光電信息處理技術(shù)：光存儲(chǔ)技術(shù)(朱)

1主要內(nèi)容第二章光存儲(chǔ)技術(shù)

光盤存儲(chǔ)材料、原理及技術(shù)1

全息存儲(chǔ)材料、原理及技術(shù)2

電子俘獲存儲(chǔ)技術(shù)32光盤與光存儲(chǔ)技術(shù)信息的采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)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(hào)產(chǎn)生、加載、傳輸、接收，還需存儲(chǔ)；光存儲(chǔ)的容量要求越來越大：一頁(yè)文字2KB，一頁(yè)黑白圖片20KB，一頁(yè)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(xué)：哈勃望遠(yuǎn)鏡傳回的數(shù)據(jù)量每天>10TB；21世紀(jì)要求記錄密度達(dá)到TB量級(jí)，給信息存儲(chǔ)提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。海量信息存儲(chǔ)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(chǔ)系統(tǒng)競(jìng)相研究與推出。光盤存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)材料、原理及技術(shù)磁記錄

利用磁頭在磁盤上進(jìn)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(jìn)工藝，優(yōu)化膜系，降低磁頭飛行高度，硬盤存儲(chǔ)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(chǎng)在磁光盤上進(jìn)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(chǔ)容易進(jìn)行。

磁光存儲(chǔ)器件為磁光光盤MD。光盤與光存儲(chǔ)技術(shù)4光盤存儲(chǔ)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(xué)變化來進(jìn)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(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向推進(jìn)，記錄密度不斷加大。光盤與光存儲(chǔ)技術(shù)5光盤存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)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(cè)器檢測(cè)信號(hào)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(chǔ)包括信息的“寫入”和“讀出”過程6光盤存儲(chǔ)材料、原理及技術(shù)光盤存儲(chǔ)優(yōu)點(diǎn)儲(chǔ)密度高存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)光盤的存儲(chǔ)壽命在10年以上信息位價(jià)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(dá)百兆B量級(jí)，并最終希望達(dá)到GB、TB量級(jí)信息的載噪比高7光盤存儲(chǔ)材料、原理及技術(shù)光盤發(fā)展經(jīng)歷了四代：只讀存儲(chǔ)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(fù)讀取數(shù)據(jù)。制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，價(jià)格便宜，其普及率和市場(chǎng)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(jī)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(chǔ)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(jiǎn)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(dòng)作?！安良す狻毕葘⑿畔⒉脸?，另一束“寫激光”將新信息寫入高數(shù)據(jù)傳輸率。直接重寫光盤（OVERWRITE，簡(jiǎn)寫作OW）實(shí)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(shí)舊信息自動(dòng)被擦除，無(wú)需兩次動(dòng)作。9只讀光盤（ROM）存儲(chǔ)原理

將視頻或音頻信息通過信號(hào)發(fā)生器、前置放大器驅(qū)動(dòng)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(chǔ)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(jī)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(jī)中進(jìn)行信息寫入。若襯盤以恒定角速度旋轉(zhuǎn)，刻錄機(jī)光學(xué)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(jìn)行監(jiān)控顯影正性光刻膠，曝光部分脫落負(fù)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(hào)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(chǔ)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(yàn)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(zhǎng)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(xué)處理，使得鎳模從主盤剝脫，形成一個(gè)副盤。

光盤存儲(chǔ)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(fù)制將上述所得正像或副像子盤作為“印?！保╯tamper），加工中心孔和外圓后裝入“2P”噴塑器中，經(jīng)進(jìn)一步的“2P”復(fù)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(fù)制視頻錄像盤或數(shù)字音像唱片。一個(gè)原模一般可復(fù)制至少5000片盤片。用戶只要有一臺(tái)播放機(jī)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(chǔ)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(chǔ)介質(zhì)可以是金屬、半導(dǎo)體合金、金屬氧化物或有機(jī)染料。利用介質(zhì)的熱效應(yīng)，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(chǔ)介質(zhì)由聚合物-高熔點(diǎn)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(shí)現(xiàn)信息記錄(圖b)。3.紋理型：存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)反射率變化(圖c)。4.光致變色型：存儲(chǔ)介質(zhì)用有機(jī)或無(wú)機(jī)介質(zhì)，利用光致變色原理實(shí)現(xiàn)信息的記錄(圖d)。5.相變型：存儲(chǔ)介質(zhì)多用銻氧化物制成薄膜，利用金屬的熱效應(yīng)和光效應(yīng)使被照微區(qū)發(fā)生非晶相到晶相的相變(圖e)。光盤存儲(chǔ)材料、原理及技術(shù)14WORM光盤的存儲(chǔ)原理利用激光熱效應(yīng)對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)單層薄膜進(jìn)行燒蝕時(shí)，存儲(chǔ)介質(zhì)吸收到達(dá)的激光的能量而超過存儲(chǔ)介質(zhì)的熔點(diǎn)時(shí)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(dāng)中心溫度超過介質(zhì)熔點(diǎn)Tm時(shí)，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(yīng)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(kuò)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(chǔ)材料、原理及技術(shù)15若要存儲(chǔ)介質(zhì)的靈敏度高，EA應(yīng)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(diǎn)，為此ER、ET及E都應(yīng)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(zhǎng))；但此時(shí)上下界面能量差很大，很難實(shí)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(dǎo)體，會(huì)使ET加大，為此，還應(yīng)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(dǎo)。此時(shí)消反條件相應(yīng)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(chǔ)介質(zhì)。光盤存儲(chǔ)材料、原理及技術(shù)WORM光盤的存儲(chǔ)原理16WORM光盤結(jié)構(gòu)目前，實(shí)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(chǔ)材料、原理及技術(shù)WORM光盤的存儲(chǔ)原理17可擦重寫光盤(RW)從記錄介質(zhì)寫、讀、擦的機(jī)理出發(fā)分為兩大類：(1)相變光盤：采用多元半導(dǎo)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(shí)激光的熱和光效應(yīng)導(dǎo)致介質(zhì)在晶態(tài)與玻璃態(tài)間的可逆相變來實(shí)現(xiàn)反復(fù)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(yīng)及偏置磁場(chǎng)作用下磁化強(qiáng)度取向正/負(fù)來區(qū)別二進(jìn)制的“0”或“1”。

結(jié)構(gòu)相變光盤和磁光盤工作機(jī)制不同，但從本質(zhì)上都屬于二級(jí)相變過程，不存在兩相共存的情況，故可用介質(zhì)的兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)來區(qū)別“0”或“1”。可擦重寫光盤中的反復(fù)寫、擦過程與記錄介質(zhì)中的可逆相變過程相對(duì)應(yīng)。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(chǔ)材料、原理及技術(shù)18磁光光盤存儲(chǔ)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(qiáng)度對(duì)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(qiáng)度的磁場(chǎng)H0對(duì)介質(zhì)進(jìn)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(shí)，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(shí)通過讀寫頭中的線圈施加一反偏磁場(chǎng)，就可使光照區(qū)微斑反向磁化，如圖(a)示，而無(wú)光照的相鄰磁疇磁化方向仍保持原來的方向，從而實(shí)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(chǔ)材料、原理及技術(shù)19磁光光盤存儲(chǔ)2.信息的讀出信息讀出是利用Keer效應(yīng)檢測(cè)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(dá)磁化方向向上的微斑，經(jīng)反射后，偏振方向會(huì)繞反射線右旋一個(gè)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(gè)k，以-k表示。實(shí)際測(cè)試時(shí)，使檢偏器的主截面調(diào)到與-k對(duì)應(yīng)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(dá)探測(cè)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(cè)器就有效地讀出了寫入的信號(hào)。光盤存儲(chǔ)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(chǔ)材料、原理及技術(shù)(3)光致變色光盤：某些無(wú)機(jī)和有機(jī)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(wú)色物質(zhì)A上，物質(zhì)A就變到準(zhǔn)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(wú)色的A狀態(tài)。

設(shè)存儲(chǔ)介質(zhì)具有兩個(gè)吸收帶，在波長(zhǎng)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(zhǎng)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(chǔ)理想模型

21光致變色記錄材料的實(shí)用化條件

(1)在半導(dǎo)體激光波長(zhǎng)范圍具有吸收光致變色材料的變色波長(zhǎng)應(yīng)落在目前使用的半導(dǎo)體激光器輸出波長(zhǎng)830nm和780nm上。當(dāng)然，在隨著半導(dǎo)體激光器的輸出波長(zhǎng)移向短波長(zhǎng)、或者非線性光學(xué)元件的開發(fā)，對(duì)光致變色材料的變色波長(zhǎng)的要求也就可以放寬。(2)非破壞性讀出在讀出信息時(shí)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(huì)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(fù)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(fù)寫、擦的穩(wěn)定性。目前，完全滿足上述四個(gè)條件的光致變色材料尚未開發(fā)出來。

滿足上述三個(gè)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(chǔ)材料、原理及技術(shù)返回22全息信息存儲(chǔ)優(yōu)點(diǎn)：1.存儲(chǔ)容量大可能將信息存儲(chǔ)在介質(zhì)整個(gè)體積中,實(shí)現(xiàn)真正三維存儲(chǔ)，其密度上限為；2.數(shù)據(jù)傳輸速率高、存儲(chǔ)與讀出時(shí)間短全息圖采用整頁(yè)存儲(chǔ)和讀出的方式，一頁(yè)中的所有信息位都被并行地記錄和讀出，因而可達(dá)到很高的數(shù)據(jù)傳輸速率全息數(shù)據(jù)庫(kù)可用電光偏轉(zhuǎn)、聲光偏轉(zhuǎn)等無(wú)慣性光束偏轉(zhuǎn)或波長(zhǎng)選擇手段尋址，無(wú)需磁盤和光盤存儲(chǔ)中的機(jī)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(diǎn)的信息或者說每一信息位記錄在整個(gè)全息圖上，所以記錄介質(zhì)局部的缺陷和損傷不會(huì)引起信息的丟失。

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

全息存儲(chǔ)材料、原理及技術(shù)體全息存儲(chǔ)的原理24全息存儲(chǔ)基本原理25電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)RW光盤存儲(chǔ)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(guó)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(diǎn)處的電子來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)，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(cè)試光盤樣品寫、讀、擦次數(shù)已達(dá)108以上，速率ns量級(jí)，且可使存儲(chǔ)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(jí)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(dòng)和交換

電子一旦落入能級(jí)T中，就不能因熱運(yùn)動(dòng)而躍至能帶