光信息技術在信息存儲中的探討論文

摘要：近年來，光信息技術取得了很大的進展，並且應用範圍愈來愈廣，關注程度愈來愈高。信息化時代下，信息存儲需求較以往有了很大的提升，這也從一定程度上促進了光信息存儲技術的發展。相對於傳統存儲技術而言，光存儲技術容量大、密度大、保存時間長，並且生產成本較低，具有極大的優勢。其中全息存儲、近場光學存儲、多階光學存儲等已經在某些領域中已經得到了應用。基於此，本文對信息存儲技術進行了綜合性闡述，並對光信息技術在信息存儲中的應用進行了探討，以供參考。

關鍵詞：光信息技術；信息存儲；發展趨勢；介質

1.傳統存儲技術概述

目前，傳統存儲技術主要包括半導體存儲、磁存儲及光盤存儲等，具體如下：（1）半導體存儲。半導體存儲的主要信息載體是半導體集成電路，按功能可分爲RAM（隨機存取存儲器）與ROM（只讀存儲器）[1]，按照存儲原理可爲動態存儲器與靜態存儲器。以下爲各類型半導體存儲器的特徵：（2）磁存儲。磁存儲是上一代主流的存儲技術。目前，磁存儲技術依然具有一定的應用範圍，如磁帶便是典型的磁存儲介質。磁存儲技術主要通過磁致電阻效應進行讀寫。磁致電阻磁頭是核心構件之一。它的電阻會隨着磁場的變化而逐漸改變。通常情況下，磁存儲都採取分離式設計，寫入由感應磁頭完成，讀取由磁致電阻磁頭進行。相對而言，磁存儲具有較好的穩定性，但如果存儲密度較高，則會對穩定性產生一定程度影響[2]。記錄時，可通過感應式薄膜磁頭將信息寫入磁盤當中，讀取過程則由巨磁電阻磁頭完成。從發展角度來看，磁存儲技術已經不能跟上當前信息存儲需求，其應用範圍也會變得愈來愈窄。（3）光盤存儲。光盤存儲依然是當前較爲主流的信息存儲方式。以寫入方式進行劃分，光盤存儲又被分爲ROM、WORM及RW[3]。其中ROW最爲常見，只能從光盤上讀取已經記錄的信息，但無法將新信息寫入其中或修改原本已經記錄的信息。其主要存儲介質材料爲偶氮化合物等有機化合物。RW可進行重複讀寫，成本相對偏高。與其他傳統存儲技術相比，光盤存儲還是具有一定的優勢。首先，光盤存儲信息容量較大，具有較高的數據存儲密度，保證了存儲的質量，且便攜性較好。例如，新型的藍光光盤尺寸不會超過0.2um，其容量超過10G[4]。在系統集成作用下可使其容量達到PB級水準，具有良好的適用性。其次，成本較低，製作工藝較爲簡單，製作效率高。另外，光盤存儲較爲穩定，信息保存時間長。正常環境下，光盤信息數據保存時間可超過100年。但隨着新型存儲介質如SSD(SolidStateDrives)的出現，光盤存儲會市場會受到一定程度衝擊，未來可能會被逐漸替代。

2.光信息存儲技術分析

隨着計算機技術與信息技術的不斷髮展，極大程度上擴充了信息流通量，並給信息存儲帶來了新的要求。除了擴增容量外，還需要保證信息讀寫速度及穩定性。光信息技術的發展爲信息存儲優化帶來了新的途徑。

2.1全息存儲

全息存儲是目前較爲成熟的光信息存儲技術之一。該技術是基於全息照相技術實現的。其最大特徵便是具有超高的存儲密度及存儲容量。在控制芯片作用下，全息存儲總容量可達1*10^3T，較半導體存儲介質及傳統光盤而言，具有明顯優勢。另外，全息存儲以頁作爲讀寫單位，不同頁面單位可對數據進行同時並行讀寫，存儲速度極爲迅速，信息傳輸速度高達1G/s,且隨機訪問時間低於1ms。體全息存儲是一種具有代表性的全息存儲技術。該技術基於激光干涉實現。體全息存儲中記錄體中涵蓋了每一個信息位。記錄介質上不存在同信息位所對應的記錄單元。因此，體全息技術存儲過程中要先對數據信息進行編碼處理，獲取對應的數字數據流。然後，以頁爲單位將所獲的數據流輸送至SLM上，並通過光學干涉圖樣將相關信號記錄於感光材料上。干涉圖樣是經過兩束激光相互干涉形成。這兩束激光由一束激光分離所得，特徵相同。其中一束激光爲參考光，另外一束激光在SLM作用下[5]，會成爲信息數據載體而作爲物光存在。干涉圖樣會對感光材料產生作用，使其發生化學變化或物理變化，從而改變材料的折射率、吸收率及厚度，讓干涉圖樣被存儲。讀取時，通過相同光速的激光對存儲介質進行照射，並將光信號轉變爲電信號，以獲取存儲信息。當然，全息存儲要實現商品化還有很長一段路要走，但它的存在爲信息存儲體系發展帶來了一條新的途徑。

2.2近場光學存儲

近場光學源於上世紀80年代，它的出現使得光學分辨極限產生了革命性的突破，給相關領域發展帶來了巨大支持。近年來，近場光學技術被逐漸應用於信息存儲當中，其關注度也愈來愈高。對於信息存儲而言，其首要目標便是提升存儲密度。由於目前的光學讀寫、磁光學讀寫都會受到衍射極限限制，所以利用較短的激光波長對存儲密度的提升效果並不理想。然而，近場光學則構建出了一種新的方式，有利於提升存儲密度。相關研究表明，以Pt/Co多層磁光膜作爲存儲載體[6]，並利用近場磁光偏轉方法進行數據信息記錄，其密度可達45Gbits/inch2。目前，近場表面等離子增強散射、近場二向色法色法等技術都有了顯著進步，爲近場光學存儲提供了有力的技術支持，使得整個技術體系愈加成熟。固體浸沒透鏡技術是近場存儲技術的重要分支。固體浸沒透鏡技術以高折射率的固體浸沒透鏡爲核心所構建，經過其聚焦作用，可將激光能量傳遞於存儲介質中。其存儲容量與光學頭系統存在密切聯繫，提升光學頭孔徑，可有效降低輻照光斑尺寸，使光學存儲容量提升。爲保證隱失場耦合強度達到要求，光學頭與存儲介質之間的.距離要控制在0.1倍波長範圍內。實際應用過程中，盤旋轉的穩定性會對光學頭與存儲介質之間的距離產生直接影響，進而造成光學元件出現波動，而降低光通量輸出與光學分辨率。目前，近場光學存儲技術普及的最大瓶頸在於固體浸沒透鏡的質量要求較高，並且製作工藝較爲複雜。如果能對相關工藝進一步優化，並保證固體浸沒透鏡質量，近場光學存儲技術將會得到更大的應用空間。

2.3多階光存儲

早期多階光存儲以坑深調製爲代表，其中Cialmeitrcs公司研究出了具備8種不同坑深多階只讀光盤[7]，如下圖1所示：圖1PDM多階技術從圖中可以看出，這種結構的多階只讀光盤，信號坑寬度固定爲tmin，且深度存在M種可能，代表了不同的階次。不同深度的信息坑在光電探測器上會表現出不同光強，以實現多階存儲方案，保證了讀出信號具有多階性。相對於傳統光盤相比，基於多階光存儲的光盤可大幅度提升存儲容量。總體上來看，多階光存儲技術可在不改變光學數值孔徑的情況下，採取相關信息處理技術與編碼技術來增強數據傳輸效率，進一步提升存儲容量及存儲質量。

2.4介質多階光存儲

介質多階光存儲是由多階光存儲演變而來，誕生於90年代。早期的介質多階光存儲以電子俘獲多階技術爲主。該技術基於光子效應具備了很高的反應速度，可實現納秒級的讀寫。另外，利用電子俘獲多階技術可在多個能級上記錄相關數據。受到市場限制，該技術並未得到普及，但爲介質多階光存儲後續發展奠定了良好的基礎。之後，部分結晶多階技術成爲了介質多階光存儲的代表性技術。該技術以相變材料爲基礎，通過對材料結晶程度進行控制來實現多階存儲。隨後，清華大學光盤國家工程研究中心提出了光致變色多階技術。該技術較結晶多階技術根據優勢，其多階光存儲系能更優。利用不同的波長光照射相關材料，會讓材料化學狀態發生改變，並且可實現快速逆變轉換。通過兩種不同的狀態來表示二進制的“0”與“1”，便可實現素質存儲。光致變色材料對入射光可進行選擇性吸收，若採取不同的材料構建記錄層，便可利用不同波長的激光進行並行讀寫，即可實現多波長存儲。

3.光信息存儲技術展望

從發展角度來看，光存儲技術將逐漸替代磁存儲技術，佔據信息存儲的主要地位。目前，光存儲技術還處於發展階段，儘管部分技術已較爲成熟，但依然具有被深度挖掘的潛力，相關產品離物理極限還存在着較大的距離。當然，光信息存儲技術要實現完全普及還有一個漫長的過程，在其不斷髮展的過程中，信息存儲與處理將會相互結合，形成一個不受容量、空間、時間所限制的綜合化信息系統，爲用戶帶來更大的便利。

4.結語

光信息存儲技術經過多年發展，其技術體系已逐步成熟。相對於傳統存儲技術而言，它具備高容量、高密度、低成本、高穩定性的特徵。未來，光信息存儲技術將獲得更大的應用空間，並逐漸滲透到各行各業當中，值得期待。

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