光存儲技術(shù)的發(fā)展

光存儲技術(shù)的發(fā)展

1光催化機器的數(shù)值孔徑高密度光數(shù)據(jù)存儲技術(shù)是信息和計算機科學(xué)發(fā)展中不可或缺的一項重要技術(shù)。到目前為止，以cd和cd閃存盤為代表的信息存儲技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成熟。在這些光盤存儲技術(shù)中,載有信息的調(diào)制激光束通過物鏡聚焦于光盤存儲介質(zhì)層上進行的記錄,都屬于遠場光記錄。記錄點的尺寸取決于聚焦光的衍射極限。在衍射極限下,記錄激光的聚焦光斑尺寸d由下式給出d=0.56λ/NA(1)d=0.56λ/ΝA(1)而存儲密度正比于(λ/NA)-2。所以要提高存儲的面密度,就要縮短激光波長λ和增大聚焦物鏡的數(shù)值孔徑NA。例如,對于一般的CD系統(tǒng),其典型值為λ=780nm,NA=0.45;而對于一般的DVD系統(tǒng),其典型值為λ=650nm,NA=0.65.因此典型的DVD系統(tǒng)有6.5倍于CD系統(tǒng)的存儲密度。通常,為獲得更高的存儲密度,要使用波長更短的激光和數(shù)值孔徑更大的物鏡.目前推出的藍光光盤技術(shù),采用λ=405nm的激光以及NA=0.85的物鏡,其聚焦光斑尺寸約240nm,有5倍于DVD系統(tǒng)的存儲密度。這一代存儲光盤及光盤驅(qū)動器已基本完成,通常被稱為藍光光盤DVD(B-DVD)或高密度DVD(HD-DVD)。繼HD-DVD之后,利用傳統(tǒng)的方法提高記錄密度已變得異常困難,這不僅僅是由于短波長激光器件的研制比較困難:第一,當(dāng)波長處于紫外波段時,現(xiàn)有光盤的塑料盤基對光的傳輸性能大大減弱,這給應(yīng)用帶來了困難;第二,大數(shù)值孔徑的非球面透鏡的制作工藝復(fù)雜,同時大數(shù)值孔徑的物鏡對盤片厚度的變化也更加敏感,小的厚度變化就能產(chǎn)生大的像差,從而使讀寫信號的質(zhì)量下降;第三,在遠場光記錄情況下,數(shù)值孔徑的理論極值為1,但實際操作中達到0.9就已十分困難,等等。這些問題的存在,使得在HD-DVD之后,只有尋找新的途徑才能進一步提高光盤的存儲密度。隨著新型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和第三代多媒體的出現(xiàn),要求計算機的外部存儲容量至少100GB,數(shù)據(jù)傳輸速率至少40Mbps,現(xiàn)有的光盤及HD-DVD都與之相差甚遠。為滿足對信息的海量需求,只有采用新材料、新技術(shù)來提高存儲密度。概括起來說,目前的研究主要集中在兩個方面,一是三維光存儲技術(shù),另一是近場超高密度光存儲技術(shù),目前這二者都處于實驗階段。23d光存儲技術(shù)三維光存儲能充分利用存儲介質(zhì)空間,主要有“雙光子光學(xué)存儲”、“持續(xù)光譜燒孔光學(xué)存儲”,“全息光存儲”等幾種。2.1雙光子吸收法雙光子光學(xué)存儲是在兩束不同的激光照射下,存儲介質(zhì)中的分子同時在兩束光中各吸收一個光子而被激發(fā)到較高的電子態(tài)、使存儲介質(zhì)的物理或化學(xué)特性發(fā)生改變,從而根據(jù)受激發(fā)點與非受激發(fā)點光學(xué)性質(zhì)的差異來實現(xiàn)記錄和讀取。記錄介質(zhì)局部性質(zhì)的改變包括折射率、熒光特性或電特性等方面的改變。兩個光子的波長可以相同,也可以不相同。只是兩個光子中的任何一個都不能單獨被吸收,只有它們的組合才能產(chǎn)生共振躍遷,故只有在兩束光聚焦的交匯區(qū)域才可能發(fā)生雙光子激發(fā),因此兩個光子必須在時間和空間上都互相重疊,才能引起雙光子吸收.雙光子吸收的幾率正比于入射光強的平方。當(dāng)兩光束沿不同方向照射并聚焦到材料的同一區(qū)域,就確定了一個微小的重疊區(qū)域.信息存儲及擦除僅僅在兩束光的交匯處,不但使存儲點大大縮小,而且使得三維體積中的任何一點都可以被獨立地尋址,因而大大地提高了存儲的體密度,基于這種方式的存儲體密度可以達到Tb/cm3。由此設(shè)計的一種頁面式雙光子三維存儲系統(tǒng)如圖1所示。一束平面光用于選擇工作面,另一束激光則照射在已選擇的面上以實現(xiàn)讀寫。當(dāng)要讀寫某一位置時,先移動平面光到相應(yīng)的平面,再由另一束激光垂直照射此平面,在兩束光的交匯處完成讀寫。但要使雙光子光學(xué)存儲走向?qū)嵱没?必須大力發(fā)展具有雙光子吸收的存儲材料,特別是具有大的雙光子吸收截面的存儲材料,這也是目前研究的熱點。2.2光譜燒孔控制光學(xué)存儲由于受到衍射極限的限制,代表一個信息位的光能量最小聚焦體積約為λ3的數(shù)量級.相應(yīng)地,1bit所占據(jù)的空間中含有約106-107個分子。若能用一個分子存儲一位信息,存儲密度便能在現(xiàn)行光存儲的基礎(chǔ)上提高106-107倍。問題的關(guān)鍵,在于要有適當(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3-4個數(shù)量級。用一束頻率為ω0、線寬很窄的強激光(燒孔激光)激發(fā)非均勻加寬的工作物質(zhì),同時用另一束線寬很窄的可調(diào)諧激光掃描該物質(zhì)的非均勻加寬的吸收譜線,則在吸收頻帶上激發(fā)光頻率ω0處將出現(xiàn)一個凹陷,這個“凹陷”就是“光譜燒孔”,如圖2所示。把燒孔激光調(diào)諧到熒光吸收譜帶內(nèi)的不同頻率位置,孔就出現(xiàn)在不同的頻率上。有孔無孔就可以表示“1”和“0”兩個狀態(tài)。用測量透射光強的方法可以檢測到孔的有無。這一原理用于光信息存儲就是“頻率選擇光存儲”,它與前述的雙光子存儲方案,即“位置選擇光存儲”是不同的。由于光譜燒孔除了利用光盤平面上的二維維度以外,還利用了光頻率維度,因此稱為三維光存儲。采用強激光激發(fā)使產(chǎn)生共振的離子發(fā)生光化學(xué)或光物理變化,這種變化能持續(xù)較長的時間,則“孔”也能保存較長的時間,這就是“持續(xù)光譜燒孔”。持續(xù)光譜燒孔包括單光子光譜燒孔雙光子(光子選通型)光譜燒孔。光譜燒孔的前景是誘人的,但在通向?qū)嵱没牡缆飞?仍有許多問題尚待解決,如:如何實現(xiàn)和延長常溫下孔的壽命;如何縮短燒孔時間、提高燒孔度和讀出信號的信噪比;如何探索新的燒孔材料,以及進一步了解光譜燒孔的機制和規(guī)律;等等。目前國內(nèi)外主要研究Eu3+和Sm2+離子摻雜的玻璃材料在常溫下的光譜燒孔性能,但就其研究結(jié)果看,仍普遍存在燒孔溫度低,孔的壽命短等問題,這是制約光譜燒孔存儲技術(shù)走向?qū)嵱没年P(guān)鍵因素。2.3全息圖的形成光全息存儲技術(shù)是60年代隨著激光全息術(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。全息圖是在記錄介質(zhì)里記錄兩個相交的相干光束形成的干涉圖,圖3為光全息存儲器的構(gòu)成原理。一束光(稱為物光束)經(jīng)過空間調(diào)制而攜帶信息,另一束光(稱為參考光束)以特定方向直接到達記錄介質(zhì)。在兩相干光束相交的空間中形成明暗交替的干涉條紋.不同的數(shù)據(jù)圖像與不同的參考波面一一對應(yīng)。在寫入光束移去后,材料對干涉條紋照明的響應(yīng)而產(chǎn)生的折射率分布仍能持續(xù)一段時間,因而在材料中形成了類似光柵的結(jié)構(gòu)。讀出過程則利用光柵結(jié)構(gòu)的衍射,用適當(dāng)選擇的參考光照明全息圖,使衍射光束經(jīng)受空間調(diào)制,從而能較精確地復(fù)現(xiàn)出寫入過程中與此參考光相干涉的數(shù)據(jù)光束的波面。全息圖實質(zhì)是記錄在整個記錄體內(nèi)形成體積(三維)全息圖。體積全息圖再現(xiàn)時對光束的入射角度、波面位相或波長都十分敏感,因而有可能用不同角度或位相的參考光束,或用不同波長的記錄光,在介質(zhì)的同一體積記錄多重全息圖(即“復(fù)用”),這就大大提高了存儲體密度;每一幅全息圖都可以在特定的讀出條件下分別讀出。圖像一幅一幅地進行記錄和讀取,會大大提高記錄和讀取速率。制約全息存儲走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵仍是存儲材料問題,要求材料廉價、有高的數(shù)據(jù)保存率,沒有缺陷,并且要具備良好的光學(xué)和機械穩(wěn)定性能等特點。目前研究較多的是鐵摻雜的LiNbO3晶體作為全息存儲介質(zhì),并且實現(xiàn)了高密度的多層存儲,但LiNbO3晶體價格昂貴;PengfeiWu等合成一種適合全息存儲的納米生物陶瓷材料,這種材料價格便宜而且無揮發(fā)性。但這些材料在數(shù)據(jù)存儲壽命上仍與實用化的要求有較大的差距。3實驗室近場光存儲技術(shù)上個世紀(jì)80年代末發(fā)展的近場光學(xué)技術(shù),為突破衍射極限獲得高密度光存儲帶來了全新的概念和實現(xiàn)的可能性。近場光存儲的本質(zhì)就是把局域于近場區(qū)隱失場中的超分辨信息(即高頻信息)盡可能多地存入存儲介質(zhì)中。目前實驗室中已建立了多種能夠進行存取操作的實驗系統(tǒng),典型的有三種:(1)探針型近場存儲;(2)固體浸沒透鏡(SIL)近場存儲;和(3)超分辨近場結(jié)構(gòu)(Super-RENS)存儲。3.1基于系統(tǒng)光學(xué)技術(shù)的數(shù)據(jù)記錄探針型近場存儲是在近場掃描光學(xué)顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種超分辨存儲方式,這種存儲方式使用近場掃描光學(xué)顯微系統(tǒng)的光纖探針作為光存儲系統(tǒng)的讀寫光學(xué)頭.由于探針頂端的通光孔徑很小(為納米量級),當(dāng)采用近場掃描光學(xué)顯微技術(shù)控制探針尖端與記錄層表面的距離在幾十nm的近場范圍內(nèi)并掃描時,從探針通光孔出射的近場光束直接作用在記錄介質(zhì)上,就可以得到大小接近于通光孔徑的記錄光斑。早在1992年,Betzig研究小組就用這一技術(shù)實現(xiàn)了在磁光介質(zhì)上的記錄,獲得了直徑約60nm的記錄點,其記錄原理見圖4。1999年,Lee等人為提高數(shù)據(jù)的傳輸速度,用硅探針陣列來對記錄盤進行刻寫并獲得了尺寸約250nm的記錄點。這一方案是在硅探針的錐形針尖里放置一個玻璃球,使針尖的通光效率提高了16倍,這一改進,使探針型近場存儲方案朝實用化方向邁進了一大步。探針型近場存儲技術(shù)雖然實現(xiàn)了較高密度的光存儲,但存在著缺點:首先,由于光纖探針尖端孔徑為納米量級,因而透過的光能低,讀寫信號微弱,信噪比差;其次,反饋系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢,探針與記錄介質(zhì)的間距難保證,因而限制著讀寫速度的提高,第三,光纖探針容易損壞和受到灰塵的污染,等等。這些都限制了探針型近場存儲方案的發(fā)展。因此要將它用于光盤驅(qū)動器中難度還是很大的:必須解決亞波長尺寸的近距離控制和縮小光頭體積等問題,這不是一件容易做到的事。3.2sil的應(yīng)用固體浸沒透鏡近場存儲技術(shù)是利用半球或超半球固體浸沒透鏡(SIL)進行近場光學(xué)數(shù)據(jù)存儲的技術(shù),其原理示意圖如圖5所示。這種方法是利用高折射率的固體浸沒透鏡來提高光學(xué)頭的有效數(shù)值孔徑,從而縮小讀寫光斑的直徑來提高存儲密度的。其存儲方式,是將SIL插入到光盤讀寫頭的聚焦物鏡下方,使激光正好會聚在SIL的底面中心。理論上講,半球型的SIL可以使光學(xué)頭的數(shù)值孔徑提高為插入前的nSIL,倍(nSIL是SIL的折射率);超半球型SIL可以使光學(xué)頭的數(shù)值孔徑提高為插入前的n2SILSΙL2倍。一般地,包含SIL的光學(xué)頭的有效數(shù)值孔徑都大于1,這時激光透過SIL的底面后將產(chǎn)生隱失波。為有效發(fā)揮SIL的作用,其底面和記錄介質(zhì)之間的距離必須保持在近場范圍內(nèi),這樣,聚焦在SIL底面的光斑通過近場耦合的方式,可將光能傳到記錄介質(zhì)中,從而實現(xiàn)高密度的記錄。Mansfield等在1990年首先將半球型的SIL應(yīng)用于固體浸沒顯微鏡(SIM),明顯地提高了成像的分辨率;隨后他在1993年用半球型的SIL做了近場存儲實驗。1994年,Terris等將超半球型SIL應(yīng)用于近場存儲,用780nm的激光光源獲得了317nm的記錄點(nSIL=1.83);隨后他們采用氣動懸浮飛行頭設(shè)計方法,成功地將SIL懸浮在盤片表面,進而實現(xiàn)了超半球型SIL的動態(tài)存儲。雖然這種方法無法達到探針型近場存儲那樣高的存儲密度,但它克服了探針型近場存儲探針透光率低和讀寫緩慢的缺點,并且由于這種方法可利用許多現(xiàn)有存儲的相關(guān)技術(shù)(如:硬盤驅(qū)動器的空氣懸浮磁頭技術(shù),等等),因此用SIL進行近場光學(xué)存儲有較大的發(fā)展前景.由于它還存在一些關(guān)鍵技術(shù)沒有解決,如SIL的制作,由于其尺寸較小,要求密度高,因而較難加工,也難于與普通的聚焦物鏡進行裝配;又如光學(xué)調(diào)焦,一般很難將準(zhǔn)直激光束經(jīng)過普通物鏡后準(zhǔn)確聚焦在SIL的底面中心;再如,SIL的光學(xué)頭與記錄盤片的間距也很難控制,等等。因此,目前基于SIL的近場存儲系統(tǒng)都還處于試驗階段。3.3光學(xué)頭激光加工的國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀和制約因素為了克服探針型近場存儲和SIL近場存儲方案的缺點,Tominaga于1998年提出了超分辨近場結(jié)構(gòu)(Super-RENS)存儲方案,它是利用介質(zhì)在強光場作用下的非線性效應(yīng)或表面等離子體場增強效應(yīng)來實現(xiàn)亞波長尺寸的光學(xué)存儲的。其盤結(jié)構(gòu)是在一般相變光盤的保護層之間加入非線性掩膜層,同時去掉反射層。當(dāng)呈高斯分布的激光束通過這一膜層時,只有強光才能透過并到達記錄層,而強度較低的光則不能透過:這就相當(dāng)于在介質(zhì)膜層上開了一個亞波長尺寸的通光微孔,當(dāng)光停止照射時,微孔關(guān)閉,因此這一介質(zhì)膜層也稱為孔徑開關(guān)層。由此可以看出,與前兩種近場存儲方案相比,Super-RENS的優(yōu)點是顯然的:(1)通過調(diào)整孔徑開關(guān)層的厚度,可以方便地改變通光孔與記錄介質(zhì)間的間距,克服了常規(guī)近場存儲時近場間距難以控制的問題;(2)由于整個近場結(jié)構(gòu)都做在盤片上,所以能很好地與現(xiàn)有的光盤存儲器兼容,大大減少了研究和開發(fā)費用;(3)由于通光微孔是由孔徑開關(guān)層的非線性光學(xué)效應(yīng)動態(tài)地產(chǎn)生的,因此可以通過改變?nèi)肷浼す夤β蕘矸奖愕馗淖兺ü饪椎拇笮?從而改變記錄位的大小;(4)采用光學(xué)頭聚焦控制系統(tǒng)很容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速讀寫。典型的super-RENS膜結(jié)構(gòu)有兩種:如圖6所示,其中核心的Sb或AgOx薄膜層被稱為孔徑開關(guān)層,作用與近場探針的納米孔徑相同。此種存儲方法提出的時間不長,目前研究的重點還在膜厚度對記錄特性的影響及膜層工作機理的探討上。日本的Sato等研究了超分辨膜層和記錄層之間的保護層厚度對近場存儲效果的影響;Nakano等研究了以Sb作超分辨(SR)膜的膜層厚度對近場記錄CNR的影響,Fuji等研究了AgOx,作SR材料、ZnS-SiO2作保護層的Super-RENS結(jié)構(gòu)中x值對CNR的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)膜AgOx中的x為0.4以上時,CNR最大;等等。關(guān)于SR膜層的工作機理,理論模型雖多,但目前尚無統(tǒng)一的定論。對于Sb膜層,日本的Tominaga小組于1999年用共焦Z掃描方法研究了納秒脈沖激光透過超分辨膜層SiN/Sb/SiN后透射光強的變化,發(fā)現(xiàn)其透光率具有明顯的非線性特性;臺灣大學(xué)的蔡定平教授利用輕敲模式的近場掃描光學(xué)顯微鏡測量了激光束透過SiN/Sb/SiN膜層后的近場光強和光強梯度分布,認(rèn)為在入射激光的作用下,Sb/SiN界面激發(fā)表面等離子體,產(chǎn)生了近場局域性的場增強。對于光斑尺寸變小的原因,Tominiga與蔡定平的看法則是一致的:即是由