使存储密度提高几个数量级.存储线宽可以达到10～50nm ,相应的理论存储密度可以达到1000GB/in 2以上.近场固体浸没透镜(SIL )虽然只能够得到100nm 左右存储光斑,但存储密度也提高了十倍,达到40GB/in 2以上.国外所建立已能够进行存取数据操作的实验系统可分为三种:(1)探针型近场存储,它是将激光束通过直径非常小的孔对存储介质进行记录和读取,当记录介质距小孔相当近,则通过小孔的光便在光盘上形成尺寸与小孔相当的记录点.1996年Hosaka 用这种方法以785nm 的激光在相变介质上获得了60nm 的记录点[23],而经典光学显微镜的衍射受限分辨率约为250nm 左右;1999年贝尔实验室的A.Partovi 小组抛弃传统的光纤探针,采用250nm 大小孔径的微小孔径激光(VSAL ,v er y -sm all -aperture laser )(波长为980nm )获得了250nm 的记录点[24].(2)超分辨率近场结构存储(super-RENS)是在盘片中距记录层20nm 处加掩模层,基于近场9 第2期金国藩,等:超高密度光存储技术的现状和今后的发展增强效应和近场表面等离子波效应,掩模层在激光照射下产生纳米尺寸隐失场,在近场区域内所产生的光斑直径要小于衍射极限分辨尺寸,从而实现超分辨率的记录点.目前日本的To minag a 利用这种方法已得到81nm 的记录点[25].(3)固体浸没透镜(Solid Im mersio n Lens,SIL)近场存储,是通过使用高数值孔径的固体浸没透镜来减小读写光斑的直径.SIL 底面和记录介质之间距离保持在近场范围内,聚焦在SIL 底面的光斑通过近场耦合将隐失场光能量传到记录介质中实现高密度的记录,其理论上可获得直径为125nm 的光斑.1999年丰田科技学院的A.Chekanov 等人用SIL 方案在磁光介质上获得了150nm 的记录点[26].国内近场光学的研究大多集中于近场光学成像、近场光学荧光探测等.北京大学曾使用探针式近场光学显微镜系统进行了量子阱、量子线、激光器近场光谱和生物样品成象实验.清华大学建立了近场光学显微镜系统,自制了纳米光纤探针对多种样品进行成象,分辨率达到50～100nm.设计了固体浸没透镜式近场光学超高密度存储系统,同时在进行super -RENS 光盘的研究.中国科技大学对有源和无源光纤探针进行了研究.近场光学存储的优势突出在读写光斑的减小大大提高存储的面密度和容量,同时可以充分利用已有的相关技术,与现有的光盘存储系统兼容,如硬盘驱动器的空气悬浮技术等而无需另行重新设计开发新的系统.但如何控制高速旋转的记录盘片表面与近场光学读写头间距保持在近场范围是一难题.图8 双光子数据存储实验装置4光学双光子双稳态三维数字记录的发展现状光学双光子双稳态三维数字记录基本原理是根据两种光子同时作用于原子时,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,所以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写入,读出.利用材料折射率、吸收度、荧光或电性质的改变来实现存储.信号由于是荧光读出,在未写入点无荧光,是零背景过程,所以读出灵敏度很高.由于此反应属于原子对光量子的吸收过程,反应速度为皮秒级,而最小记录单元,理论上可达到原子级.这种方法能实现T bits/cm 3的体密度,可达到40MB/s 的传输率.国际上最有代表性的是美国加州大学San Dieg o 分校及Call &Recall 公司,其100层的记录方法已见报道.1997年,A.S.Dvo rnikov 等人(Uni-versity of Califo rnia,U SA.)采用双光束写入、单光束读出的方案,材料为罗丹明B,制成立方体形状:10×10×10mm 3,存储100层共1M b ,10000bit /层,信息单元的间距为30L m .写入时,掩膜被Nd :YAG 锁模脉冲(波长1064nm ,脉宽35ps)照射,成像在立方体材料上形成4mm ×4m m 平面.532nm 倍频的激光束变形聚焦成80L m ×5mm 的片状,与立方体内的IR 图像平面对齐,从而记录信息.读出采用200L w 、CW 型、543nm 的He -Ne 激光器[27].1998年,Y.kaw ata,S.Kaw ata 等人(Osaka Univer sity,Japan)用双光子吸收技术,采用单光束写入、单光束读出方案,在光折变晶体LiNbO 3(10×10mm ×800L m)上进行了三维光学记录.层间距约20L m,信息单元的间距是5L m,记录了7层.写入采用T i:Sapphire 锁模脉冲(波长762nm ,脉宽130fs ,峰值光强0.4KW /L m 2)和NA =0.85的物镜.读出采用背面光照方式,利用Zernike 相10中 国 计 量 学 院 学 报2001年 衬显微镜,物镜NA =0.75.推测密度为33Gbits /cm 3(1.2×1.8×14.2L m )[28].1999年,H .E .Pudavar 等人(State U niversity of N ew Yo rk ,)同样采用单光束写入、单光束读出方案,材料为掺杂AF240(2%)光色变分子的有机聚合物(来源于U S Airforce Resear ch Labora-to ry ),结构为多层盘片式.实验存储密度为100Gbits/cm 3(推算依据:层间距10L m,位间距1L m).写入时,采用Ar 离子泵浦的T i :Sapphire 锁模脉冲(波长798nm ,脉宽70fs ,重复频率90MHz ,平均功率200mw ),60×油浸物镜和XYZ 扫描平台.读出时采用同样的激光器,但平均功率低,为10～20m w [29].此外,俄罗斯的N.I.Kor oteev 等人(M osco w State U niversity ),使用NP 光色变分子材料搭建了单光束写入、单光束读出装置.存储材料每层厚1L m,层间距30L m,点间距1.7L m [30].国内清华大学从1995年开始这一研究,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,获国家发明专利.对于已有的双光子存储方案,我们可以看出:(1)在双光束记录结构中,由于对各自光束的峰值功率要求不太高,可以采用皮秒级的Nd:YAG 锁模脉冲激光器.(2)在单光束记录结构中,由于对光束的峰值功率要求很高,必须采用飞秒级的T i :Sapphire 锁模脉冲激光器.然而,大型和昂贵的飞秒T i :Sapphire 锁模脉冲激光器成为制约双光子存储实用化的一个主要因素.(3)存储体的形状多采用立方体(cube)、或多层盘片结构,且大都采用XYZ 平台寻址.(4)记录信息的读取,普遍采用“共焦显微”系统以及CCD 摄像头.(5)对于光色变材料的信息,可以采用双光子读出或者单光子读出方案.单光子方案易于采用“pag e By pag e ”的读出系统.但是单光子读出方案的层间窜扰要大于双光子读出方案,因此必须采用“共焦显微”结构.(6)在光色变存储方案中,AF240材料的存储密度可达到100Gbits/cm 3以上.而在光折变材料方案中,由于球差和擦除作用,使在LiNbO3(铌酸锂)晶体中仅能达到33Gbits /cm 3.另外,由于是荧光读出也就对弱信号检测提出更高的要求.图9 提高光学存储密度不同可行方案5 超高密度光存储技术的发展趋势除了上述所种光存储技术外,还有许多其它存储技术也在发展之中,如光谱烧孔技术(目前其工作温度要求低温是最主要的障碍)、激光微爆存储技术和电子俘获存储技术等等.所以这些技术都是以提高存储容量、密度、可靠性和数据传输率作是其高密度光存储技术的主要发展目标.只要是利用光来改变某种稳定物质的物理或化学状态记录信息的各种方法都属于光存储技术的研究范畴.但从整个学科发展的角度预测,今后高密度光存储技术的主要发展可能着重于:(1)数字式记录仍是最基本和有效的方式,人们对信息的使用仍然主要基于计算机和网络,各类信息都要数字化.(2)进一步缩小记录单元是发展高密度光存储的一有效途径.近场超分辨存储就是典型的尝试.随着精密技术及弱信号处理等相关技术的进步,相信信息的记录单元将从目前的分子团逐渐减小到单原子或分子量级.(3)从目前的二维存储向多维存储发展.所谓的多维包括两方面的含义,一方面是指记录单元空间尺度的多维,即平面存储拓展到三维体存储,已有的努力如双光子多层存储及1999年V.M ar ko v 等(M etr olaser Inc.,California U SA )利用散斑全息实现的多层全息存储等[31];另一方面是指复用维数的多维,例如H .J .Eichler 提出的微全息存储技术就是将传统的光盘存储位用微全11 第2期金国藩,等:超高密度光存储技术的现状和今后的发展12中 国 计 量 学 院 学 报2001年 息光栅来表示,利用全息的波长或角度选择特性使实际存储复用维数得到增加[9].(4)并行读写逐步代替串行读写提高数据的读取传输率.并行读写功能是体全息页面存储的一个固有特性,也是体全息存储被普遍重视的原因之一.(5)改善和发展存储系统的寻址方法,努力实现无机械寻址功能的实用化,从根本上解决目前难以提高随机寻址速度的问题.这方面体全息存储系统中的声光调制寻址和相位编码寻址就是很好的尝试.(6)光学信息存储同光学信息处理精密结合以提高信息系统整体性能及功能,充分利用光学特性实现信息存储、传输、处理和计算的集成.【参 考 文 献】[1] 徐端颐.光盘存储系统设计原理[M].国防工业出版社,2000.624.[2] N IK K EI EL ECT RO NI CS,2000年10月9日号,N o.780,33-34.[3] P.v an Heer den,Appl.Opt.,1963,2:393.[4] F.H.M ok,et al.,O pt.L ett.,1992,16:605.[5] D.Psaltis,et al.,Scient ific A merican,N ov ember,1995,70.[6] A.Pu and D.Psaltis.T opical M eet ing on Optical D ata Stor age-Dig est of T echnica l Papers A pr7-919971997Sponsor ed by:IEEE O pt ical So c of A merica p48-49.[7] K.Cur tis,W.L.Wilson,U.S.Patent,PN:5,719,691,g ranted1998.[8] H.J.Eichler,P.K uemmel,S.O rlic,et al.,I EEE J.of Select ed to pics in Q uantun Electr on.,1998,4(5).[9] A.Adibi,K.Buse, D.P saltis,Opt.L ett.,2000,25(8):539-541.[10] 李晓春,等.光学学报,1998,18(6):722-725.[11] P.Zhang,Q.He,G.Jin,et al.SPIE's Pho tonics T aiwa 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review ed.At the same tim e the adv antage and disadv antage o f each storag e technology are ana-lyzed.T he developing tendency on super-hig h density stor ag e is g iv en fro m the point of view of w ho le optical storage .Key words :optical storage ;volume holo gram ;near -field optics ;and tw o -photon 15 第2期陈星旦:应用紫外・极紫外。