7、光存儲技術(shù)71光存儲原理、分類、特點72光盤存儲73雙光子光學(xué)存儲74持續(xù)光譜燒孔光學(xué)存儲75電子俘獲光存儲76光全息存儲DATE171光存儲原理、分類、特點1、原理只要材料的某種性質(zhì)對光敏感，在被信息調(diào)制過的光束照射下，能產(chǎn)生理化性質(zhì)的改變，并且這種改變能在隨后的讀出過程中使讀出光的性質(zhì)發(fā)生變化，都可以作為光學(xué)存儲的介質(zhì)。2、分類按介質(zhì)的厚度面存儲、體存儲；按數(shù)據(jù)存取逐位存儲、頁面并行式存儲；按鑒別存儲數(shù)據(jù)位置選擇存儲、頻率選擇存儲等。DATE271光存儲原理、分類、特點3、光學(xué)信息存儲的一般特點存儲密度高理論估計面密度為1/2；體密度為1/3，按500NM計算，存儲密度為1TB/CM3。并行程度高提供并行輸入輸出和數(shù)據(jù)傳輸?？闺姶鸥蓴_存儲壽命長磁存儲23年；光存儲10年以上。非接觸式讀寫信息信息價格位低價格可比磁記錄低幾十倍。DATE372光盤存儲自60年代末美國ECD及IBM公司共同研制出第一片光盤以來，光盤存儲技術(shù)發(fā)展之迅速出人意料。激光唱片COMPACTDISK，CD激光視盤LASERVIDEODISK，LVDLD，VCD，DVD。計算機外存設(shè)備光盤DATE4721光盤存儲的原理激光經(jīng)聚焦后可在記錄介質(zhì)中形成極微小的光照微區(qū)直徑為光波長的線度，即1M以下，使光照部分發(fā)生物理和化學(xué)變化，從而使光照微區(qū)的某種光學(xué)性質(zhì)反射率、折射率、偏振特性等與周圍介質(zhì)有較大反襯度，可以實現(xiàn)信息的存儲。光盤是按位存儲的二維存儲介質(zhì)。記錄軌道的密度可高達1000道MM以上。性能信息載噪比CNR均在50DB以上；每一通道數(shù)據(jù)速率可達50MBIT/S以上。DATE5722光盤的類型按其功能劃分主要有四種1只讀存儲光盤ROM2一次寫入光盤WORM；或稱DRAW燒蝕型起泡型熔絨型合金型相變型3可擦重寫光盤EDAW先擦后寫4直接重寫光盤寫同時擦除原信息DATE6723光盤存儲器根據(jù)光盤存儲介質(zhì)分類1單光束光學(xué)系統(tǒng)單光束光學(xué)系統(tǒng)DATE7723光盤存儲器2雙光束光學(xué)系統(tǒng)用于可擦重寫光盤寫讀光路寫讀光路擦除光路擦除光路寫、讀激光器寫、讀激光器波長波長083M擦除激光器擦除激光器波長波長078MDATE8723光盤存儲器國內(nèi)情況成都電子科技大學(xué)和北京航空航天大學(xué)分別研制成功的可擦重寫磁光盤、直接重寫相變光盤等；中國科學(xué)院上海冶金研究所國家光存儲研究中心已建成各類光盤的母盤生產(chǎn)線；清華大學(xué)國家光盤工程研究中心致力于改進光盤驅(qū)動器及其關(guān)鍵部件，提高其性能和存儲容量，減少搜尋時間，改進數(shù)據(jù)速率和存儲數(shù)據(jù)的可靠性，同時進行新一代多功能光盤驅(qū)動器的開發(fā)，研制適合于各種無機和有機的一次寫入和可擦除介質(zhì)的雙觸長束多功能光學(xué)頭。DATE9724光盤存儲技術(shù)的進展1、光盤與磁盤比較存儲密度磁盤的道距約10M，光盤的道距約LM據(jù)DATASTORAGEL998年2月報道。IBM已有突破磁盤存儲密度10GBIT/IN2大關(guān)的實驗室樣機數(shù)據(jù)傳輸速率光盤的性能不及磁盤。DATE10724光盤存儲技術(shù)的進展2、提高只讀光盤的存儲容量的主要方法采用短波長激光讀寫激光波長由08M縮短到04M，記錄的面密度可提高4倍。提高道密度和線密度使用光道密度加倍法；使用區(qū)域比特記錄法。開發(fā)多數(shù)據(jù)層的光盤采取多光道并行存取技術(shù)例如種雙光學(xué)頭的設(shè)計，采用16個激光二極管陣列并行存取，可使數(shù)據(jù)速率達到100MBIT/S。DATE11724光盤存儲技術(shù)的進展正在開發(fā)超高容量雙面多數(shù)據(jù)層ROM例如，日本日立公司等研制的雙面雙數(shù)據(jù)層ROM，采用044M的最小光斑尺寸和每層074M寬的道距，實現(xiàn)總數(shù)據(jù)容量為17GB。研究表明，利用雙面三數(shù)據(jù)層結(jié)構(gòu)總共包括6個數(shù)據(jù)層，有可能實現(xiàn)255GB的超高容量。DATE12724光盤存儲技術(shù)的進展3、進展1相變光盤技術(shù)已經(jīng)達到成熟的產(chǎn)品級水平。2直接重寫光盤實現(xiàn)高數(shù)據(jù)率是當(dāng)前研究的熱點。容量面密度04GBIT/CM2，光盤容量35GB。數(shù)據(jù)傳輸率估計能達10MBIT/S紅激光；超過100MBIT/S藍激光。存儲面密度極限光盤存儲L0GBITCM2磁盤存儲62GBITCM2DATE13724光盤存儲技術(shù)的進展3、進展3體積光學(xué)存儲容量達到TBCM3；存取時間毫秒或亞毫秒；數(shù)據(jù)傳輸速率GBITSTBITS。DATE1473雙光子光學(xué)存儲731存儲原理雙光子過程介質(zhì)中的分子同時吸收兩個不同光束中的兩個光子而被激發(fā)到高的電子能態(tài)。當(dāng)兩光束沿不同方向照射并聚焦到材料的同一區(qū)域，確定了一個微小的重疊區(qū)域。在此區(qū)域中發(fā)生雙光子過程后，分子發(fā)生了改變，使材料的理化特性改變，從而記錄了一個信息位。732材料光致變色材料螺旋苯并毗喃SP聚甲基丙烯酸甲酯系統(tǒng)SPPMMADATE15733雙光子三維存儲器件1991年STRICKLER和WEBB首次報道存儲密度03131012BITCM3材料液態(tài)丙烯酸鹽與酯類的混合物DATE16734前沿進展L研究具有寬的讀出吸收線形和高的熒光效率新材料，可采用廉價的低功率讀出光源如發(fā)光二極管LED和經(jīng)過濾光的燈。L研究了光學(xué)擦除的方法1997年WANG等人報道在LCMLCMLCM的雙光子材料中以頁面方式記錄了100個數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)層間隔80，每層包含100100的隨機位圖，每位數(shù)據(jù)占據(jù)的3030。記錄采用倍頻NDYAG激光器的1064NM和532NM兩個波長，讀出采用氦氖激光器的綠色譜線來誘導(dǎo)熒光。用13161035像元的制冷CCD攝像頭探測讀出信號，直接測得誤碼率為513104。DATE17734前沿進展L研究盤式雙光子存儲1997年COKGOR等人在單片盤式材料中利用雙光子吸收記錄了三層數(shù)據(jù)，并行地記錄和恢復(fù)了二維數(shù)據(jù)陣列，從轉(zhuǎn)速為1500RMIN的盤中已經(jīng)探測到熒光。L研究在室溫下具有更長壽命的光致變色材料聚合物介質(zhì)系統(tǒng)，為可擦除的存儲RWE和只讀存儲ROM探尋適合的材料。DATE1874持續(xù)光譜燒孔光學(xué)存儲光學(xué)存儲限制一個信息位最小的聚焦體積在13的數(shù)量級，或1012/CM3左右。相應(yīng)地，LBIT所占據(jù)的空間中含有106一107個分子。如果能用一個分子存儲一位信息，存儲密度便能提高106一107倍。關(guān)鍵問題要有適當(dāng)?shù)倪x擇或識別分子的方法。持續(xù)光譜燒孔PSHB技術(shù)正是利用分子對不同頻率的光吸收率不同來識別不同分子的。采用PSHB光學(xué)存儲技術(shù)，有可能使光存儲的記錄密度提高34個數(shù)量級。DATE1975電子俘獲光存儲原理電子俘獲材料是一類有著巨大應(yīng)用潛力的光存儲材料,它能將寫入光照射材料后產(chǎn)生的電子空穴束縛在材料的某些穩(wěn)定的高能級陷阱上。只有經(jīng)過合適的讀出光照射,被束縛住的電子空穴才能脫離陷阱復(fù)合發(fā)光。發(fā)光在空間的強度分布與寫入光的分布一致,即再現(xiàn)了寫入光的信息。電子俘獲材料的種類很多,研究進展各不相同。DATE2075電子俘獲光存儲電子俘獲光存儲寫人與讀出的簡單原理,如圖所示。DATE2175電子俘獲光存儲當(dāng)用寫人光輻照時,材料中產(chǎn)生大量的電子和空穴,這些電子和空穴被俘獲在晶體內(nèi)部的陷阱中,從而將輻射能量存儲起來。當(dāng)受到光激勵時即讀出光,能量小于寫人光,陷阱中的載流子電子和空穴脫離陷阱而與發(fā)光中心復(fù)合發(fā)光。圖1中,過程1表示晶體受電離輻射產(chǎn)生躍過禁帶的自由電子和空穴,過程2、4表示自由電子被俘獲并暫時存儲在陷阱中,過程3、5存儲在陷阱中的電子和空穴在受可見光或紅外光激勵時躍遷出陷阱,又處于自由狀態(tài),過程6、7、8表示這些自由電子和空穴可以在材料中的某些發(fā)光中心離子的局域能級上發(fā)生復(fù)合,而把它們所帶的能量以一定波長的能量。DATE22釋放出來從而完成整個讀出及寫入過程。電子俘獲光存儲的寫入（激發(fā)）,讀出（激勵）的波長范圍,受基質(zhì)的晶格影響,也受雜質(zhì)原子,晶格缺陷,以及一些破壞晶格周期性的界面等的影響。電子俘獲材料正是選擇了不同基質(zhì)以及摻雜,得到了不同波段的存取。電子俘獲材料的讀寫波長由材料中的發(fā)光中心決定的。DATE2376光全息存儲光全息存儲構(gòu)成原理示意圖DATE2476光全息存儲光全息存儲構(gòu)成原理示意圖DATE25762全息存儲的特點1、高冗余度以全息圖的形式存儲的信息是分布式的，每一信息單元都存儲在全息圖的整個表面上或整個體積中，故記錄介質(zhì)局部的缺陷和損傷不會引起信息的丟失。2、高存儲容量光學(xué)極限為641013BIT/CM3采用面向頁面的存儲，容量可達到106BIT/頁面，采用空間復(fù)用和共同體積復(fù)用相結(jié)合的技術(shù)存儲500000個全息頁面，可以得到總的存儲容量為500GBIT或約63GB，這可以和RAID磁盤系統(tǒng)相比。DATE26762全息存儲的特點2、高存儲容量1994年BURR等人報道10000個數(shù)據(jù)全息圖/體積單元。復(fù)用50個體積單元RAID磁盤存儲容量利用頻率選擇技術(shù)PSHB將存儲維數(shù)擴展到四維，體全息存儲器的容量還可能進一步提高。DATE27762全息存儲的特點3、高數(shù)據(jù)傳輸速率和快存取時間數(shù)據(jù)傳輸速率10GBITS或約125GBS，使尋址一個數(shù)據(jù)頁面的時間小于100S磁盤系統(tǒng)的機械尋址需要10MS記錄時間1MBIT/SDATE28各種存儲技術(shù)的存儲容量和數(shù)據(jù)傳輸速率的比較全息存儲同時具有全息存儲同時具有容量大、數(shù)據(jù)傳輸率容量大、數(shù)據(jù)傳輸率高、數(shù)據(jù)搜索時間短高、數(shù)據(jù)搜索時間短三方面的優(yōu)良性能三方面的優(yōu)良性能DATE29762全息存儲的特點4、可進行并行內(nèi)容尋址全息存儲器可以直接輸出數(shù)據(jù)頁或圖像的光學(xué)再現(xiàn)；在再現(xiàn)出的光學(xué)像被探測到并被轉(zhuǎn)換成電子數(shù)據(jù)圖樣之前，就可以對它們用光學(xué)方法進行并行處理，以提高存儲系統(tǒng)進行高級處理的功能。DATE30762全息存儲的特點4、可進行并行內(nèi)容尋址例如1任何全息存儲器通過工作在傅里葉變換域都能夠執(zhí)行相關(guān)操作2采用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，有可能一次讀出存儲在整個全息存儲器中的全部信息，或在讀出過程中同時與給定的輸入圖像進行相關(guān)，完全并行地進行面向圖像頁面的檢索和識別操作DATE31762全息存儲的特點4、可進行并行內(nèi)容尋址例如3可以實現(xiàn)用內(nèi)容尋址的存儲器CAM，成為全光計算或光電混合計算的關(guān)鍵器件之一，在光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光學(xué)互連，以及在模式識別和自動控制等應(yīng)用領(lǐng)域可以統(tǒng)稱為光計算中有廣闊的應(yīng)用前景。DATE32763回顧L60年代末發(fā)現(xiàn)光折變效應(yīng)以后，在光折變晶體中全息存儲一度成為熱點，并曾提出過許多設(shè)計精巧的存儲方案。L1975年美國RCA公司還首次報道了在1CM摻鐵鈕酸鏗晶體中記錄了500個全息圖。這些早期的工作雖然很出色，但沒有產(chǎn)生出實用的系統(tǒng)。L80年代，光學(xué)計算研究的熱潮重新激起人們對全息存儲的興趣，國際上爭相在存儲方法和存儲材料等方面加緊進行研究。DATE33763回顧L1991年美國NORTHROP公司在1CM3摻鐵鑰酸鏗晶體中存儲并高保真地再現(xiàn)了500幅高分辨率軍用車輛全息圖；L1992年在同樣的妮酸鏗晶體中存儲1000頁數(shù)字數(shù)據(jù)并無任何錯誤地復(fù)制回數(shù)字計算機的存儲器。L全息存儲器可望存儲幾千億字節(jié)數(shù)據(jù)，以等于或大于108BIT/S的速度傳送數(shù)據(jù)，并在100S或更短的時間內(nèi)隨機選擇一個數(shù)據(jù)頁面。其它任何一種同時具有這三項優(yōu)點的存儲技術(shù)都沒有體全息存儲這樣接近實用化階段，這一事實在世界范圍內(nèi)再次引起體全息存儲研究熱潮。DATE34764進展1、存儲容量迅速提高L1994年美國加州理工學(xué)院在1CM3的摻鐵鑰酸鏗晶體中記錄了10000個全息圖。L1994年斯坦福大學(xué)的研究小組把數(shù)字化的壓縮圖像和視頻數(shù)據(jù)存儲在一個全息存儲器中，并再現(xiàn)了這些數(shù)據(jù)而圖像質(zhì)量無顯著下降。L最近，美國、日本和一些歐洲國家的許多大公司和科研機構(gòu)仍在不斷提高體全息存儲的記錄密度和發(fā)展新型全息復(fù)用結(jié)構(gòu)。DATE35764進展2、全息存儲技術(shù)的實用化系統(tǒng)L1995年由美國政府高級研究項目局ARPA、IBM公司的A1MADEN研究中心、斯坦福大學(xué)、GTE公司、OPTITEK公司、SRI國際組織、休斯公司和ROCKWELL科學(xué)中心等聯(lián)合成立了協(xié)作組織，在美國國家存儲工業(yè)聯(lián)合會NSIC主持下，投資約7000元，實施了光折變信息存儲材料PRISM項目和全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)HDSS項目，預(yù)期在5年內(nèi)開發(fā)出具有容量為1萬億位數(shù)據(jù)、存取速率為1000MB/S的一次寫入或可重復(fù)寫入的全息存取系統(tǒng)；DATE36764進展2、全息存儲技術(shù)的實用化系統(tǒng)L1996年IBM公司研制出一臺高分辨率自動全息存儲系統(tǒng)試驗床，可以對各種體全息存儲材料的參數(shù)按照產(chǎn)品級性能標準作出定量測量；LCOLORADO大學(xué)將體全息存儲應(yīng)用于光學(xué)合成孔徑雷達SAR成像和目標識別；LROCKWELL科學(xué)中心還正在為航空航天應(yīng)用研制一個裝載在航空飛行器上的