信息技術(shù)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(guān)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(shù)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(shù)

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(lǐng)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(shù)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(lǐng)域的研究取得了突破，使得人們在全息存儲領(lǐng)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(lǐng)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(diào)制器(SLM)被調(diào)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(zhì)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(nèi)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(zhì)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(zhì)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(nèi)，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(nèi)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(guān)鍵。目前，國內(nèi)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(zhuǎn)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(zhì)時，能使介質(zhì)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(zhì)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(nèi)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(zhì)的記錄物理模型并完成了對雙光子記錄介質(zhì)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?qū)崿F(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?qū)嵱没?/span> 就必須開展對存儲材料的研究。

多階光存儲技術(shù)

多階光存儲是目前國內(nèi)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(zhì)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(diào)制成M進制數(shù)據(jù)(M>2)，令調(diào)制后的數(shù)據(jù)與記錄介質(zhì)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(diào)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(diào)制轉(zhuǎn)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(zhì)多階光存儲。

其早期方案是坑深調(diào)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(diào)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(jié)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(jié)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(zhì)可以用來實現(xiàn)多階光存儲。在電子俘獲多階技術(shù)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(shù)

傳統(tǒng)光驅(qū)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(zhì)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(zhì)放在近場光學顯微鏡中，保持光學探針與存儲介質(zhì)的距離在近場范圍內(nèi)，則在存儲介質(zhì)中形成的記錄點尺寸就可能在亞波長量級內(nèi)，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(shù)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(shù)：如硬盤驅(qū)動器中的空氣懸浮磁頭技術(shù)和光 盤存儲中的光頭飛行技術(shù)，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(shù)的發(fā)展趨勢及展望

記錄密度高是光存儲技術(shù)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(shù)的發(fā)展和制造工藝的改善，磁記錄技術(shù)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(shù)研究工作的主要方向。

超高密度光存儲技術(shù)代表著信息存儲的發(fā)展方向，國內(nèi)外競爭的非常激烈。相對于國外的發(fā)展態(tài)勢，國內(nèi)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(shù)的需要，所以，各種存儲技術(shù)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。

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