光電信息處理技術(shù)：光存儲技術(shù)(朱)

1主要內(nèi)容第二章光存儲技術(shù)

光盤存儲材料、原理及技術(shù)1

全息存儲材料、原理及技術(shù)2

電子俘獲存儲技術(shù)32光盤與光存儲技術(shù)信息的采集、傳輸、處理、存儲與顯示互相關(guān)聯(lián)、密不可分；光信息系統(tǒng)不僅需要信號產(chǎn)生、加載、傳輸、接收，還需存儲；光存儲的容量要求越來越大：一頁文字2KB，一頁黑白圖片20KB，一頁彩色圖片4MB；家用：從紙張、膠卷、磁帶、磁盤、CD、VCD，步入到DVD等記錄；科學：哈勃望遠鏡傳回的數(shù)據(jù)量每天>10TB；21世紀要求記錄密度達到TB量級，給信息存儲提出嚴峻挑戰(zhàn)。海量信息存儲飛速發(fā)展是以互聯(lián)網(wǎng)為代表的海量信息傳輸技術(shù)飛速發(fā)展的必然結(jié)果。大容量、高速度、高密度、高穩(wěn)定性和可靠性的存儲系統(tǒng)競相研究與推出。光盤存儲材料、原理及技術(shù)記錄方式正由磁記錄經(jīng)由磁光記錄向全光記錄發(fā)展，存儲器件由磁帶、磁盤經(jīng)由磁光光盤向全光光盤發(fā)展。

3光盤存儲材料、原理及技術(shù)磁記錄

利用磁頭在磁盤上進行信息的寫、擦；

磁記錄介質(zhì)包括磁帶、軟盤和硬盤，通過改進工藝，優(yōu)化膜系，降低磁頭飛行高度，硬盤存儲容量已由50MB、500MB，發(fā)展到主流250GB以上。磁光記錄

利用激光退磁，偏置磁場在磁光盤上進行信息寫入，屬半磁半光混合型記錄；

物理過程是激光引起記錄區(qū)矯頑力下降，使磁存儲容易進行。

磁光存儲器件為磁光光盤MD。光盤與光存儲技術(shù)4光盤存儲材料、原理及技術(shù)全光記錄

直接利用激光使光盤發(fā)生各種物理或化學變化來進行信息的寫、擦或直接重寫；

光記錄介質(zhì)：包括CD、DVD，CD-R、DVD-R，以及CD-RW、DVD-RW等，光頭由用紅外記錄波長向短波長方向推進，記錄密度不斷加大。光盤與光存儲技術(shù)5光盤存儲材料、原理及技術(shù)信息“寫入”

利用激光的單色性和相干性，將要存儲的模擬或數(shù)字信息通過調(diào)制激光聚焦到記錄介質(zhì)上，使介質(zhì)的光照微區(qū)(直徑<1m)發(fā)生變化，從而實現(xiàn)信息記錄。信息“讀出”

利用低功率密度激光掃描信息軌道，用光電探測器檢測信號記錄區(qū)與未記錄區(qū)反射率的差別，通過解調(diào)取出所要信息的過程。光盤存儲包括信息的“寫入”和“讀出”過程6光盤存儲材料、原理及技術(shù)光盤存儲優(yōu)點儲密度高存儲壽命長光盤的存儲壽命在10年以上信息位價格低

一張CD650MB，5~10元，1分/MB；一張DVD4.7GB，約10元，<1分/MB高數(shù)據(jù)傳輸率

數(shù)據(jù)傳輸速率達百兆B量級，并最終希望達到GB、TB量級信息的載噪比高7光盤存儲材料、原理及技術(shù)光盤發(fā)展經(jīng)歷了四代：只讀存儲光盤（ROM，ReadOnlyMemory）

數(shù)據(jù)在光盤生產(chǎn)過程中刻入，用戶只能從光盤中反復讀取數(shù)據(jù)。制造工藝簡單，成本低，價格便宜，其普及率和市場占有率最高。常見的有：CD-Audio、CD-ROM、VCD、DVD-Audio、

DVD-ROM、DVD-Video。一次寫入多次讀出光盤（WORM，WriteOnceReadMany）具有寫讀功能，用專用CD-R刻錄機向光盤中一次性寫入數(shù)據(jù)，但寫入后不可擦除，常見的有：CD-R、DVD-R8光盤存儲材料、原理及技術(shù)光盤發(fā)展經(jīng)歷了四代：可擦重寫光盤（REWRITE，簡寫作RW)

用戶除可讀寫信息外，還可將盤上記錄信息擦除，然后再寫入新信息；擦與寫需兩束光、兩次動作?！安良す狻毕葘⑿畔⒉脸硪皇皩懠す狻睂⑿滦畔懭敫邤?shù)據(jù)傳輸率。直接重寫光盤（OVERWRITE，簡寫作OW）實現(xiàn)的功能與可擦重寫光盤一樣，但“擦激光”與“寫激光”為同一束光，在寫入新信息的同時舊信息自動被擦除，無需兩次動作。9只讀光盤（ROM）存儲原理

將視頻或音頻信息通過信號發(fā)生器、前置放大器驅(qū)動電光或聲光調(diào)制器，調(diào)制激光束以不同功率密度聚焦在甩有光刻膠的玻璃襯盤上，曝光光刻膠經(jīng)顯影、刻蝕，制成主盤（又稱母盤，Master）經(jīng)噴鍍、電鍍等工序制成副盤（又稱印模，Stamper）經(jīng)“2P”注塑形成ROM光盤。光存儲材料、原理及技術(shù)10ROM光盤主盤與副盤制備工序

1.襯盤甩膠襯盤精密研磨、拋光后超聲清洗，使規(guī)格統(tǒng)一、表面清潔滴光刻膠后高速離心機甩膠，形成均勻光刻膠膜；放入烘箱中前烘，得到與襯底附著良好且致密的光刻膠膜

2.調(diào)制曝光將膜片置入高精度激光刻錄機中進行信息寫入。若襯盤以恒定角速度旋轉(zhuǎn)，刻錄機光學頭徑向勻速平移，則可膜片上刻錄出螺旋形信息道。

將刻有信息的盤片放入顯影液中進行監(jiān)控顯影正性光刻膠，曝光部分脫落負性光刻膠，不曝光部分脫落各信息道出現(xiàn)符合調(diào)制信號的信息凹坑，形狀、深度及坑間距與攜帶信息有關(guān)。這種攜有調(diào)制信息、有凹凸信息結(jié)構(gòu)的盤片就是主盤。常用正性光刻膠，所得主盤為正像主盤

3.顯影刻蝕光盤存儲材料、原理及技術(shù)114.噴鍍銀層

在主盤表面濺射一層銀膜用來提高信息結(jié)構(gòu)的反射率，以便檢驗主盤質(zhì)量作為下一步電鍍鎳的電極之一

5.電鍍鎳層在濺射了銀的盤片表面用電解的方法鍍鎳，使得主盤上長出一層厚度符合要求的金屬鎳膜。6.鎳膜剝離將上述盤片經(jīng)過化學處理，使得鎳模從主盤剝脫，形成一個副盤。

光盤存儲材料、原理及技術(shù)ROM光盤主盤與副盤制備工序

12ROM光盤“2P”復制將上述所得正像或副像子盤作為“印模”（stamper），加工中心孔和外圓后裝入“2P”噴塑器中，經(jīng)進一步的“2P”復制過程來制作批量ROM光盤。

2P-photopolymerization（光致聚合作用）一詞的縮寫。

2P過程示意圖ROM的記錄介質(zhì)是光刻膠，記錄方式是用聲光調(diào)制的氬離子激光將信息刻錄在介質(zhì)上，然后制成主盤及副盤，再用副盤作為原模，大量復制視頻錄像盤或數(shù)字音像唱片。一個原模一般可復制至少5000片盤片。用戶只要有一臺播放機就能享受光盤上的逼真音、像節(jié)目。ROM光盤系統(tǒng)只能讀取，不能錄入。想自行錄像錄音，必須采用WORM光盤系統(tǒng)。

光盤存儲材料、原理及技術(shù)13一次寫入光盤（WORM)按記錄方式不同，一次寫入光盤可分為：1.燒蝕型：存儲介質(zhì)可以是金屬、半導體合金、金屬氧化物或有機染料。利用介質(zhì)的熱效應，使介質(zhì)的微區(qū)熔化、蒸發(fā)，以形成信息坑孔(圖a)。

2.起泡型：存儲介質(zhì)由聚合物-高熔點金屬兩層薄膜組成。激光照射使聚合物分解排出氣體，兩層間形成的氣泡使上層薄膜隆起，與周圍形成反射率差異實現(xiàn)信息記錄(圖b)。3.紋理型：存儲介質(zhì)用離子束刻蝕的硅，表面呈現(xiàn)絨狀結(jié)構(gòu)，激光光斑使照射部分的絨面熔成鏡面，實現(xiàn)反射率變化(圖c)。4.光致變色型：存儲介質(zhì)用有機或無機介質(zhì)，利用光致變色原理實現(xiàn)信息的記錄(圖d)。5.相變型：存儲介質(zhì)多用銻氧化物制成薄膜，利用金屬的熱效應和光效應使被照微區(qū)發(fā)生非晶相到晶相的相變(圖e)。光盤存儲材料、原理及技術(shù)14WORM光盤的存儲原理利用激光熱效應對存儲介質(zhì)單層薄膜進行燒蝕時，存儲介質(zhì)吸收到達的激光的能量而超過存儲介質(zhì)的熔點時形成信息坑孔。

WORM光盤常以聚甲基丙烯酸脂（PMMA）為襯底，厚1.2mm，上面濺射介質(zhì)薄層用830nm激光聚焦在1m2范圍內(nèi)，溫度呈高斯型空間分布；當中心溫度超過介質(zhì)熔點Tm時，介質(zhì)表面形成一熔融區(qū)，表面張力將此區(qū)拉開成孔激光脈沖撤去后孔邊緣凝固，在記錄介質(zhì)膜上形成與輸入信息相應的坑孔。入射到膜面的激光能量E0一部分在膜面反射(ER)，大部分被薄膜吸收(EA)，一部分在薄膜中因徑向熱擴散而損失(E)剩余部分透射到襯盤中(ET)，即：

記錄光的分配光盤存儲材料、原理及技術(shù)15若要存儲介質(zhì)的靈敏度高，EA應盡量大，以更快更好地吸收能量，使光斑中心的溫度盡快超過介質(zhì)的熔點，為此ER、ET及E都應盡可能小。

ER要最小，必須使從記錄層上下界面反射回來的光相消干涉。由于上界面有半波損失而下界面沒有，由此得記錄層厚度最小值為/2n1(n1：介質(zhì)層折射率，：入射光波長)；但此時上下界面能量差很大，很難實現(xiàn)明顯消反，為此在記錄層和襯底層之間加入一層金屬鋁反射層，在新的相消條件下得記錄厚度下限為/4n1。加鋁條使ER得到明顯減小，但由于鋁是熱的良導體，會使ET加大，為此，還應在記錄層和反射層間加入一層熱障層(一般選透明介質(zhì)SiO2)，其折射率為n2，厚度為d2。它可以充分阻擋介質(zhì)層吸收的能量向襯盤傳導。此時消反條件相應的最小厚度為——形成記錄層、熱障層和反射層三層結(jié)構(gòu)存儲介質(zhì)。光盤存儲材料、原理及技術(shù)WORM光盤的存儲原理16WORM光盤結(jié)構(gòu)目前，實用化WORM光盤均為三層式（圖a）

，主要采用空氣夾層式（圖b）和直接封閉式(圖c)兩種基本結(jié)構(gòu)，且均已商品化。

光盤存儲材料、原理及技術(shù)WORM光盤的存儲原理17可擦重寫光盤(RW)從記錄介質(zhì)寫、讀、擦的機理出發(fā)分為兩大類：(1)相變光盤：采用多元半導體元素配制成的結(jié)構(gòu)相變材料作為記錄介質(zhì)膜，利用激光與介質(zhì)膜相互作用時激光的熱和光效應導致介質(zhì)在晶態(tài)與玻璃態(tài)間的可逆相變來實現(xiàn)反復寫、擦，分為熱致相變光盤和光致相變光盤。(2)磁光盤：采用稀土-過渡金屬合金制成的磁性相變介質(zhì)作為具有垂直于薄膜表面易磁化軸的記錄薄膜，利用光致退磁效應及偏置磁場作用下磁化強度取向正/負來區(qū)別二進制的“0”或“1”。

結(jié)構(gòu)相變光盤和磁光盤工作機制不同，但從本質(zhì)上都屬于二級相變過程，不存在兩相共存的情況，故可用介質(zhì)的兩個穩(wěn)定狀態(tài)來區(qū)別“0”或“1”。可擦重寫光盤中的反復寫、擦過程與記錄介質(zhì)中的可逆相變過程相對應。從廣義的角度講，任何具有光致雙穩(wěn)態(tài)變化的材料都可用做RW記錄介質(zhì)。

光盤存儲材料、原理及技術(shù)18磁光光盤存儲1.信息的寫入GdCo薄膜磁光光盤記錄介質(zhì)的典型材料。Gd和Co的磁化強度對溫度有不同的依賴關(guān)系。GdCo有一垂直于薄膜表面的易磁化軸。在寫入信息之前，用一定強度的磁場H0對介質(zhì)進行初始磁化，使各磁疇單元具有相同的磁化方向。在寫入信息時，磁光讀寫頭的脈沖激光聚焦在介質(zhì)表面，光照微斑因升溫而迅速退磁，此時通過讀寫頭中的線圈施加一反偏磁場，就可使光照區(qū)微斑反向磁化，如圖(a)示，而無光照的相鄰磁疇磁化方向仍保持原來的方向，從而實現(xiàn)磁化方向相反的反差記錄。磁光介質(zhì)的寫、讀、擦原理示意圖

光盤存儲材料、原理及技術(shù)19磁光光盤存儲2.信息的讀出信息讀出是利用Keer效應檢測記錄單元的磁化方向。若用線偏振光掃描錄有信息的信道，光束到達磁化方向向上的微斑，經(jīng)反射后，偏振方向會繞反射線右旋一個角k，如圖b。反之，若光掃到磁化方向向下的微斑，反射光的偏振方向則左旋一個k，以-k表示。實際測試時，使檢偏器的主截面調(diào)到與-k對應的偏振方向相垂直的方位，則來自向下磁化微斑的反射光不能通過檢偏器到達探測器，而從向上磁化微斑反射的光束則可以通過sin(2k)的分量，這樣探測器就有效地讀出了寫入的信號。光盤存儲材料、原理及技術(shù)磁光介質(zhì)的寫、讀、擦原理示意圖

20可擦重寫光盤（RW）光盤存儲材料、原理及技術(shù)(3)光致變色光盤：某些無機和有機化合物在光作用，發(fā)生吸收譜的可逆變化，就是光致變色現(xiàn)象。例如，用紫外光照在無色物質(zhì)A上，物質(zhì)A就變到準穩(wěn)態(tài)B而著色；如再用可見光照射或加熱，物質(zhì)B又重新回到無色的A狀態(tài)。

設存儲介質(zhì)具有兩個吸收帶，在波長的光照射下，介質(zhì)由狀態(tài)1完全變到狀態(tài)2。同樣，在波長的光照射下，介質(zhì)由狀態(tài)2完全返回到狀態(tài)1，即有如下過程：光致變色存儲理想模型

21光致變色記錄材料的實用化條件

(1)在半導體激光波長范圍具有吸收光致變色材料的變色波長應落在目前使用的半導體激光器輸出波長830nm和780nm上。當然，在隨著半導體激光器的輸出波長移向短波長、或者非線性光學元件的開發(fā)，對光致變色材料的變色波長的要求也就可以放寬。(2)非破壞性讀出在讀出信息時不破壞已記錄的信息。這就要求開發(fā)出具有閾值的光致變色材料，或者通過讀出折射率以外的物理量，諸如折射率、反射率等物理量來讀出信息。(3)記錄的熱穩(wěn)定性在很多光致變色材料的兩種狀態(tài)中，其中一種不是熱穩(wěn)定的，即使在黑暗環(huán)境下也會慢慢的向另一種狀態(tài)改變。這就意味著熱的不穩(wěn)定性，使記錄的信息丟失，需要有防止這種現(xiàn)象產(chǎn)生的措施。(4)反復寫、擦的穩(wěn)定性用做可擦除光記錄材料的光致變色材料必須有反復寫、擦的穩(wěn)定性。目前，完全滿足上述四個條件的光致變色材料尚未開發(fā)出來。

滿足上述三個條件的光致變色材料可以作為光記錄的一次寫入型記錄材料來使用。

光盤存儲材料、原理及技術(shù)返回22全息信息存儲優(yōu)點：1.存儲容量大可能將信息存儲在介質(zhì)整個體積中,實現(xiàn)真正三維存儲，其密度上限為；2.數(shù)據(jù)傳輸速率高、存儲與讀出時間短全息圖采用整頁存儲和讀出的方式，一頁中的所有信息位都被并行地記錄和讀出，因而可達到很高的數(shù)據(jù)傳輸速率全息數(shù)據(jù)庫可用電光偏轉(zhuǎn)、聲光偏轉(zhuǎn)等無慣性光束偏轉(zhuǎn)或波長選擇手段尋址，無需磁盤和光盤存儲中的機電式讀寫頭，數(shù)據(jù)傳輸速率和存取速率可以很高；高冗余度：全息記錄是分布式的，即把每一點的信息或者說每一信息位記錄在整個全息圖上，所以記錄介質(zhì)局部的缺陷和損傷不會引起信息的丟失。

全息存儲材料、原理及技術(shù)23在磁存儲和傳統(tǒng)的光盤存儲中,一個信息位是由介質(zhì)表面物理性質(zhì)的改變,如消融的凹點或磁疇的翻轉(zhuǎn)等來表示的。而在體全息存儲中一個信息位分布在整個記錄體中。在記錄介質(zhì)上沒有同信息位一一對應的微小元素。一整頁的信息是以光學干涉圖樣的形式一次記錄在厚的感光光學材料中的。這個干涉圖樣是由兩束相干激光束在存儲材料中相遇形成。通常這兩束光是由一束激光分離而成,第一束稱為物光,攜帶有欲存儲的信息。第二束稱為參考光,要求簡單易于復制,一般采用傳播中沒有匯聚和發(fā)散的平面波。光學干涉圖樣引起感光材料發(fā)生化學或物理變化。感光材料在吸收率、折射率或厚度上相應的變化就作為干涉圖樣的復制品存儲起來,這種記錄結(jié)構(gòu)包含記錄時物光和參考光的幅度和相位信息。用同存儲時兩束光中任一束相同的光照射干涉光柵時,部分入射光與存儲光柵產(chǎn)生衍射就能正確地恢復出另一束波前。

全息存儲材料、原理及技術(shù)體全息存儲的原理24全息存儲基本原理25電子俘獲光存儲技術(shù)RW光盤存儲密度較高，但數(shù)據(jù)存取速率仍低于磁盤，穩(wěn)定性和壽命仍有一定問題美國馬里蘭州Optex公司開發(fā)了電子俘獲材料，通過低能激光去俘獲光盤特定斑點處的電子來實現(xiàn)存儲，是一種高度局域化的光電子過程。理論上，它的讀、寫、擦循環(huán)不受介質(zhì)物理性能退化的影響。測試光盤樣品寫、讀、擦次數(shù)已達108以上，速率ns量級，且可使存儲密度大大提高。電子俘獲技術(shù)261.電子俘獲材料由帶隙寬為4-5eV堿土硫化物和摻雜的兩類不同稀土金屬元素(濃度10-3ppm）組成聯(lián)系帶E：存在于兩類稀土原子之中，約位于基態(tài)G之上2.5eV處，使兩類稀土原子在共同能量處取得聯(lián)系陷阱能級T：存在于其中一類稀土原子中，位于能帶E之下約1eV位置，使其中的電子不再移動和交換

電子一旦落入能級T中，就不能因熱運動而躍至能帶