光存储技术的发展

光存储技术的发展

1光催化机器的数值孔径高密度光数据存储技术是信息和计算机科学发展中不可或缺的一项重要技术。到目前为止，以cd和cd闪存盘为代表的信息存储技术的发展已经成熟。在这些光盘存储技术中,载有信息的调制激光束通过物镜聚焦于光盘存储介质层上进行的记录,都属于远场光记录。记录点的尺寸取决于聚焦光的衍射极限。在衍射极限下,记录激光的聚焦光斑尺寸d由下式给出d=0.56λ/NA(1)d=0.56λ/ΝA(1)而存储密度正比于(λ/NA)-2。所以要提高存储的面密度,就要缩短激光波长λ和增大聚焦物镜的数值孔径NA。例如,对于一般的CD系统,其典型值为λ=780nm,NA=0.45;而对于一般的DVD系统,其典型值为λ=650nm,NA=0.65.因此典型的DVD系统有6.5倍于CD系统的存储密度。通常,为获得更高的存储密度,要使用波长更短的激光和数值孔径更大的物镜.目前推出的蓝光光盘技术,采用λ=405nm的激光以及NA=0.85的物镜,其聚焦光斑尺寸约240nm,有5倍于DVD系统的存储密度。这一代存储光盘及光盘驱动器已基本完成,通常被称为蓝光光盘DVD(B-DVD)或高密度DVD(HD-DVD)。继HD-DVD之后,利用传统的方法提高记录密度已变得异常困难,这不仅仅是由于短波长激光器件的研制比较困难:第一,当波长处于紫外波段时,现有光盘的塑料盘基对光的传输性能大大减弱,这给应用带来了困难;第二,大数值孔径的非球面透镜的制作工艺复杂,同时大数值孔径的物镜对盘片厚度的变化也更加敏感,小的厚度变化就能产生大的像差,从而使读写信号的质量下降;第三,在远场光记录情况下,数值孔径的理论极值为1,但实际操作中达到0.9就已十分困难,等等。这些问题的存在,使得在HD-DVD之后,只有寻找新的途径才能进一步提高光盘的存储密度。随着新型网络系统和第三代多媒体的出现,要求计算机的外部存储容量至少100GB,数据传输速率至少40Mbps,现有的光盘及HD-DVD都与之相差甚远。为满足对信息的海量需求,只有采用新材料、新技术来提高存储密度。概括起来说,目前的研究主要集中在两个方面,一是三维光存储技术,另一是近场超高密度光存储技术,目前这二者都处于实验阶段。23d光存储技术三维光存储能充分利用存储介质空间,主要有“双光子光学存储”、“持续光谱烧孔光学存储”,“全息光存储”等几种。2.1双光子吸收法双光子光学存储是在两束不同的激光照射下,存储介质中的分子同时在两束光中各吸收一个光子而被激发到较高的电子态、使存储介质的物理或化学特性发生改变,从而根据受激发点与非受激发点光学性质的差异来实现记录和读取。记录介质局部性质的改变包括折射率、荧光特性或电特性等方面的改变。两个光子的波长可以相同,也可以不相同。只是两个光子中的任何一个都不能单独被吸收,只有它们的组合才能产生共振跃迁,故只有在两束光聚焦的交汇区域才可能发生双光子激发,因此两个光子必须在时间和空间上都互相重叠,才能引起双光子吸收.双光子吸收的几率正比于入射光强的平方。当两光束沿不同方向照射并聚焦到材料的同一区域,就确定了一个微小的重叠区域.信息存储及擦除仅仅在两束光的交汇处,不但使存储点大大缩小,而且使得三维体积中的任何一点都可以被独立地寻址,因而大大地提高了存储的体密度,基于这种方式的存储体密度可以达到Tb/cm3。由此设计的一种页面式双光子三维存储系统如图1所示。一束平面光用于选择工作面,另一束激光则照射在已选择的面上以实现读写。当要读写某一位置时,先移动平面光到相应的平面,再由另一束激光垂直照射此平面,在两束光的交汇处完成读写。但要使双光子光学存储走向实用化,必须大力发展具有双光子吸收的存储材料,特别是具有大的双光子吸收截面的存储材料,这也是目前研究的热点。2.2光谱烧孔控制光学存储由于受到衍射极限的限制,代表一个信息位的光能量最小聚焦体积约为λ3的数量级.相应地,1bit所占据的空间中含有约106-107个分子。若能用一个分子存储一位信息,存储密度便能在现行光存储的基础上提高106-107倍。问题的关键,在于要有适当的选择或识别分子的方法。持续光谱烧孔(PSHB)技术正是利用分子对不同频率的光吸收率不同来识别不同分子的。采用PSHB光学存储技术,有可能使光存储的记录密度提高3-4个数量级。用一束频率为ω0、线宽很窄的强激光(烧孔激光)激发非均匀加宽的工作物质,同时用另一束线宽很窄的可调谐激光扫描该物质的非均匀加宽的吸收谱线,则在吸收频带上激发光频率ω0处将出现一个凹陷,这个“凹陷”就是“光谱烧孔”,如图2所示。把烧孔激光调谐到荧光吸收谱带内的不同频率位置,孔就出现在不同的频率上。有孔无孔就可以表示“1”和“0”两个状态。用测量透射光强的方法可以检测到孔的有无。这一原理用于光信息存储就是“频率选择光存储”,它与前述的双光子存储方案,即“位置选择光存储”是不同的。由于光谱烧孔除了利用光盘平面上的二维维度以外,还利用了光频率维度,因此称为三维光存储。采用强激光激发使产生共振的离子发生光化学或光物理变化,这种变化能持续较长的时间,则“孔”也能保存较长的时间,这就是“持续光谱烧孔”。持续光谱烧孔包括单光子光谱烧孔双光子(光子选通型)光谱烧孔。光谱烧孔的前景是诱人的,但在通向实用化的道路上,仍有许多问题尚待解决,如:如何实现和延长常温下孔的寿命;如何缩短烧孔时间、提高烧孔度和读出信号的信噪比;如何探索新的烧孔材料,以及进一步了解光谱烧孔的机制和规律;等等。目前国内外主要研究Eu3+和Sm2+离子掺杂的玻璃材料在常温下的光谱烧孔性能,但就其研究结果看,仍普遍存在烧孔温度低,孔的寿命短等问题,这是制约光谱烧孔存储技术走向实用化的关键因素。2.3全息图的形成光全息存储技术是60年代随着激光全息术的发展而出现的一种大容量高存储密度的存储方式。全息图是在记录介质里记录两个相交的相干光束形成的干涉图,图3为光全息存储器的构成原理。一束光(称为物光束)经过空间调制而携带信息,另一束光(称为参考光束)以特定方向直接到达记录介质。在两相干光束相交的空间中形成明暗交替的干涉条纹.不同的数据图像与不同的参考波面一一对应。在写入光束移去后,材料对干涉条纹照明的响应而产生的折射率分布仍能持续一段时间,因而在材料中形成了类似光栅的结构。读出过程则利用光栅结构的衍射,用适当选择的参考光照明全息图,使衍射光束经受空间调制,从而能较精确地复现出写入过程中与此参考光相干涉的数据光束的波面。全息图实质是记录在整个记录体内形成体积(三维)全息图。体积全息图再现时对光束的入射角度、波面位相或波长都十分敏感,因而有可能用不同角度或位相的参考光束,或用不同波长的记录光,在介质的同一体积记录多重全息图(即“复用”),这就大大提高了存储体密度;每一幅全息图都可以在特定的读出条件下分别读出。图像一幅一幅地进行记录和读取,会大大提高记录和读取速率。制约全息存储走向实用的关键仍是存储材料问题,要求材料廉价、有高的数据保存率,没有缺陷,并且要具备良好的光学和机械稳定性能等特点。目前研究较多的是铁掺杂的LiNbO3晶体作为全息存储介质,并且实现了高密度的多层存储,但LiNbO3晶体价格昂贵;PengfeiWu等合成一种适合全息存储的纳米生物陶瓷材料,这种材料价格便宜而且无挥发性。但这些材料在数据存储寿命上仍与实用化的要求有较大的差距。3实验室近场光存储技术上个世纪80年代末发展的近场光学技术,为突破衍射极限获得高密度光存储带来了全新的概念和实现的可能性。近场光存储的本质就是把局域于近场区隐失场中的超分辨信息(即高频信息)尽可能多地存入存储介质中。目前实验室中已建立了多种能够进行存取操作的实验系统,典型的有三种:(1)探针型近场存储;(2)固体浸没透镜(SIL)近场存储;和(3)超分辨近场结构(Super-RENS)存储。3.1基于系统光学技术的数据记录探针型近场存储是在近场扫描光学显微镜的基础上发展起来的一种超分辨存储方式,这种存储方式使用近场扫描光学显微系统的光纤探针作为光存储系统的读写光学头.由于探针顶端的通光孔径很小(为纳米量级),当采用近场扫描光学显微技术控制探针尖端与记录层表面的距离在几十nm的近场范围内并扫描时,从探针通光孔出射的近场光束直接作用在记录介质上,就可以得到大小接近于通光孔径的记录光斑。早在1992年,Betzig研究小组就用这一技术实现了在磁光介质上的记录,获得了直径约60nm的记录点,其记录原理见图4。1999年,Lee等人为提高数据的传输速度,用硅探针阵列来对记录盘进行刻写并获得了尺寸约250nm的记录点。这一方案是在硅探针的锥形针尖里放置一个玻璃球,使针尖的通光效率提高了16倍,这一改进,使探针型近场存储方案朝实用化方向迈进了一大步。探针型近场存储技术虽然实现了较高密度的光存储,但存在着缺点:首先,由于光纤探针尖端孔径为纳米量级,因而透过的光能低,读写信号微弱,信噪比差;其次,反馈系统的响应速度较慢,探针与记录介质的间距难保证,因而限制着读写速度的提高,第三,光纤探针容易损坏和受到灰尘的污染,等等。这些都限制了探针型近场存储方案的发展。因此要将它用于光盘驱动器中难度还是很大的:必须解决亚波长尺寸的近距离控制和缩小光头体积等问题,这不是一件容易做到的事。3.2sil的应用固体浸没透镜近场存储技术是利用半球或超半球固体浸没透镜(SIL)进行近场光学数据存储的技术,其原理示意图如图5所示。这种方法是利用高折射率的固体浸没透镜来提高光学头的有效数值孔径,从而缩小读写光斑的直径来提高存储密度的。其存储方式,是将SIL插入到光盘读写头的聚焦物镜下方,使激光正好会聚在SIL的底面中心。理论上讲,半球型的SIL可以使光学头的数值孔径提高为插入前的nSIL,倍(nSIL是SIL的折射率);超半球型SIL可以使光学头的数值孔径提高为插入前的n2SILSΙL2倍。一般地,包含SIL的光学头的有效数值孔径都大于1,这时激光透过SIL的底面后将产生隐失波。为有效发挥SIL的作用,其底面和记录介质之间的距离必须保持在近场范围内,这样,聚焦在SIL底面的光斑通过近场耦合的方式,可将光能传到记录介质中,从而实现高密度的记录。Mansfield等在1990年首先将半球型的SIL应用于固体浸没显微镜(SIM),明显地提高了成像的分辨率;随后他在1993年用半球型的SIL做了近场存储实验。1994年,Terris等将超半球型SIL应用于近场存储,用780nm的激光光源获得了317nm的记录点(nSIL=1.83);随后他们采用气动悬浮飞行头设计方法,成功地将SIL悬浮在盘片表面,进而实现了超半球型SIL的动态存储。虽然这种方法无法达到探针型近场存储那样高的存储密度,但它克服了探针型近场存储探针透光率低和读写缓慢的缺点,并且由于这种方法可利用许多现有存储的相关技术(如:硬盘驱动器的空气悬浮磁头技术,等等),因此用SIL进行近场光学存储有较大的发展前景.由于它还存在一些关键技术没有解决,如SIL的制作,由于其尺寸较小,要求密度高,因而较难加工,也难于与普通的聚焦物镜进行装配;又如光学调焦,一般很难将准直激光束经过普通物镜后准确聚焦在SIL的底面中心;再如,SIL的光学头与记录盘片的间距也很难控制,等等。因此,目前基于SIL的近场存储系统都还处于试验阶段。3.3光学头激光加工的国内应用现状和制约因素为了克服探针型近场存储和SIL近场存储方案的缺点,Tominaga于1998年提出了超分辨近场结构(Super-RENS)存储方案,它是利用介质在强光场作用下的非线性效应或表面等离子体场增强效应来实现亚波长尺寸的光学存储的。其盘结构是在一般相变光盘的保护层之间加入非线性掩膜层,同时去掉反射层。当呈高斯分布的激光束通过这一膜层时,只有强光才能透过并到达记录层,而强度较低的光则不能透过:这就相当于在介质膜层上开了一个亚波长尺寸的通光微孔,当光停止照射时,微孔关闭,因此这一介质膜层也称为孔径开关层。由此可以看出,与前两种近场存储方案相比,Super-RENS的优点是显然的:(1)通过调整孔径开关层的厚度,可以方便地改变通光孔与记录介质间的间距,克服了常规近场存储时近场间距难以控制的问题;(2)由于整个近场结构都做在盘片上,所以能很好地与现有的光盘存储器兼容,大大减少了研究和开发费用;(3)由于通光微孔是由孔径开关层的非线性光学效应动态地产生的,因此可以通过改变入射激光功率来方便地改变通光孔的大小,从而改变记录位的大小;(4)采用光学头聚焦控制系统很容易实现数据的高速读写。典型的super-RENS膜结构有两种:如图6所示,其中核心的Sb或AgOx薄膜层被称为孔径开关层,作用与近场探针的纳米孔径相同。此种存储方法提出的时间不长,目前研究的重点还在膜厚度对记录特性的影响及膜层工作机理的探讨上。日本的Sato等研究了超分辨膜层和记录层之间的保护层厚度对近场存储效果的影响;Nakano等研究了以Sb作超分辨(SR)膜的膜层厚度对近场记录CNR的影响,Fuji等研究了AgOx,作SR材料、ZnS-SiO2作保护层的Super-RENS结构中x值对CNR的影响,发现当膜AgOx中的x为0.4以上时,CNR最大;等等。关于SR膜层的工作机理,理论模型虽多,但目前尚无统一的定论。对于Sb膜层,日本的Tominaga小组于1999年用共焦Z扫描方法研究了纳秒脉冲激光透过超分辨膜层SiN/Sb/SiN后透射光强的变化,发现其透光率具有明显的非线性特性;台湾大学的蔡定平教授利用轻敲模式的近场扫描光学显微镜测量了激光束透过SiN/Sb/SiN膜层后的近场光强和光强梯度分布,认为在入射激光的作用下,Sb/SiN界面激发表面等离子体,产生了近场局域性的场增强。对于光斑尺寸变小的原因,Tominiga与蔡定平的看法则是一致的:即是由