光信息存储技术与光盘

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光信息存储技术与光盘,5.1,光盘及存储类型,5.2,只读存储光盘,5.3,一次写入光盘,5.4,可擦重写光盘,5,5,光盘衬盘材料,5,6,光信息存储新技术,信息存储是将字符、文献、声音、图像等有用数据通过写入装置暂时或永久地记录在某种存储介质中，并可利用读出装置将信息从存储介质中重新再现的技术总合。存储技术随着科学技术的进步经历了由纸张书写、微缩照片、机械唱盘、磁带、磁盘的演变过程，发展到今天的采用光学存储技术的新阶段。近年来，光学存储技术不论是在纯光学的全息扫描记录还是在采用光热形变的光盘或采用光热磁效应的光磁盘技术等方面都取得了很大进展，它们的发展前景是十分光明的。光学存储技术凝聚了现代光电子技术的精华和技术诀窍，有关检测、调制、跟踪、控制等各种光电方法得到了充分的利用。,以互联网为代表的海量信息传输技术的发展带来了海量信息存储问题，这是目前国际上的研究热点之一。大容量、高速度、高密度、高稳定性和可靠性的存储系统竞相研究与推出，各类信息库及工作站相继建成，目前信息存储中的记录方式向全光光盘发展，光头逐渐向短波长方向推进，因而记录密度不断增大。,5.1,光盘及存储类型,5.1.1,光盘存储类型,光存储包括信息的“写入”和“读出”过程。信息写入就是利用激光的单色性和相干性，将要存储的模拟或数字信息通过调制激光聚焦到记录介质上，使介质的光照微区（直径一般在微米以下）发生物理、化学等变化，从而实现信息的记录效果。而信息“读出”就是利用低功率密度的激光扫描信息轨道，利用光电探测器检测信号记录区反射率的差别，通过解调取出所需要的信息过程。光盘存储类型通常有以下两种。,1.,记录用光盘,也称“写后只读型（,draw,）”光盘，它兼有写入和读出两种功能，并且写入后不需要处理即可直接读出所记录的信息，因此可作为信息的追加记录。,专用再现光盘,也称“只读（,read only,）”型光盘。它只能用来再现由专业工厂事先复制的信息，不能由用户自行追加记录。,5.1.2,光盘存储的特点,存储密度高,存储密度是指记录介质单位长度或单位面积内所存储的二进制位数,B,。前者称线密度，一般是,10,3,B/ mm,后者是面密度,一般是,10,5,10,6,B/mm,2,。 在直径为,300mm,的数字光盘中，光盘纹迹间距为,1.6um,，每面有,54000,道纹迹，如果每圈纹迹对应一幅图像，则可供容纳,50000,多幅静止图像。,写入读出率高,数字光盘单通道可达,2510,6,位,/s,。数据传输速率可达每秒几至几十,MB,量级，并向每秒,GB,、,TB,量级发展。,存储寿命长,光记录中，记录介质薄膜封入两层保护膜之中，激光的写入和读出都是无接触过程，防尘耐污染，因此寿命很长，库存时间大于,10,年以上，而商用磁盘仅为,3,5,年。,每信息位的价格低、易复制,一张,CD,光盘,650MB,，仅需,5,10,元，每,MB,仅几分钱；一张,DVD,容量,4.7GB,，,10,元左右，每,MB,不足一分钱。操作方便，易于计算机联机使用。,有随机寻址能力,随机存取时间小于,60ms,。,5.2,只读存储光盘,5.2.1 ROM,光盘存储原理,图,5,1,是只读存储光盘的存储原理示意图。,图,5,1 ROM,刻录示意图,激光束被聚焦成,1um,光点，光盘的凹坑一般宽度为,0.4um,，深度为读出光波长,/4,，约为,0.11um,，螺旋线型的纹迹间距为,1.67um,。,5.2.2 ROM,光盘主盘与副盘制备,图,5,2,时光盘制备过程示意图。经过调制的激光束以不同的功率密度聚焦在甩有光刻胶的玻璃衬盘上，使光刻胶曝光，之后经过显影、刻蚀、制成主盘（又称母盘，,master,），再经喷镀、电镀等工序制成副盘（又称印膜，,stamper,），然后再经过“,2P”,注塑形成,ROM,光盘。,图,5,2 ROM,光盘制备过程示意图,图,5,3 ROM,主盘、副盘制备工序,衬盘甩胶。对玻璃等衬盘进行精密研磨、抛光后进行超声清洗，得到规格统一、表面清洁的衬盘；在此光盘上滴以光刻胶，放入高速离心机中甩胶，以在衬盘表面形成一层均匀的光刻胶膜；取出放入烘箱中进行前烘，以得到与衬底附着良好且致密的光刻胶膜。,调制曝光。将膜片置入高精度激光刻录机中，按预定调制信号进行信息写入。,显影刻蚀。将刻有信息的盘片放入显影液中进行监控显影，若所用光刻胶为正性光刻胶，则曝光部分脱落（若为负性光刻胶，不曝光部分脱落），于是个信息道出现符合调制信号的信息凹坑，凹坑的形状、深度、及坑间距与携带信息有关。这种携带有调制信息的凹凸信息结构的盘片就是主盘。由于此过程中所用的光刻胶一般为正性，因而所得主盘为正像主盘。,喷镀银层。在主盘表面喷镀一层银膜。这层银膜一方面用来提高信息结构的反射率，以便检验主盘的质量，另一方面，还作为下一步电镀镍的电极之一。,电镀镍层。在喷镀银的盘片表面用电解的方法镀镍，使得主盘上长出一层厚度符合要求的金属镍膜。,将上述盘片经过化学处理，使得镍膜从主盘剥脱，形成一个副盘。,上述主盘每一个都可用通过（,5,）、（,6,）步骤的重复，制得若干个副像子盘副盘；而每一副盘又都可以通过（,5,）、（,6,）步骤的重复，制得若干个正像子盘。,5.2.3 ROM,光盘“,2P”,复制,将上述所得正像或副像子盘作为“印膜（,stamper,）”加工中心孔和外圆后装入“,2P”,喷塑器中，经进一步的“,2P”,复制过程来制作批量,ROM,光盘。,“,2P”,是,photopolymerization,(,光致聚合作用,),一词的缩写，其物理过程如图,5,4,所示。,总的来讲，只读存储光盘的记录介质是光刻胶，记录方式是用声光调制的氩离子激光器将信息刻录在介质上，然后制成主盘及副盘，再用副盘作为原模，大量复制视频录像盘或数字音像唱片。一个原模一般可复制至少,5000,片盘片。,ROM,光盘“,2P”,复制,图,5,4 “2P”,过程示意图,5.3,一次写入光盘,5.3.1,一次写入方式,一次写入光盘是利用激光光斑在存储介质的微区产生不可逆的物理化学变化进行信息记录的盘片，其记录方式主要有以下几种：,烧蚀型,存储介质可以是金属、半导体合金、金属氧化物或有机染料。利用介质的热效应，是介质的微区熔化、蒸发，以形成信息坑孔,图,5,5,（,a,）,。,起泡型,存储介质由聚合物高熔点金属两层薄膜组成。激光照射使聚合物分解排出气体，两层间形成的气泡使上层薄膜隆起，与周围形成反射率的差异而实现信息的记录,图,5,5,（,b,）,。,熔绒型,存储介质用离子刻蚀的硅，表面呈现绒状结构，激光光斑使照射部分的绒面熔成镜面，实现反差记录,图,5,5,（,c,）,。,合金化型,用,Pt,Si,、,Rh,Si,或,Au,Si,制成双层结构，激光加热的微区熔成合金，形成反差记录,图,5,5,（,d,）,。,相变型,存储介质多用硫属化合物或金属合金制成薄膜，利用金属的热效应和光效应使被照微区发生非晶到晶相的相变,图,5,5,（,e,）,。,图,5,5,一次写入方式,5.3.2,烧蚀型,写,/,读光盘对存储介质的基本要求,光盘读写对存储介质有多方面的要求，综括起来主要包括以下几方面。,分辨率及信息凹坑的规整几何形状。,这是为例保证光盘能在高存储密度的情况下获得较小的原始误码率。图,5,6,示出已记录的信息坑孔，坑孔边缘形状不规整的偏差程度用,表示。当读取激光束从信息道的无记录区扫入或扫出信息凹坑时，定为读取信号的“,1”,，否则为“,0”,。这样得到的读取信号波形如图,5,6,的下方所示。,没有中间处理过程。,存储介质要能实时记录数据并及时读出信息，不需要任何中间处理过程，只有这样才可能使光盘能实现写后直读（即,direct read after write, DRAW,功能）以保证记录数据的实时校验。,较好的记录阈值。,记录阈值是指在存储介质中形成规整信息标志所需要的最小激光功率密度。只有适当的记录阈值可以使信息被读出次数大于,10,8,次仍不会使信息凹坑发生退化，记录阈值过高或过低都会影响凹坑质量和读出效果。,图,5,6,读取分辨率示意图,若存储密度为,10,8,B/cm,2,每信息位仅占有,1m,2,的面积。存储介质应能保持这些显微坑孔的规整几何形状并已更高精度分辨它们的位置，这就要求边缘偏差,落在,100,以内，以保证原始误码率小于,10,8,。,记录灵敏。,要求存储介质对所用的激光波长吸收系数大、光响应特性好，能在较高的数据传输速率、保证波形不失真的情况下，用很小的激光功率形成可靠的记录标志。如用波长,830nm,、达到盘面功率,10mW,左右、脉宽可调的激光对高速转动的多元半导体记录时，可获得每秒几兆字节的数据速率。,较高的反衬度。,反衬度是指信道上记录微区与未记录区的反射率对比度。存储介质以及经过优化设计的光盘应有尽可能高的反衬度，以便读出信噪比达到最佳值。,稳定的抗显微腐蚀能力。,存储介质应做到大面积成膜均匀、致密性好、显微缺陷密度小、抗缺陷性能强，从而得到低于,10,-4,数量级的原始误码率及至少,10,年的存储寿命。,与预格式化衬盘相容。,一次写入光盘可用来存储和检索文档资料，因此光盘上应有地址码，包括信道号、扇区号及同步信号等。这些码都以标准格式预先刻录并复制在光盘的衬盘上。存储介质应与预格式化衬盘实现力、热及光学的匹配，以保证轨道跟踪的顺利进行并能实现在任一轨道的任意扇区进行信息的读和写。,高生产率、低成本。,5.3.3 WORM,光盘的存储原理,利用激光热效应对存储介质单层薄膜进行烧蚀时，存储介质吸收到达的激光的能量超过存储介质的熔点时形成信息坑孔。,常用的,WORM,光盘以聚甲基丙烯酸脂为衬底，厚,1.2mm,，上面溅射一介质薄层。用,830nm,激光聚焦在,1um,2,范围内，温度呈高斯型空间分布，当中心温度超过熔点,T,m,时，在介质表面形成一熔融区，周围的表面张力将此熔融区拉开成孔；激光脉冲撤去，孔的边缘凝固，在记录介质上形成与输入信息相应的坑孔。,这样记录的信息，很难满足上述写,/,读光盘对存储介质的要求，原因是入射到膜面的激光能量,E,0,（图,5,7,），一部分在膜面反射（,E,R,），大部分被薄膜吸收（,E,A,），还有一部分在薄膜中因径向若扩散而损失（,E,），剩余的部分透射到衬盘之中（,E,T,），即,若要存储介质的灵敏度高，上式中的,E,A,应尽量地大，以更快更好地吸收能量，使光斑中心的温度尽快超过介质的熔点，为此,E,R,、,E,T,及,E,都应尽可能地小。,E,R,要最小，必须使记录层上下两个界面反射回来的光实现相消干涉。由于上界面有半波损失而下界面没有，由此要求记录层最小厚度,/2n,1,.,由于上下界面能量差很大，很难实现明显的消反，为此在纪录层和衬底之间加一层金属铝反射层，这样纪录层下限为,/4n,1,。,图,5,7,记录光的分配,加铝,条之后,E,R,得到明显减小，但由于铝是热得良导体，反而会使,E,T,加大，为此，还应在记录层和反射层之间加一层热障层（一般选透明介质,SiO,2,），其折射率为,n,2,，厚度为,d,2,。它可以充分阻挡介质层吸收的能量向衬盘传导。此时，消反条件得相应得最小厚度为,这样就形成了记录层、热障层和反射层这种三层结构得存储介质，如图,5,8,（,a,）所示,目前，实用化,WORM,光盘均为三层式，主要采用空气夹层式,图,5,8,（,b,）,和直接封接式,图,5,8,（,c,）,两种基本结构，且均以商品化。,图,5,8,一次写入光盘结构,5.4,可擦重写光盘,可擦重写光盘从记录介质写、读、擦的机理来讲，主要分为两大类：,相变光盘：,这类光盘采用多元半导体元素配制成的结构相变材料作为记录介质膜，利用激光与介质膜相互作用时，激光的热和光效应导致介质在晶态与玻璃态之间的可逆相变来实现反复写、擦要求，可分为热致相变光盘和光致相变光盘。,磁光盘：,这类光盘采用稀土过渡金属合金制成的磁性相变介质作为记录薄膜，这种薄膜介质具有垂直于薄膜表面的易磁化轴，利用光致退磁效应以及偏置磁场作用下磁化强度取向的正或负来区别二进制中的“,0”,或“,1”,。,结构相变光盘和磁光盘虽说工作机制不同，但从本质上来讲，都属于二级相变过程。它与一级相变不同，不存在两相共存情况，故可用介质的两个稳定态来区别二进制中的“,0”,或“,1”,。可擦重写光盘中的反复写、擦过程与记录介质中的可逆相变过程相对应。从广义的角度讲，任何具有光致双稳态变化的材料都可用做,RW,记录介质。,5.4.1,可擦重写相变光盘的原理,RW,相变光盘是利用记录介质在两个稳定态之间的可逆相结构变化来实现反复的写和擦。常见的相结构变化有下列几种：,晶态,晶态,之间的可逆相变，这种相变反衬度太小，没有使用价值。,非晶态,非晶态,之间的可逆相变，这种相变的反衬度亦太小，没有实用价值。,发生玻璃态晶态之间的可逆相变，这种相变有实用价值。,1,、激光热致相变可擦重写光存储,存储材料。,该类存储盘所用相变介质（多元半导体的晶态和非晶态）都是共价键结构，其晶态长程有序，非晶态因键长和键角发生畸变，原子组态出现各种缺陷，因而短程有序。材料的晶化温度和晶化激活能越高，热稳定性越好。无序体系的热稳定性越好，晶化就愈困难。这样就形成了三元或多元合金光记录介质。图,5,9,（,a,）给出相变过程中介质体积随温度的变化情况，图,5,9,（,b,）给出透射率随温度的变化情况。只要材料设计满足一定条件，可以既增强介质玻璃态的稳定性，又提高其晶化速率。,图,5,9,可擦重写光盘材料特性,存储原理与过程。,近红外波段的激光作用在介质上，能加剧介质结构中原子、分子的振动，从而加速相变的进行。因此近红外激光对介质的作用以热效应为主，其中写、读、擦激光与其相应的相变过程见图,5,10,。,信息的记录,对应介质从晶态,C,向玻璃态,G,的转变。选用功率密度高、脉宽为几十至几百钠秒的激光脉冲，使光斑微区因介质温度刹那间超过熔点,T,m,而进入液相，再经过液相快淬完成达到玻璃态的相转变。,信息的读出,用低功率密度、短脉冲的激光扫描信息道，从反射率的大小辨别写入的信息。 一般介质处在玻璃态（即写入态）时反射率小，处在晶态（擦除态）时反射率大，在读出的过程中，介质的相结构保持不变。,信息的擦除,对应介质从玻璃态,G,向晶态,C,的转变。选用中等功率密度、较宽脉冲的激光，使光斑微区因介质温度升至接近,T,m,处，再经过成核生长完成晶化。在此过程中，光诱导缺陷中心可以成为新的成核中心，因此，由于激光作用使成核速率、生长速度大大增加，从而导致 激光热晶化比单热晶化速率高。,图,5,10,写、读、擦激光脉冲与其效应的相变过程,2.,激光光致相变,随着激光波长移向短波长，激光的光致相结构变化效应逐渐明显，相变机制也与热相变的机制不同。,图,5,11,示出高功率密度的激光脉冲下，介质内部发生的带间吸收和自由载流子吸收。由于入射激光束不与非晶网格直接作用，光子能量几乎直接用来激发电子，在高功率激光密度的激光作用下，自由载流子的产生率,R,e,、电子与空穴的复合率,R,r,以及电子与网格点作用时将能量传递给声子的概率,R,c,满足,R,e,R,r,，,R,C,R,e,。,可见，这时介质内部的光吸收由带间吸收为主变为以自由载流子浓度猛增，从而使得电子电子碰撞的概率（正比于,N,2,）远远超过电子网络碰撞的概率（正比于,N,），自由载流子吸收的光能远比它与网格点作用损失的能量为高，形成温度很高的电子空穴等离子体，但网络点的温度变化不大。,激光脉冲结束后，等离子体中的过热电子在与声子相互作用（,e,h,碰撞）过程中将能量传递给网络点，或与空穴复合而释放能量，最终使介质回到自由能最低的晶态。对于组分符合化学计量比的介质，在光晶化的过程中没有长程原子扩散，只有原胞范围内原子位置的重新调整。 所以，光晶化机制是一种无扩散的跃迁复合机制。它利用弛豫过程和复合过程释放的能量促成网格元胞内原子位置的调整以及键角畸变的消失，从而完成晶化过程。,图,5,11,光致相变介质内部光吸收过程,光致晶化过程包括光致突发晶化和声子参与的弛豫过程，前者需时在,10,9,10,12,秒量级，后者约几十钠秒。它与激光热致晶化过程的对比间表,5,1,。,热致晶化,光致晶化,本质,扩散型成核长大式晶化过程,非扩散型跃迁复合式晶化过程,条件,符合或不符合化学计量比的组分；所用的亚稳相,符合化学计量比组分；直接固态相变，无需成核,起因,热致起伏,激光束激发或电子束激发,耦合性质,相分离，原子扩散；原子振动；分子振动,无相分离，无扩散；原子位置调整；键角畸变消失,自持效应,不重要,自持晶化，重要,穿透深度,整体效应,激光束：,100,5000,；电子束：,1,2m,晶化时间,较长的退火过程（,0.5m,1.0ms,）,突发作用（,1ns,1ps,）,+,弛豫过程（,10,200ns,）,3.,可擦重写光盘存储机构,可擦重写光盘在记录信息时一般需要先将信道上原有信息擦除，然后再写入新信息。这可以是一束激光的两次动作，也可以是两束激光的一次动作，即用擦除光束和之后写入光束的协调动作来完成擦、写功能。图,5,12,可擦重写光盘存储机构与信息存储过程示意图。虚线框内是双光束光学头。,1,、,2,、,3,分别为写入光斑、擦除光斑和写的信息道。图（,b,）对应放大表示。左侧,1,是写入光路，右侧,2,是擦除光路。,5.4.2,可擦重写磁光光盘存储,目前磁光薄膜的记录方式有补偿点记录和居里点记录两类，前者以稀土钴合金为主，后者则多为稀土铁合金。,信息的写入,GdCo,有一垂直于薄膜表面的易磁化轴。在写人信息之前、用一定强度的磁场,H,0,对介质进行初始磁化，使各磁畴单元具有相同的磁化方向。在写入信息时，磁光读写头的脉冲激光聚焦在介质表面，光照微斑因升温而迅速退磁，此时通过读写头的线圈施加一反向磁场，就可以使光照微斑区反向磁化（图,5,14,（,a,）,信息的读出,信息读出是利用,Kerr,效应检测记录单元的磁化方向。用线偏振光扫描录有信息的信道，磁化方向向上的光斑，反射光的偏振方向会绕反射线右旋一个角度，磁化方向向下的光斑则左旋一个角度。实际测试时，使检偏器的主截面调到与,k,对应的偏振方向相垂直的方位。,实际应用时，光盘的信噪比与,Kerr,角的大小密切相关，若反射光强度为,I,，且光盘的本底噪声主要来自散射效应，则信噪比可近似表示为,信息的擦除,擦除信息时，如图,5,14,（,c,）所示，用原来的写人光束扫描信息道，并施加与初始,H,0,方向相同的偏置磁场，则记录单元的磁化方向又会恢复原状。,图,5,13,GdCo,磁学特性与温度的依赖关系,图,5,14,磁光介质的写、读、擦原理示意图,图,5,15,某磁光薄膜矫顽力及,Kerr,角随温度的变化,5,5,光盘衬盘材料,5,5,1,光盘规格,光盘衬盘厚,1.2um,，外形很像一张透明唱片。直径尺寸有（,mm,）,356,，,300,，,200,，,130,，,120,等，分布着间距为,1.6um,的预刻沟槽，同心圆或螺旋线都可，槽宽约,0.8um,，槽深取,/8n,，,n,是称盘的折射率，目前，半导体激光器波长,830nm,，称盘,n,1.49,槽深为,70nm,。,5.5.2,村盘材料的选择,衬盘材料应满足以下寻求：,（,1,）物化特性。物理化学特性要求比重小，吸水率、成型收缩率尽可能低，用它制备光盘时脱气时间短，抗溶剂性强。,（,2,）光学性能好。对紫外光透射性能好；对写、读，擦波长吸收系数小；双折射低；透光均匀；材料中应当没有气泡、缺陷、杂质、凝胶胶粒等，否则会引起读、写、擦光束的衍射或消光，从而导致信号失真或信息误传。,（,3,）耐热性能。抗热变形性的能力要强，热膨胀率应低；软化温度、热变形温度应尽可能的高；洛氏硬度应强，断裂生长百分率应高。,表,5,2,几种常用衬盘材料性能参数的对比,衬盘材料,性能指标,PMMA,PC,APO,钢化玻璃,物化性能,密度,【,g/cm,3,】,吸水率,【,24h,，,25,C,】,（）,成型收缩率（）,达到,1.33,10,4,Pa,的时间（,min,）,抗溶剂性能,1.19,2,0.6,1000,弱,1.19,0.5,0.5,500,良,1.20,0.15,0.50.7,522,强,1.05,0.01,0.50.6,53,2.5,0,/,快,强,光学特性,折射率,透光率（紫外）（）,吸收系数（,830mm,）（,mm,1,）,双折射（,6328,）（,mm,）,光弹性系数（,10,7,cm,2,/kg,）,1.49,92,2.73,10,3,20,6,1.49,92,1.41,10,4,20,6,1.58,88,2.44,10,2,50,80,1.55,92,20,6,1.451.57,90,/,0,0.2,耐热性能,热膨胀率（,10,6,/,C,）,热传导率（,4.19,10,2,W/m,K,）,蒸气透过率（,24h,，,g/m,2,）,软化温度（,C,）,热变形温度（,mPa,）,80,46,2.8,110,95105,70,46,2.8,133,120130,6070,4.7,3.6,154,120132,/,/,/,150,/,312,1219,/,机械特性,抗拉伸强度（,mPa,）,抗挠弯强度（,mPa,）,挠曲模量（,mPa,）,断裂伸长（）,拉伸储能模量（,20,C,）（,Gpa,）,洛氏硬度（,M,标度）,43.15,64.72,3237,2,5.2,82,（,3H,）,10,5.7,54.92,98.07,2452,47,2.9,45,（,HB,）,57.86,88.26,3138,3,75,（,2H,）,73550,/,（,7H,）,5,6,光信息存储新技术,信息技术的飞速发展，对海量信息存储的需求迅猛增长。然而，正在全世界兴起的信息高速公路网和起级计算机小型化发展中，信息存储系统仍是一个相对薄弱的关键性环节。光存储目前达到的存储密度和数据传输速率还远远满足不了飞速发展的信息科学技术的要求,为了提高存储密度和数据传输速率，光存储正在由长波向短波、低维向高维（即由平面向立体）、远场向近场、光热效应向光子效应、逐点存储向并行存储发展。,提高光盘存储密度的途径很多，其中见效最快的是缩短激光波长以缩小记录光斑尺寸的方法。,采用近场光学扫描显微技术和其他纳米技术使磁光、相变等目前己广泛应用于光盘存储的介质和一些新密光存储介质的存储密度大幅度提高，也是一个广为研究的课题。,三维立体存储是超大容量信息存储的最重要途经。这方面的研究目前集中在三个方向：体全息存储、双光子吸收三维存储和多层记录存储。,光存储介质一直是光存储技术研究的关键，因此，寻找适合于快速超高密度和超大容量信息存储材料的努力从来都被放在首要地位，无机光存储材料的研究较为成熟。,从总体发展水平来看，在光存储特别是超高密度光信息存储方面的应用研究目前国际上还基本处于刚刚起步的阶段。,5.6.1,持续光谱烧孔和三维光信息存储,持续光谱烧孔,PSHB,（,persistent spectral hole burning,）应用于光信息存储，可以使光的频率成为新的存储维，将传统的二维（,x,、,y,）光信息存储发展成为三维（,x,、,y,、,v,）光信息存储。与目前的光盘存储系统（记录密度限为,108B/cm2,）相比较，,PSHB,的三维光信息存储（以下简称,PSHB,存储）在理论上可以使记录密度提高三至四个量级。本节主要介绍,PSHB,和,PSHB,存储的基本原理、,PSHB,材料及其研究现状。,在光存储技术中，由于光的衍射现象，光不可能聚焦在一个体积小于,10,12,cm,3,左右的村料上，因此目前的光存储系统存在一个大小约为,10,8,B/cm,2,的存储密度上限。,光子烧孔大致可分为两类，即化学烧孔和物理烧孔，现重点介绍化学烧孔。,持续光谱烧孔和三维光信息存储,图,5,16 PSHB,光存储示意图,一方面，由于存在应力等外界因素，同一类客体分子可以具有不同的局域环境，对应于不同谐振频率的基本谱线。,5.6.2,电子俘获光存储技术,前言,未来大容量计算系统的存储器必须具备存储密度高、存储速率快、寿命长三大特点。,电子俘获光存储技术的基本原理,（,1,）电于俘获材料,一种新开发的电子俘获材料由带隙宽为,eV,的碱土硫化物和掺人其中的两类不同稀土金属元角（浓度约为十亿分之一）所组成。,图,5,18,电子俘获存储读写擦光谱特性,（,2,）信息写人、读出和擦除,在电子俘获光存储技术中，二进制信息位“”的写人是以记录点局域位置处的陷阱对电子的俘获（即电子对陷饼的填充）来表征的。,图,5,17,一种电子俘获材料的能级分布,持续光谱烧孔和三维光信息存储,图,5,18,电子俘获存储读写擦光谱特性,电子俘获光存储技术的优点,已由测量表明，存储单元局域位置中的陷阱对电子的俘获与写人光束能量间存在固有的线性。同样，读出过程中发光强度与读出所用的近红外光强度间也存在线性关系，这种固有的线性关系为模拟或多电平数据存储提供了可能。,从理论上说，它的写擦循环次数应是无限的。这一点已被实际测试所证实（即经,10,8,次写、擦循环后，材料记录特性无明显改变）。最后，测试表明，电子上、下跃迁改变的速率为纳秒级，这就保证了高速度存取。总之，电子俘获存储是一种相当有前途的光存储技术。,全息信息存储,5.6.3,全息信息存储,光盘存储系统虽然在巨大容量（或称海量）存储信息方面具有许多优点，但却与磁鼓、磁盘或磁带一样都要求光学头相对记录介质作机械运动，这就使记录信息位的密度被限制在机械调节的精度内，并使存取时间只能限于毫秒范围内。光全息存储是一条可循的途径具有以下优点：,1,）存储容量大：全息方法有可能将信息存储在介质的整个体积中，这种三维全息存储按位计算的体密度上限为；,2,）数据传输速率高、存储与读出时间短：全息图采用整页存储和读出的方式，一页中的所有信息位都被并行地记录和读出，因而可达到很高的数据传输速率。同时，全息数据库可以用电光偏转、声光偏转等无惯性的光束偏转或波长选择等手段来寻址，无需磁盘和光盘存储中的机电式读写头，因而数据传输速率和存取速率可以很高；,3,）高冗余度：与按位存储的磁盘和光盘不同，全息记录是分布式的，即把每一点的信息或者说每一信息位记录在整个全息图上，所以记录介质局部的缺陷和损伤不会引起信息的丢失。,典型的光学全息存储器中存储的信息可分为块状结构和顺序结构两类，,块状结构全息存储器,全息存储技术的基本概念是把存储的信息构成一个像，将此像作为全息记录系统中的物，并把物存储于全息图中。,图,5,19,所示的配置：织页器全息图探测器列阵，是所有块状（页状）结构全息存储器中的基本存储单元。更复杂的海量存储器是以此单元以及一些附加器件为篆础的，而这些附加器件则是用来对能并行地存储许多页的存储面上大量全息图进行寻址的。,图,5,20,是配置蝇眼透镜的傅甩叶变换全息存储器。在这种存储器的光路中，用一个光束偏转器来控制参考光束和写人光束，使写人光束投射在绳眼透镜的一个微透镜上。,图,5,21,所示的是二维随机存取存储器的光路，在这种系统中薄记录介质可以是诸如热塑料或高分辨率照相底片。,图,5,22,所示的是三维随机存取存储器的光路，在这一系统中的厚记录介质可以是电光晶体或光致变色晶体。,图,5,19,块状结构全息存储器配置,图,5,20,配置蝇眼透镜的傅利叶变换全息存储器,图,5,21,二维随机存取存储器的光路,图,5,22,三维随机存取存储器的光路,顺序结构全息存储器,顺序结构全息存储技术放弃了非机械的随机存取，由此所得的代价是，总的存储容量在原则上将不受更多的限制。此外，要实现一个实验系统将更容易和更便宜。,在顺序结构中采用记录傅利叶变换全息图的主要理由是：在读出时，再现光斑对记录介质的移动和位移不灵敏，当用一平面参考波再现存储数据时，再现衍射波的方向在,级近似下与存储介质的移动和位移元关。,用于读出的探测器列阵是在透镜,L3,的后焦面上，因而左探测器上的再现光斑对带的移动不灵敏这一点很重要，这是因为在实际操作中不能在读出时将机械地移动的存储介质定位得与记录时的位置严格一致。,图,5,23,所示是傅利叶变换全息图的顺序存储器光路，使用的存储材料是可移动的带，要存储的数据是用一处于准直光束光路上的组页器来光学地呈现的。,图,9,23,顺序结构光全息存储器光路,光致变色存储,5.6.4,光致变色存储,综述,某些无机和有机化合物，在光的作用下，它的吸收谱发生可逆变化，这就是光致变色现象。这种现象可用下式表示,光致变色存储的工作原理,我们讨论如图,5,24,所示的理想模型。设存储介质具有两个吸收带，在波长的光照射下，介质由状态完全变到状态。同样，在波长的光照射下，介质由状态完全返回到状态，即有如下过程,图,5-24,光致变色存储理想模型,光致变色记录材料的实用化条件,要使光致变色材料符合光记录介质的要求而达到实用化阶段，必须首先解决以下几个问题。,（,1,）在半导体激光波长范围界有吸收,目前使用的半导体激光器的输出波长为,830nm,和,780nm,，因此要求光致变色材料的变色波长落在这些波长上。,（,2,）非破坏性读出,所谓非破坏性读出就是在读出信息时不破坏已记录的信息，这就要求开发出具有阈值的光致变色材料，或者通过读出透射率以外的物理（,3,）记录的热稳定性,在很多光致变色材料的两种状态中，其中一种往往不是热稳定的，即使在黑暗环境下也会慢慢地向另一种状态改变。（,4,）反复写、擦的稳定性,如将光致变色材料用作可擦除光记录材料，那就必须有反复写、擦的稳定性。,目前，完全满足上述四个条件的光致变色材料尚未开发出来。,