光电信息处理技术：光存储技术(朱)

1主要内容第二章光存储技术

光盘存储材料、原理及技术1

全息存储材料、原理及技术2

电子俘获存储技术32光盘与光存储技术信息的采集、传输、处理、存储与显示互相关联、密不可分；光信息系统不仅需要信号产生、加载、传输、接收，还需存储；光存储的容量要求越来越大：一页文字2KB，一页黑白图片20KB，一页彩色图片4MB；家用：从纸张、胶卷、磁带、磁盘、CD、VCD，步入到DVD等记录；科学：哈勃望远镜传回的数据量每天>10TB；21世纪要求记录密度达到TB量级，给信息存储提出严峻挑战。海量信息存储飞速发展是以互联网为代表的海量信息传输技术飞速发展的必然结果。大容量、高速度、高密度、高稳定性和可靠性的存储系统竞相研究与推出。光盘存储材料、原理及技术记录方式正由磁记录经由磁光记录向全光记录发展，存储器件由磁带、磁盘经由磁光光盘向全光光盘发展。

3光盘存储材料、原理及技术磁记录

利用磁头在磁盘上进行信息的写、擦；

磁记录介质包括磁带、软盘和硬盘，通过改进工艺，优化膜系，降低磁头飞行高度，硬盘存储容量已由50MB、500MB，发展到主流250GB以上。磁光记录

利用激光退磁，偏置磁场在磁光盘上进行信息写入，属半磁半光混合型记录；

物理过程是激光引起记录区矫顽力下降，使磁存储容易进行。

磁光存储器件为磁光光盘MD。光盘与光存储技术4光盘存储材料、原理及技术全光记录

直接利用激光使光盘发生各种物理或化学变化来进行信息的写、擦或直接重写；

光记录介质：包括CD、DVD，CD-R、DVD-R，以及CD-RW、DVD-RW等，光头由用红外记录波长向短波长方向推进，记录密度不断加大。光盘与光存储技术5光盘存储材料、原理及技术信息“写入”

利用激光的单色性和相干性，将要存储的模拟或数字信息通过调制激光聚焦到记录介质上，使介质的光照微区(直径<1m)发生变化，从而实现信息记录。信息“读出”

利用低功率密度激光扫描信息轨道，用光电探测器检测信号记录区与未记录区反射率的差别，通过解调取出所要信息的过程。光盘存储包括信息的“写入”和“读出”过程6光盘存储材料、原理及技术光盘存储优点储密度高存储寿命长光盘的存储寿命在10年以上信息位价格低

一张CD650MB，5~10元，1分/MB；一张DVD4.7GB，约10元，<1分/MB高数据传输率

数据传输速率达百兆B量级，并最终希望达到GB、TB量级信息的载噪比高7光盘存储材料、原理及技术光盘发展经历了四代：只读存储光盘（ROM，ReadOnlyMemory）

数据在光盘生产过程中刻入，用户只能从光盘中反复读取数据。制造工艺简单，成本低，价格便宜，其普及率和市场占有率最高。常见的有：CD-Audio、CD-ROM、VCD、DVD-Audio、

DVD-ROM、DVD-Video。一次写入多次读出光盘（WORM，WriteOnceReadMany）具有写读功能，用专用CD-R刻录机向光盘中一次性写入数据，但写入后不可擦除，常见的有：CD-R、DVD-R8光盘存储材料、原理及技术光盘发展经历了四代：可擦重写光盘（REWRITE，简写作RW)

用户除可读写信息外，还可将盘上记录信息擦除，然后再写入新信息；擦与写需两束光、两次动作。“擦激光”先将信息擦除，另一束“写激光”将新信息写入高数据传输率。直接重写光盘（OVERWRITE，简写作OW）实现的功能与可擦重写光盘一样，但“擦激光”与“写激光”为同一束光，在写入新信息的同时旧信息自动被擦除，无需两次动作。9只读光盘（ROM）存储原理

将视频或音频信息通过信号发生器、前置放大器驱动电光或声光调制器，调制激光束以不同功率密度聚焦在甩有光刻胶的玻璃衬盘上，曝光光刻胶经显影、刻蚀，制成主盘（又称母盘，Master）经喷镀、电镀等工序制成副盘（又称印模，Stamper）经“2P”注塑形成ROM光盘。光存储材料、原理及技术10ROM光盘主盘与副盘制备工序

1.衬盘甩胶衬盘精密研磨、抛光后超声清洗，使规格统一、表面清洁滴光刻胶后高速离心机甩胶，形成均匀光刻胶膜；放入烘箱中前烘，得到与衬底附着良好且致密的光刻胶膜

2.调制曝光将膜片置入高精度激光刻录机中进行信息写入。若衬盘以恒定角速度旋转，刻录机光学头径向匀速平移，则可膜片上刻录出螺旋形信息道。

将刻有信息的盘片放入显影液中进行监控显影正性光刻胶，曝光部分脱落负性光刻胶，不曝光部分脱落各信息道出现符合调制信号的信息凹坑，形状、深度及坑间距与携带信息有关。这种携有调制信息、有凹凸信息结构的盘片就是主盘。常用正性光刻胶，所得主盘为正像主盘

3.显影刻蚀光盘存储材料、原理及技术114.喷镀银层

在主盘表面溅射一层银膜用来提高信息结构的反射率，以便检验主盘质量作为下一步电镀镍的电极之一

5.电镀镍层在溅射了银的盘片表面用电解的方法镀镍，使得主盘上长出一层厚度符合要求的金属镍膜。6.镍膜剥离将上述盘片经过化学处理，使得镍模从主盘剥脱，形成一个副盘。

光盘存储材料、原理及技术ROM光盘主盘与副盘制备工序

12ROM光盘“2P”复制将上述所得正像或副像子盘作为“印模”（stamper），加工中心孔和外圆后装入“2P”喷塑器中，经进一步的“2P”复制过程来制作批量ROM光盘。

2P-photopolymerization（光致聚合作用）一词的缩写。

2P过程示意图ROM的记录介质是光刻胶，记录方式是用声光调制的氩离子激光将信息刻录在介质上，然后制成主盘及副盘，再用副盘作为原模，大量复制视频录像盘或数字音像唱片。一个原模一般可复制至少5000片盘片。用户只要有一台播放机就能享受光盘上的逼真音、像节目。ROM光盘系统只能读取，不能录入。想自行录像录音，必须采用WORM光盘系统。

光盘存储材料、原理及技术13一次写入光盘（WORM)按记录方式不同，一次写入光盘可分为：1.烧蚀型：存储介质可以是金属、半导体合金、金属氧化物或有机染料。利用介质的热效应，使介质的微区熔化、蒸发，以形成信息坑孔(图a)。

2.起泡型：存储介质由聚合物-高熔点金属两层薄膜组成。激光照射使聚合物分解排出气体，两层间形成的气泡使上层薄膜隆起，与周围形成反射率差异实现信息记录(图b)。3.纹理型：存储介质用离子束刻蚀的硅，表面呈现绒状结构，激光光斑使照射部分的绒面熔成镜面，实现反射率变化(图c)。4.光致变色型：存储介质用有机或无机介质，利用光致变色原理实现信息的记录(图d)。5.相变型：存储介质多用锑氧化物制成薄膜，利用金属的热效应和光效应使被照微区发生非晶相到晶相的相变(图e)。光盘存储材料、原理及技术14WORM光盘的存储原理利用激光热效应对存储介质单层薄膜进行烧蚀时，存储介质吸收到达的激光的能量而超过存储介质的熔点时形成信息坑孔。

WORM光盘常以聚甲基丙烯酸脂（PMMA）为衬底，厚1.2mm，上面溅射介质薄层用830nm激光聚焦在1m2范围内，温度呈高斯型空间分布；当中心温度超过介质熔点Tm时，介质表面形成一熔融区，表面张力将此区拉开成孔激光脉冲撤去后孔边缘凝固，在记录介质膜上形成与输入信息相应的坑孔。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)，一部分在薄膜中因径向热扩散而损失(E)剩余部分透射到衬盘中(ET)，即：

记录光的分配光盘存储材料、原理及技术15若要存储介质的灵敏度高，EA应尽量大，以更快更好地吸收能量，使光斑中心的温度尽快超过介质的熔点，为此ER、ET及E都应尽可能小。

ER要最小，必须使从记录层上下界面反射回来的光相消干涉。由于上界面有半波损失而下界面没有，由此得记录层厚度最小值为/2n1(n1：介质层折射率，：入射光波长)；但此时上下界面能量差很大，很难实现明显消反，为此在记录层和衬底层之间加入一层金属铝反射层，在新的相消条件下得记录厚度下限为/4n1。加铝条使ER得到明显减小，但由于铝是热的良导体，会使ET加大，为此，还应在记录层和反射层间加入一层热障层(一般选透明介质SiO2)，其折射率为n2，厚度为d2。它可以充分阻挡介质层吸收的能量向衬盘传导。此时消反条件相应的最小厚度为——形成记录层、热障层和反射层三层结构存储介质。光盘存储材料、原理及技术WORM光盘的存储原理16WORM光盘结构目前，实用化WORM光盘均为三层式（图a）

，主要采用空气夹层式（图b）和直接封闭式(图c)两种基本结构，且均已商品化。

光盘存储材料、原理及技术WORM光盘的存储原理17可擦重写光盘(RW)从记录介质写、读、擦的机理出发分为两大类：(1)相变光盘：采用多元半导体元素配制成的结构相变材料作为记录介质膜，利用激光与介质膜相互作用时激光的热和光效应导致介质在晶态与玻璃态间的可逆相变来实现反复写、擦，分为热致相变光盘和光致相变光盘。(2)磁光盘：采用稀土-过渡金属合金制成的磁性相变介质作为具有垂直于薄膜表面易磁化轴的记录薄膜，利用光致退磁效应及偏置磁场作用下磁化强度取向正/负来区别二进制的“0”或“1”。

结构相变光盘和磁光盘工作机制不同，但从本质上都属于二级相变过程，不存在两相共存的情况，故可用介质的两个稳定状态来区别“0”或“1”。可擦重写光盘中的反复写、擦过程与记录介质中的可逆相变过程相对应。从广义的角度讲，任何具有光致双稳态变化的材料都可用做RW记录介质。

光盘存储材料、原理及技术18磁光光盘存储1.信息的写入GdCo薄膜磁光光盘记录介质的典型材料。Gd和Co的磁化强度对温度有不同的依赖关系。GdCo有一垂直于薄膜表面的易磁化轴。在写入信息之前，用一定强度的磁场H0对介质进行初始磁化，使各磁畴单元具有相同的磁化方向。在写入信息时，磁光读写头的脉冲激光聚焦在介质表面，光照微斑因升温而迅速退磁，此时通过读写头中的线圈施加一反偏磁场，就可使光照区微斑反向磁化，如图(a)示，而无光照的相邻磁畴磁化方向仍保持原来的方向，从而实现磁化方向相反的反差记录。磁光介质的写、读、擦原理示意图

光盘存储材料、原理及技术19磁光光盘存储2.信息的读出信息读出是利用Keer效应检测记录单元的磁化方向。若用线偏振光扫描录有信息的信道，光束到达磁化方向向上的微斑，经反射后，偏振方向会绕反射线右旋一个角k，如图b。反之，若光扫到磁化方向向下的微斑，反射光的偏振方向则左旋一个k，以-k表示。实际测试时，使检偏器的主截面调到与-k对应的偏振方向相垂直的方位，则来自向下磁化微斑的反射光不能通过检偏器到达探测器，而从向上磁化微斑反射的光束则可以通过sin(2k)的分量，这样探测器就有效地读出了写入的信号。光盘存储材料、原理及技术磁光介质的写、读、擦原理示意图

20可擦重写光盘（RW）光盘存储材料、原理及技术(3)光致变色光盘：某些无机和有机化合物在光作用，发生吸收谱的可逆变化，就是光致变色现象。例如，用紫外光照在无色物质A上，物质A就变到准稳态B而着色；如再用可见光照射或加热，物质B又重新回到无色的A状态。

设存储介质具有两个吸收带，在波长的光照射下，介质由状态1完全变到状态2。同样，在波长的光照射下，介质由状态2完全返回到状态1，即有如下过程：光致变色存储理想模型

21光致变色记录材料的实用化条件

(1)在半导体激光波长范围具有吸收光致变色材料的变色波长应落在目前使用的半导体激光器输出波长830nm和780nm上。当然，在随着半导体激光器的输出波长移向短波长、或者非线性光学元件的开发，对光致变色材料的变色波长的要求也就可以放宽。(2)非破坏性读出在读出信息时不破坏已记录的信息。这就要求开发出具有阈值的光致变色材料，或者通过读出折射率以外的物理量，诸如折射率、反射率等物理量来读出信息。(3)记录的热稳定性在很多光致变色材料的两种状态中，其中一种不是热稳定的，即使在黑暗环境下也会慢慢的向另一种状态改变。这就意味着热的不稳定性，使记录的信息丢失，需要有防止这种现象产生的措施。(4)反复写、擦的稳定性用做可擦除光记录材料的光致变色材料必须有反复写、擦的稳定性。目前，完全满足上述四个条件的光致变色材料尚未开发出来。

满足上述三个条件的光致变色材料可以作为光记录的一次写入型记录材料来使用。

光盘存储材料、原理及技术返回22全息信息存储优点：1.存储容量大可能将信息存储在介质整个体积中,实现真正三维存储，其密度上限为；2.数据传输速率高、存储与读出时间短全息图采用整页存储和读出的方式，一页中的所有信息位都被并行地记录和读出，因而可达到很高的数据传输速率全息数据库可用电光偏转、声光偏转等无惯性光束偏转或波长选择手段寻址，无需磁盘和光盘存储中的机电式读写头，数据传输速率和存取速率可以很高；高冗余度：全息记录是分布式的，即把每一点的信息或者说每一信息位记录在整个全息图上，所以记录介质局部的缺陷和损伤不会引起信息的丢失。

全息存储材料、原理及技术23在磁存储和传统的光盘存储中,一个信息位是由介质表面物理性质的改变,如消融的凹点或磁畴的翻转等来表示的。而在体全息存储中一个信息位分布在整个记录体中。在记录介质上没有同信息位一一对应的微小元素。一整页的信息是以光学干涉图样的形式一次记录在厚的感光光学材料中的。这个干涉图样是由两束相干激光束在存储材料中相遇形成。通常这两束光是由一束激光分离而成,第一束称为物光,携带有欲存储的信息。第二束称为参考光,要求简单易于复制,一般采用传播中没有汇聚和发散的平面波。光学干涉图样引起感光材料发生化学或物理变化。感光材料在吸收率、折射率或厚度上相应的变化就作为干涉图样的复制品存储起来,这种记录结构包含记录时物光和参考光的幅度和相位信息。用同存储时两束光中任一束相同的光照射干涉光栅时,部分入射光与存储光栅产生衍射就能正确地恢复出另一束波前。

全息存储材料、原理及技术体全息存储的原理24全息存储基本原理25电子俘获光存储技术RW光盘存储密度较高，但数据存取速率仍低于磁盘，稳定性和寿命仍有一定问题美国马里兰州Optex公司开发了电子俘获材料，通过低能激光去俘获光盘特定斑点处的电子来实现存储，是一种高度局域化的光电子过程。理论上，它的读、写、擦循环不受介质物理性能退化的影响。测试光盘样品写、读、擦次数已达108以上，速率ns量级，且可使存储密度大大提高。电子俘获技术261.电子俘获材料由带隙宽为4-5eV碱土硫化物和掺杂的两类不同稀土金属元素(浓度10-3ppm）组成联系带E：存在于两类稀土原子之中，约位于基态G之上2.5eV处，使两类稀土原子在共同能量处取得联系陷阱能级T：存在于其中一类稀土原子中，位于能带E之下约1eV位置，使其中的电子不再移动和交换

电子一旦落入能级T中，就不能因热运动而跃至能带