光存储技术

原理

　　光存储技术是用激光照射介质，通过激光与介质的相互作用使介质发生物理、化学变化，将信息存储下来的技术。其基本物理原理是：存储介质受到激光照射后，介质的某种性质(如反射率、反射光极化方向等)发生改变，介质性质的不同状态映射为不同的存储数据，存储数据的读出则通过识别存储单元性质的变化来实现。

　　目前得到广泛应用的CD光盘、DVD光盘等光存储介质以二进制数据的形式来存储信息。信息写入过程中，将编码后的数据送入光调制器，使激光源输出强度不同的光束。调制后的激光束通过光路系统，经物镜聚焦照射到介质上。存储介质经激光照射后被烧蚀出小凹坑，所以在存储介质上存在被烧蚀和未烧蚀两种不同的状态，分别对应两种不同的二进制状态0或1。读取信息时，激光扫描介质，在凹坑处入射光不返回，无凹坑处入射光大部分返回。根据光束反射能力的不同，将存储介质上的二进制信息读出，再将这些二进制代码解码为原始信息。

高清晰现状

　　随着高清晰度电视系统的出现及使用，更高画面质量和音质节目的出现意味着需要更大容量和更高性价比的物理载体。国内外相继推出了各种高清晰度光盘技术方案，如采用红光技术的EVD、NVD、FVD和采用蓝光技术的BD、HD DVD、CBHD。

　　(1)EVD

　　EVD(Enhanced Versatile Disk)是我国企业联合研发的基于红光技术的光存储技术。代表企业为北京阜国数字技术有限公司(开发EVD主体系统)、今典环球公司(负责EVD片源的供应)、新科电子公司(推出EVD影碟机的厂商)。EVD的主要特点是：在不改变DVD物理格式的前提下，使用部分新的音视频编码技术，如在视频部分EVD可使用MPEG-2、H.264、WMV-9、AVS等，在音频方面使用EVD独有的EAC音频编码技术。

　　(2)NVD

　　NVD(Next generaiton Versatile Disc)是由武汉邮科院、华中科技大学、武汉国家光盘中心、武汉光谷等联合研发的具有自主知识产权的新一代红光高清光盘系统，是使用红光技术并且能够播放高清节目的视盘播放系统。NVD的容量为12GB和15GB，采用先进的编码技术如MPEG-4、WMV-9、H.264等。其物理格式与DVD不兼容。

　　(3)FVD

　　FVD亦称HD-FVD(High Definition Forward Versatile Disc)，是台湾前瞻光储存研发联盟的29家公司及单位合作开发的新型红光高画质激光视盘系统。目前FVD代已有单面单层5.4GB，及单面双层9.4GB两种存储容量的产品，未来FVD将开发出具有单面三层的光盘产品，其容量将高达15GB。FVD视频编码采用了微软的WMV-9，在版权保护技术上采用了自主的AES技术。

　　(4)BD

　　BD(Blu-ray Disc)采用的是波长为405nm的蓝紫光技术。盘片容量为单面单层25GB、双层50GB，双面单层50GB、双层100GB。BD采用的是MPEG-2、MPEG-4、H.264和WMV-9视频编码，音频则采用了Dolby Digital、DTS和LPCM编码，可选Dolby Digital Plus、无损的Dolby TrueHD和DTS HD，最近还加入了我国自主知识产权的DRA。蓝光盘的容量大，添加了硬质塑料或聚合物外壳，盘片的保护性好；与现有DVD不兼容，制作成本较高，播放机的价格也较贵。

　　(5)HD DVD

　　HD DVD也采用蓝紫光技术，盘片容量为单面单层15GB、双层30GB，双面单层30GB、双层60GB。HD DVD采用MPEG-4、H.264、WMV-9和MPEG-2视频编码，音频采用Dolby Digital Plus、DTS、Dolby Digital和MPEG Audio等有损编码和LPCM、MLP和DTS HD等无损编码。HD DVD兼容现有DVD，生产成本也较低。

关键技术

　　1.高密、高效、高速的母盘刻录技术

　　采用短波激光和大数值孔径的物镜，可使道间距减小，比特长度减小，从而可提高光盘的刻录密度；采用脉宽调制，可显着提高记录效率。

　　2.DVD单面盘的精密注塑及双盘的封装技术

　　将DVD母盘、模板生产线挑选出的合格模板，用精密注塑机注塑成形，制得的DVD半成品经适当冷却，送入溅射室，根据不同要求，分别溅射金或铅，然后进行粘合剂旋涂、封装、紫外光固化、在线检测、商标印刷等，制成DVD只读光盘。

　　3.光盘记录介质

　　DVD-RAM光盘是否稳定可靠，记录介质是关键，而材料设计能否满足高速存储的要求，又取决于记录介质能否在两个稳定态之间实现快速可逆相变。国内外传统相变介质材料设计都是基于激光的热效应，信息写入用液相快淬实现；信息的擦除用晶核形成、晶粒长大来完成。由于热效应是能量积累过程，写入一个比特需较长时间，约几十纳秒，而且介质在经历几十万次的写／擦循环后会出现信噪比下降的热疲劳。随着记录激光采用短波长，激光的热效应逐渐减弱，而激光光子的激发作用变得突出；所以新的材料设计基于激光的光效应。对半导体类型介质来讲，写入一个比特只要几十皮秒，使记录速率获得数量级的提高。这种基于非线性光学双稳态变化效应的记录介质称为光双稳态记录介质，它可以是无机材料，也可以是有机材料或无机-有机复合材料。

特点

　　（1）存储密度高

　　信息的存储密度表征单位面积或单位体积 可存储的二进制位数（bit/cm2，bit/cm3），用 以表示各种存储方法的性能指标。

　　电子存储器的存储密度约104－106 bit/cm2 ，即使是 超大规模集成电子存储器也不会超过106 bit/cm2 。

　　光学存储器的理论极限值： 面存储密度为1/λ2 ；体存储密度为1/λ3 。 按λ=500 nm 计算，存储密度为 1 Tbit/cm3。

　　（2）并行程度高

　　光子之间不会相互作用，因而光计算的并行 处理能力远远高于电子计算。提供并行输入输 出和数据传输。

　　（3）抗电磁干扰

　　光子不荷电，抗电磁干扰。

　　（4）存储寿命长

　　磁存储 2—3年；光存储10年以上。

　　（5）非接触式读／写信息

　　（6）信息价格位低

　　价格可比磁记录低几十倍。

应用

　　光盘是光存储技术代表性的应用。早在1961年，美国斯坦福大学和3M公司就已开始了光盘技术的研究。1972年，荷兰飞利浦公司和美国音乐公司率先开发制作出了视频光盘，并于1978年正式投入市场。到20世纪70年代末，又出现了数据光盘。

　　最初光盘技术主要用于录制音乐和电视节目。自20世纪80年代后，又开发了用于文献信息存储的光盘技术。光盘存储具有存储密度高、容量大、可随机存取、保存寿命长、工作稳定可靠、轻便易携带等一系列其他记录媒体无可比拟的优点，特别适用于大数据量信息的存储和交换。光盘存储技术不仅能满足信息化社会海量信息存储的需要，而且能够同时存储声音、文字、图形、图像等多种媒体的信息，从而使传统的信息存储、传输、管理和使用方式发生了根本性的变化。

光存储的新技术

　　（一）光学非辐射场

　　利用光学非辐射场与光学超衍射极限分辨率的研究成果，进一步减小记录信息符尺寸。因光束照射到物体表面时，无论透射或反射都会形成传播场（传播波）和非辐射（隐失波）。传播波携带着物体结构的低频信息，容易被探测器探测。隐失波携带描述物体精细结构的高频信息，沿物体表面传播。只要把这一部分信息扑捉到，就可提高系统的分辨率。

　　（二）近场光学原理

　　采用近场光学原理设计超分辨率的光学系统，使数值孔径超过1.0，相当于探测器进入介质的辐射场，从而能够得到超精细结构信息，突破衍射极限，获得更高的分辨率。

　　（三）光量子效应

　　以光量子效应代替目前的光热效应实现数据的写入与读出，从原理上将存储密度提高到分子量级甚至原子量级，而且由于量子效应没有热学过程，其反应速度可达到皮秒量级（1O-12秒），另外，由于记录介质的反应与其吸收的光子数有关，可以使记录方式从目前的二存储变成多值存储，使存储容量提高许多倍。

　　（四）三维多重体全息存储

　　利用某些光学晶体的光折变效应记录全息图形图像，包括二值的或有灰阶的图像信息。由于全息图像对空间位置的敏感性，这种方法可以得到极高的存储容量，并基于光栅空间相位的变化，体全息存储器还有可能进行选择性擦除及重写。

　　（五）当代物理学的其它成就

　　利用当代物理学的其它成就，包括光子回波时域相干光子存储原理、光子俘获存储原理、共振荧光、超荧光和光学双稳态效应、光子诱发光致变色的光化学效应、双光子三维体相光致变色效应，以及借助许多新的工具和技术，诸如扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、光学集成技术及微光纤阵列技术等，提高存储密度和构成多层、多重、多灰阶、高速、并行读写海量存储系统。实验证明，目前的技术可使光存储密度达到40-100Gbits／in2。

发展趋势

　　以光学、集成光学、光子效应、体全息技术、光感生或磁感生超分辨率等原理为基础的新一代光存储技术将朝着以下几个方向发展：

　　1.实现低价位DVD系列光盘及驱动器的规模生产

　　直径为120mm的DVD光盘单面容量4.7GB，双面容量9.4GB，如果改成双面双层，容量可达到18GB，组成了标称容量为5GB、9GB、10GB、18GB的DVD-5、DVD-9、DVD-10、DVD-18的光盘系列，只要这种光盘及光盘机的生产成本能降低到当今CD-ROM或CD-R光盘及光盘机的价位，就足够满足一般信息系统及家用电器的需求。由于DVD系列产品仍以传统的光盘制造技术为基础，基本工作原理没有改变，只是将信息符坑点的尺寸从原来的0.83μm降低到0.4μm，信道间距从原来的1.6μm降低到0.74μm。这种光盘机的结构原理也没有太大的变化，所用的半导体激光器的波长略有缩短，一旦形成规模，成本必将大幅度下降。目前，加工这种高密度光盘母盘及盘片注塑的设备及技术都已完全成熟。

　　2.进一步提高DVD光盘质量、成品率及功能

　　目前，DVD光盘的成品率，无论是母盘制作还是最终产品的成品率都低于普通CD光盘，从而也影响其生产成本。各种生产光盘的专用加工和测试设备还需要进一步更新，将深紫外超分辨率曝光技术、电子束曝光技术、多层光致抗蚀剂技术、无显影曝光技术、4X或更高速的刻录技术等引入母盘制作，以便进一步提高母盘质量和成品率。DVD光盘及光盘机将在功能上进行改进，首先是多功能化，包括光盘机和盘片的多功能化，即一台光盘机可用于只读、一次写入不可擦除及可直接改写等不同盘片，而盘片也可能作成同时具有只读和可擦写功能。此外随着编码技术和集成电路技术的进步，光盘机的编码及控制软件功能还将进一步改进，将分散的视频、音频、编码、解码、调制、解调、通道控制、伺服控制重新整合成少数芯片甚至单一芯片，不仅能降低成本，还会大大提高系统的可靠性。为了使光盘机使用更方便，其另一改进方向是光盘机的智能，使人一机界面更加简单，操作更为简便。

　　3.在记录密度不变的条件下提高系统性能

　　无论是VCD或DVD光盘都可以利用自动换盘系统，组成光盘库、光盘塔、光盘阵列，实现提高整个系统的容量、数据传输率及多数据存储的可靠性。如果将光盘库、光盘塔及光盘阵列与自动换盘系统有机结合，可以大大提高系统容量、数据传输率和显着改善存储数据的可靠性。目前的光盘库容量已可达到TB 量级（即1012字节）。 4.综合利用其它新技术开发下一代新产品高密度数据存储技术始终是信息技术和计算机技术发展中不可缺少的关键研究领域，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40Mbps，现有的各种光盘都不能满足要求，即使上面提到的DVD-RAM光盘系统也与此目标相距甚远。需要采用新技术和新材料，研究开发出新一代高密度、高速光存储技术和系统。虽然目前所进行的研究尚处于实验室阶段。许多理论问题、实验技术问题及工程问题还待深入研究，但从所取得的初步成果中能看出其发展方向包括：

　　（1）利用光学非辐射场与光学超衍射极限分辨率的研究成果，进一步减小记录信息符尺寸。因光束照射到物体表面时，无论透射或反射都会形成传播场（传播波）和非辐射（隐失波）。传播波携带着物体结构的低频信息，容易被探测器探测。隐失波携带描述物体精细结构的高频信息，沿物体表面传播。只要把这一部分信息扑捉到，就可提高系统的分辨率。

　　（2）采用近场光学原理设计超分辨率的光学系统，使数值孔径超过1.0，相当于探测器进入介质的辐射场，从而能够得到超精细结构信息，突破衍射极限，获得更高的分辨率，可使经典光学显微镜的分辨率提高两个数量级，面密度提高4个数量级。

　　（3）以光量子效应代替目前的光热效应实现数据的写入与读出，从原理上将存储密度提高到分子量级甚至原子量级，而且由于量子效应没有热学过程，其反应速度可达到皮秒量级（1O-12秒），另外，由于记录介质的反应与其吸收的光子数有关，可以使记录方式从目前的二存储变成多值存储，使存储容量提高许多倍。

　　（4）三维多重体全息存储，利用某些光学晶体的光折变效应记录全息图形图像，包括二值的或有灰阶的图像信息，由于全息图像对空间位置的敏感性，这种方法可以得到极高的存储容量，并基于光栅空间相位的变化，体全息存储器还有可能进行选择性擦除及重写。

　　（5）利用当代物理学的其它成就，包括光子回波时域相干光子存储原理、光子俘获存储原理、共振荧光、超荧光和光学双稳态效应、光子诱发光致变色的光化学效应、双光子三维体相光致变色效应，以及借助许多新的工具和技术，诸如扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、光学集成技术及微光纤阵列技术等，提高存储密度和构成多层、多重、多灰阶、高速、并行读写海量存储系统。实验已证明目前的技术可使光存储密度达到40-100Gbits／in2。

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