微全息存儲技術在c中的應用

微全息存儲技術在c中的應用

1微全息存儲技術隨著計算機和多媒體技術的發(fā)展，處理存儲的數據量急劇增加，人們對存儲長距離信息的技術的需求也越來越緊迫。光盤存儲技術已成為當代信息社會中不可缺少的信息載體,但是光盤存儲是二維的光存儲技術,將數據按“位”的形式記錄在介質盤的表面,能分辨的最小記錄符尺寸受到遠場光學衍射極限的限制。發(fā)展和研究近場光學存儲技術是進一步提高二維光存儲的密度和容量的途徑之一。如果將光存儲技術從二維發(fā)展到三維,存儲密度將得到大幅度提高。體全息存儲技術是20世紀60年代隨著激光全息術的發(fā)展而出現的一種高密度三維光存儲技術。與其他光學信息存儲技術相比,體全息技術在存儲容量方面有著巨大的優(yōu)勢,其存儲容量理論上限可以達到V/λ3(V為存儲材料體積,λ為記錄光波長)。再加上體全息圖具有冗余度高、數據可并行讀取和讀取速率快等獨特優(yōu)點,體全息存儲技術被認為是頗具潛力的下一代海量信息存儲技術,因此近幾十年來得到了廣泛的研究。體全息存儲技術在發(fā)展之初以“頁面式”存儲系統(tǒng)為主流,即以整幅數據頁的并行存取為主要特征,采用雙光束干涉實現信息的記錄,利用光柵的衍射實現信息的再現。每個全息圖代表一個二維數據頁,可以包含約1Mbit的數據信息,所以這種技術在存儲容量和數據的存取速率方面有獨特的優(yōu)勢,但是系統(tǒng)需要用到空間光調制器、圖像探測器等器件使系統(tǒng)結構復雜、成本較高,并且與現有光盤存儲系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)兼容性差,所以在實用化進程中受到限制。微全息存儲的方法是20世紀末提出的,它結合了傳統(tǒng)光盤按“位”存儲的概念和體全息記錄的原理,用微全息圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)光盤存儲的凹坑式點位,在記錄材料內生成極小的反射全息圖,每個全息圖代表1bit數據信息,所占空間為微米量級,因此稱為微全息存儲,也稱為“位”式體全息存儲技術。微全息存儲可以利用波長復用、角度復用或者波長與角度的混合復用等技術實現多重全息圖復用記錄,還可以利用深度復用實現信息的多層記錄,增加存儲的密度和容量,有望在直徑120mm的單盤內實現1TB的存儲容量。微全息存儲一定程度上來說是目前光盤存儲技術的三維擴展,其系統(tǒng)結構和傳統(tǒng)的光盤系統(tǒng)結構類似,很容易發(fā)展與傳統(tǒng)光盤系統(tǒng)的兼容性。因此,微全息存儲技術一經提出就受到了廣泛的關注和持續(xù)的研究,許多大學、公司等機構的研究人員對這種新型的存儲技術進行了全面深入的研究,使得微全息多層光盤存儲技術取得了一系列進展。本文先闡述微全息存儲的基本概念和原理,然后主要從存儲材料、復用技術和實現的存儲密度以及微全息存儲的寫讀驅動系統(tǒng)來綜述微全息存儲技術的研究進展和取得的成果,并對微全息存儲技術的未來發(fā)展做了展望。2微全息體光柵衍射原理微全息存儲的概念和原理性示意圖如圖1所示。圖1(a)給出了按“位”存儲的基本概念,每個數據位是一個反射式全息圖,全息圖大小約10μm,相鄰全息圖間隔1～2μm;圖1(b)為反射式微全息圖記錄的光路配置。記錄時采用兩束相向傳播的高斯光波分別作為物光和參考光進行干涉,即強度受到記錄信息調制的激光直接入射到光學器件后聚焦于記錄材料的光波作為物光波,經過材料下方的反射元件反射后的光作為參考光波,兩光波在焦斑范圍內發(fā)生干涉,材料就把這個干涉圖樣記錄下來即形成微全息圖。數據讀出時,移走圖中所示的反射元件,入射光照明已記錄的全息圖,通過全息圖的衍射,再現出已存儲的數據信息。利用適當的復用技術可以進行多重全息圖的存儲。對于高斯光束的聚焦光斑,其光能量集中于焦斑范圍內,所以這里考慮微全息圖僅存在于焦斑范圍內,折射率調制度隨著離焦斑中心距離的增加而快速減小。令y方向表示光束橫截面的任意徑向,z方向為入射光波矢量傳播的方向,微全息圖二維的折射率分布可以寫為n(y,z)=n0+ΔnG(y,z),(1)n(y,z)=n0+ΔnG(y,z),(1)式中n0是材料的初始折射率,Δn為最大的折射率調制度,G(y,z)是采用歸一化強度定義的光柵函數,表述為兩束相向傳播的高斯光束干涉場的調制度:G(y,z)=1211+(z/zR)2exp[?2y2w20(1+z2/z2R)]×{1+11+(z/zR)2[(1?(z/zR)2)]cos?(y,z)+2zzRsin?(y,z)},(2)G(y,z)=1211+(z/zR)2exp[-2y2w02(1+z2/zR2)]×{1+11+(z/zR)2[(1-(z/zR)2)]cos?(y,z)+2zzRsin?(y,z)},(2)式中w0是高斯光束的束腰半徑,zR是高斯光束焦斑中心到光束半徑為2√ω02ω0處的距離,?(y,z)為相位函數,?(y,z)=Kz+2zy2/zRω20(1+z2/z2R),(3)?(y,z)=Κz+2zy2/zRω02(1+z2/zR2),(3)K為所形成的微全息體光柵的光柵矢量的大小。若兩寫入光波矢量均為k,則光柵矢量的大小K=|K|=2k=4πn0/λ。通常用來記錄微全息體光柵的光源均采用強聚焦的高斯光束,以保證光柵中心部分的調制要比邊緣強得多,并且定義從焦斑中心(對應于最大折射率調制度)到折射率調制度下降到最大折射率調制度的1/e2時,微全息圖所覆蓋的區(qū)域為有效調制區(qū)域。給定相應的實驗參數,結合(1)～(3)式,可以計算出微全息光柵折射率分布如圖2所示,其折射率變化在y方向為高斯分布,在z方向為周期性的分布。微全息圖的衍射效率η可以根據定義(反射光功率與入射光功率之比)通過實驗直接測量獲得。而衍射效率與折射率調制度Δn以及具體的記錄光路配置密切相關。Eichler等利用二維耦合波理論分析高斯光束的布拉格衍射,借助耦合波方程的解,得出了微全息體光柵的衍射效率η與寫入高斯光束的束腰半徑w0、材料記錄層厚度d以及折射率調制Δn之間的關系η=2√w0π√∫?∞∞tanh2[πdΔnλexp(?2y2w20)]exp(?2y2w20)dy.(4)η=2w0π∫-∞∞tanh2[πdΔnλexp(-2y2w02)]exp(-2y2w02)dy.(4)采用數值計算的方法對微全息體光柵的衍射模擬研究,結果表明當記錄光波與讀出光波為同一聚焦光束時,衍射效率的高低實際上并不依賴于束腰的大小。相應的實驗結果也證明了這一點。上面給出的是基于體光柵的耦合波理論分析的微全息圖衍射特性的理論分析。文獻和中分別給出基于玻恩近似下的電磁波散射微擾理論的微全息圖記錄和讀出理論模型,并用于分析微全息圖間的串擾噪聲、系統(tǒng)存儲的誤碼率以及存儲材料飽和效應對信息存儲的影響。利用體全息圖嚴格的布拉格選擇性,微全息存儲技術可以通過采用角度復用、波長復用和深度復用等共同體積復用方法來實現高密度大容量的信息存儲。根據理論分析,微全息存儲的密度可以表達為S=mLmλmθSA,(5)S=mLmλmθSA,(5)式中mL是深度復用度,mλ是波長復用度,mθ是角度復用度,SA是可實現的面密度(SA=1bit/4w2002)。根據(5)式,如果微全息圖的半徑是1μm,波長復用度mλ=10,角度復用度mθ=16,深度復用度mL=2,則在CD尺寸的全息光盤內可以實現100GB的存儲容量。但是需要注意的是,不能任意地選擇各個復用度,因為面存儲密度的增加必然會減小波長和角度復用度。實際所能達到的存儲密度還受到具體的光路配置、光學系統(tǒng)的數值孔徑和材料性能的限制。3光致聚合物的應用開發(fā)適用于海量全息信息存儲的存儲材料一直是體全息存儲技術發(fā)展過程中的重要一環(huán)。存儲材料的性能直接影響著體全息存儲器的存儲密度、存儲容量和存儲信息的質量。從記錄材料方面來看,目前已有文獻報道的微全息存儲的記錄材料主要有光熱塑料、光折變晶體和光致聚合物。2005年,美國通用電氣的Dubois等在光熱塑料中進行微全息存儲研究,實驗結果表明,在摻染料的光熱塑材料中存儲的微全息圖,反射率可以達到3%,但是微全息圖的尺寸比利用高斯光束的束腰值計算出來的要大得多,會導致復用度的下降,從而降低存儲密度。2003年,Tverdokhleb等提出在摻鐵的鈮酸鋰晶體中進行多層微全息存儲,他們采用了同軸多階相移和多層記錄的方法來提高存儲密度,在8mm×8mm×0.9mm的晶體材料中記錄了50層透射式的微全息圖,相鄰層間隔為12μm,每層全息圖用8階相移編碼進行復用,材料的最大折射率調制度為3×10-3。2008年,Steinberg等采用雙光子記錄技術在鉭酸鋰晶體中記錄透射式的微全息圖,實現了3×3×3陣列的微全息圖記錄,每個全息圖尺寸為1.0μm×1.4μm×10μm,材料的折射率調制度可達Δn=1.07×10-3。光折變晶體作為記錄材料,噪聲低,材料無收縮,但是記錄信息對寫入和讀出光敏感,易于被擦除,即使是在暗保存條件下,信息的存儲壽命也比較短。與鈮酸鋰晶體相比,鉭酸鋰晶體內存儲的信息暗保存時間長,采用雙光子記錄技術可以實現非易失性的讀出,但是其可實現的折射率調制范圍又比鈮酸鋰晶體低。從綜合性能來看,適用于大容量高密度微全息存儲并有望走向實用化的材料仍然是光致聚合物。微全息存儲技術提出伊始是在杜邦的光致聚合物(HRF-800型)材料中進行的實驗研究,隨后在幾種不同類型的光致聚合物中(杜邦的自由基聚合物和Aprilis陽離子開環(huán)聚合物等)分別進行了微全息存儲特性研究。用于微全息存儲的光致聚合物材料主要要求幾方面的性能:材料對記錄光的響應閾值、材料靈敏度和折射率調制范圍。其中靈敏度定義為單位能流在材料中產生的折射率變化,它決定了要達到目標折射率調制或者說目標衍射效率所需的光強,從而影響全息圖記錄的曝光時間和記錄速率等。材料的折射率調制范圍Δn直接和寫入的全息圖的衍射效率相關。材料性能所要達到的具體指標,還要根據實際全息存儲系統(tǒng)的目標存儲密度、數據記錄或讀取的速率等參數來確定。根據美國通用電氣全球研究中心的報道,如果要求微全息存儲盤單層面存儲容量達25GB,記錄速率為4.5MB/s,存儲20層數據,在全息圖目標反射率不小于0.1%的情形下所要求的光致聚合物材料的靈敏度約為0.004cm2/J(記錄光強度為150mW/cm2),則最大折射率調制要達到0.02。目前通用電氣已開發(fā)出了滿足這一要求的光致聚合物材料。除了材料的性能,要想實現高密度大容量的微全息存儲,還要利用不同的復用技術。由于微全息存儲記錄的仍然是體積全息圖,所以可以利用體全息圖的布拉格選擇性進行波長復用和角度復用或者是兩者組合的復用技術來實現高密度大容量的信息存儲。2006年,Yang等將高斯光斑尺寸減小到1μm,焦深20μm,實驗驗證了利用兩臺激光器和窄帶光源在400～650nm的光譜范圍內實現波長復用的微全息存儲,讀出過程中采用白光照明再現,微光譜計作為探測器可同時讀出不同波長對應的衍射峰值。實驗測得在該材料里利用可見光(400～650nm)可實現單點15bit的復用度。2010年,日本NEC的Katayama等對波長與角度組合復用技術進行了實驗研究,實驗給出了單點10bit的復用度,其中波長復用度為2,對應于每個波長記錄時,角度復用度為5。他們還提出采用頁面式體全息存儲中的調制碼(例如2:4碼,9:16碼)對波長和角度進行編碼,可充分利用材料的動態(tài)范圍,增加存儲的密度和容量。如果將上述技術再與位移復用技術組合,有望在適當減少記錄層數的情形下,實現微全息存儲太字節(jié)(TB)量級的存儲容量。在微全息技術發(fā)展的進程中,對于驅動系統(tǒng)的研究一直受到頗多關注。微全息多層光盤存儲系統(tǒng)為開發(fā)的主要系統(tǒng)構型,包括雙側光路讀寫的系統(tǒng)和單側讀寫微全息存儲系統(tǒng)。2005年,McLeod等提出了一種微全息多層存儲盤的系統(tǒng)構型,在標準的光盤讀寫驅動系統(tǒng)內增加一個置于記錄材料下方的反射元件和一個置于數據探測器前的共焦針孔,可以在快速旋轉的全息光致聚合物盤中實現微全息圖的多層記錄和讀出,實驗實現了在125μm厚的光致聚合物材料中存儲140GB的數據信息量。如果采用和藍光光盤存儲系統(tǒng)相同的數值孔徑的物鏡(NA=0.85),則在約1mm厚的材料中可實現1TB的存儲容量。2007年,Orlic等闡述了一個沒有伺服裝置的準動態(tài)微全息記錄系統(tǒng),存儲材料采用了Aprilis的光致聚合物,微全息圖尺寸達到了200～300nm,記錄光波長可采用532nm或405nm,軌道間距減小到500nm,相鄰信息層間距為2μm。2009年,美國通用電氣研究中心的微全息存儲研究組給出了他們的微全息存儲系統(tǒng),基于新開發(fā)的光致聚合物材料,以405nm的脈沖激光器作為記錄光源,在120mm大小的光盤上實現500GB的存儲容量。該實驗系統(tǒng)的原理性示意圖如圖3所示,系統(tǒng)中采用兩個物鏡來實現入射光和反射光的聚焦,以使兩束相向傳播的聚焦光束干涉形成全息圖。用于聚焦的透鏡和存儲材料置于三維調節(jié)臺上以實現信息的復用存儲。采用共焦探測的方式來接收再現出的數據信息。Sony公司的Miyamoto等也提出了一種微全息存儲系統(tǒng)的構型,同樣采用405nm的激光器和兩束相向傳播的高斯光束干涉的形式,但是其軌道尋址伺服系統(tǒng)和自動聚焦控制伺服裝置實現了系統(tǒng)在全息圖寫入和讀出過程中的動態(tài)控制。系統(tǒng)的數值孔徑為0.51,可實現的軌道間距為1.1μm,每層可以實現1.9GB的存儲容量,層間距為25μm。盡管其軌道間尋址的線速度還比較小且層間距較大,但是該系統(tǒng)主要的優(yōu)勢體現在對再現信息的探測精度上。上述微全息存儲系統(tǒng)均為雙側光路讀寫構型(圖3),采用兩個透鏡分別對入射光和反射光聚焦,增加了系統(tǒng)的復雜性。為了進一步簡化系統(tǒng),利用一個聚焦物鏡和記錄材料的反射層的單側光路的讀寫系統(tǒng)得到發(fā)展。Jeong等提出的單側光路寫讀微全息存儲系統(tǒng)利用了材料對不同波長的反射特性不同,他們采用紅光作為伺服系統(tǒng)的監(jiān)測光,采用藍光作為全息圖的記錄和讀出光。Lee等提出了采用衍射光學元件(DOE)的單側光路寫、讀微全息存儲系統(tǒng),其簡單的原理示意圖如圖4所示。系統(tǒng)采用DOE將入射的藍色激光衍射,分出0級和1級衍射光波,1級衍射光波作為參考光或者物光波。這樣的機制可以保證微全息圖寫入和讀出在同側實現,使系統(tǒng)更緊湊。4體全息存儲技術海量信息存儲器在向實用化發(fā)展