光存儲技術圖解（一文讀懂光儲存技術及原理）

2023-07-22 21:27:47 3

信息資料迅速增長是當今社會的一大特點。有人統計，科技文獻數量大約每7年增加1倍，而一般的情報資料則以每2年~3年翻一番的速度增加。大量資料的存儲、分析、檢索和傳播，迫切需要高密度、大容量的存儲介質和管理系統。

1898年荷蘭的Valdemar Poulsen發明了世界上第一個磁記錄設備：磁線錄音機，從此，開始了傳統的磁記錄應用實踐。在隨後的一個多世紀裡面，出現了多種不同種類的磁記錄設備：磁帶機，磁芯存儲器，磁碟等等。雖然有大量不同的磁存儲設備出現，但是磁記錄的基礎原理仍然是上述的鐵磁性材料能夠保持外磁場磁化方向的特性。傳統的磁記錄的寫入原理是將隨時間變化的電信號轉換為在線性或者旋轉的鐵磁性材料中的磁化強度和方向的空間變化，傳統的磁記錄讀出原理是將分布於磁性材料中的磁化方向和強度的空間變化，通過線性或者旋轉運動，利用磁電轉化元件，轉換為隨時間變化的電信號。

但是，隨著記錄密度的提高(目前的硬碟記錄密度已經能夠達到 30Gb/cm2)，能夠獲得的感生電流的強度和信噪比已經過小，造成讀入設備的誤碼率已經不能達到要求。計算機和信息產業的發展使越來越多的信息內容以數位化的形式記錄、傳輸和存儲，對大容量信息存儲技術的研究也隨之不斷升溫。雷射技術的不斷成熟，尤其是半導體雷射器的成熟應用，使得光存儲從最初的微縮照相發展成為快捷、方便、容量巨大的存儲技術，各種光ROM紛紛產生。與磁介質存儲技術相比，光存儲具有壽命長、非接觸式讀/寫、信息位的價格低等優點。

光存儲的基本原理

光存儲技術是用雷射照射介質，通過雷射與介質的相互作用使介質發生物理、化學變化，將信息存儲下來的技術。其基本物理原理是：存儲介質受到雷射照射後，介質的某種性質(如反射率、反射光極化方向等)發生改變，介質性質的不同狀態映射為不同的存儲數據，存儲數據的讀出則通過識別存儲單元性質的變化來實現。

作為光儲存方式，已有近百年的發展歷史。常見的照相術就是最早的光存儲技術。無論是膠片感光靈敏度、解析度、色彩，還是照相儀器，都取得了長足的進步，不僅能拍攝靜止景物，還能通過電影、電視將活動圖像記錄和再現。然而，包括全息照相在內的照相術，都屬於模擬光存儲範疇，它在存儲容量、存儲密度及傳輸速率等方面都受到一定限制。隨著信息社會的發展，特別是雷射的出現和計算機的日益普及，數字光儲技術開始興起，數字光碟的誕生成為存儲技術的一項重大突破。

迄今為止，絕大部分商品化光碟存儲系統中所用的記錄介質的記錄機理都是熱致效應。利用從雷射束吸收的能量，作為高度集中的、強大的熱源，促使介質局部熔化或蒸發，通常稱為燒蝕記錄。在實際操作中，一般用電腦來處理信息，因為電腦只能識別二進位數據，所以要在存儲介質上面儲存數據、音頻和視頻等信息，首先要將信息轉化為二進位數據。現在常見的CD光碟、DVD光碟等光存儲介質，與軟盤、硬碟相同，都是以二進位數據的形式來存儲信息的。寫入信息時，將主機送來的數據經編碼後送入光調製器，使雷射源輸出強度不同的光束，調製後的雷射束通過光路系統，經物鏡聚焦然後照射到介質上，存儲介質經雷射照射後被燒蝕出小凹坑，所以在存儲介質上，存在被燒蝕和未燒蝕兩種不同的狀態，這兩種狀態對應著兩種不同的二進位的數據。

聚焦光束人射到光碟上，如果光碟上已經存在記錄信息，反射光的特徵，例如，光強、光的相位或者光的偏振狀態將發生某種變化，通過電子系統處理可以再現原始記錄的數據信息，這就是光碟的基本讀出過程。具體來說，就是讀取信息時，雷射掃描介質，在凹坑處由於反射光與入射光相互抵消入射光不返回，而在未燒蝕的無凹坑處，入射光大部分返回。這樣，根據光束反射能力的不同，就可以把存儲介質上的二進位信息讀出，然後再將這些二進位代碼轉換成為原來的信息。

另外，可擦寫光碟的存儲介質為使光照點的結晶態發生變化，即相變型介質。而磁光存儲材料的光碟的存儲介質則是產生磁化方向的改變，從而記錄或刪除信息。

光存儲的主要特點

1、記錄密度高、存儲容量大。光碟存儲系統用雷射器作光源。由於雷射的相干性好，可以聚焦為直徑小於0.001mm的小光斑。用這樣的小光斑讀寫，光碟的面密度可高達107bit/cm2~108bit/cm2。一張CD-ROM光碟可存儲3億個漢字。我國花了14年方才出版齊的中國百科全書共1.2×108多萬字，也就是說，全部的百科全書還裝不滿一張CD-ROM光碟。

2、光碟採用非接觸式讀寫，光學讀寫頭與記錄碟片間通常有大約2mm的距離。這種結構帶來了一系列優點：首先，由於無接觸，沒有磨損，所以可靠性高、壽命長，記錄的信息不會因為反覆讀取而產生信息哀減;第二，記錄介質上附有透明保護層，因而光碟表面上的灰塵和劃痕，均對記錄信息影響很小，這不僅提高了光碟的可靠性，同時使光碟保存的條件要求大大降低;第二，焦距的改變可以改變記錄層的相對位置，這使得光存儲實現多層記錄成為可能;第四，光碟片可以方便自由的更換，並仍能保持極高的存儲密度。這既給用戶帶來使用方便，也等於無限制的擴大了系統的存儲容量。

3、雷射是一種高強度光源，聚焦雷射光斑具有很高的功率，因而光學記錄能達到相當高的速度;

4、易於和計算機聯機使用，這就顯著地擴大了光存儲設備的應用領域;

5、光碟信息可以方便地複製，這個特點使光碟記錄的信息壽命實際上為無限長。同時，簡單的壓制工藝，使得光存儲的位信息價格低廉，為光碟產品的大量推廣應用創造了必要的條件。

當然，光存儲技術也有缺點和不足。光學頭無論體積還是質量，都還不能與磁頭相比，這影響光碟的尋址速度，從而影響其記錄速度。一般地說，光碟讀寫速度還比磁碟低。而由於光碟的記錄密度如此之高，碟片上極小的缺陷也會引起錯誤。光碟的原生誤碼率比較高，使得光碟系統必須採用強有力的誤碼校正措施，從而增加了設備成本。

光碟及存儲類型

光碟類型通常有：只讀存儲光碟(ROM, Read only memory)、一次寫入光碟(WORM, Write once read memory )、可擦重寫光碟(Rewrite)、直接重寫光碟(Overwrite)。

只讀存儲光碟

雷射束被聚焦成～1um光點，光碟的凹坑一般寬度為0.4um，深度為讀出光波長l/4，約為0.11um，螺旋線型的紋跡間距為1.67um。

經過調製的雷射束以不同的功率密度聚焦在甩有光刻膠的玻璃襯盤上，使光刻膠曝光，之後經過顯影、刻蝕、製成主盤(又稱母盤，master)，再經噴鍍、電鍍等工序製成副盤(又稱印膜，stamper)，然後再經過「2P」注塑形成ROM光碟。

襯盤甩膠：對玻璃等襯盤進行精密研磨、拋光後進行超聲清洗，得到規格統一、表面清潔的襯盤;在此光碟上滴以光刻膠，放入高速離心機中甩膠，以在襯盤表面形成一層均勻的光刻膠膜;取出放入烘箱中進行前烘，以得到與襯底附著良好且緻密的光刻膠膜。

調製曝光：將膜片置入高精度雷射刻錄機中，按預定調製信號進行信息寫入。

顯影刻蝕：若為負性光刻膠，不曝光部分脫落，於是信息道出現符合調製信號的信息凹坑，凹坑的形狀、深度、及坑間距與攜帶信息有關。這種攜帶有調製信息的凹凸信息結構的碟片就是主盤。由於此過程中所用的光刻膠一般為正性，因而所得主盤為正像主盤。

噴鍍銀層：在主盤表面噴鍍一層銀膜。這層銀膜一方面用來提高信息結構的反射率，以便檢驗主盤的質量，另一方面，還作為下一步電鍍鎳的電極之一。

電鍍鎳層：在噴鍍銀的碟片表面用電解的方法鍍鎳，使得主盤上長出一層厚度符合要求的金屬鎳膜。

將上述碟片經過化學處理，使得鎳膜從主盤剝脫，形成一個副盤。上述主盤每一個都可用通過(5)、(6)步驟的重複，製得若干個副像子盤-副盤;而每一副盤又都可以通過(5)、(6)步驟的重複，製得若干個正像子盤。

將上述所得正像或副像子盤作為「印膜(stamper)」加工中心孔和外圓後裝入「2P」噴塑器中，經進一步的「2P」複製過程來製作批量ROM光碟。

總的來講，只讀存儲光碟的記錄介質是光刻膠，記錄方式是用聲光調製的氬離子雷射器將信息刻錄在介質上，然後製成主盤及副盤，再用副盤作為原模，大量複製視頻錄像盤或數字音像唱片。

一次寫入光碟

一次寫入光碟是利用雷射光斑在存儲介質的微區產生不可逆的物理化學變化進行信息記錄的碟片，其記錄方式主要有以下幾種：

燒蝕型：存儲介質可以是金屬、半導體合金、金屬氧化物或有機染料。利用介質的熱效應，是介質的微區熔化、蒸發，以形成信息坑孔。

起泡型：存儲介質由聚合物-高熔點金屬兩層薄膜組成。雷射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，與周圍形成反射率的差異而實現信息的記錄。

熔絨型：存儲介質用離子刻蝕的矽，表面呈現絨狀結構，雷射光斑使照射部分的絨面熔成鏡面，實現反差記錄。

合金化型：用Pt-Si、Rh-Si或Au-Si製成雙層結構，雷射加熱的微區熔成合金，形成反差記錄。

相變型：存儲介質多用硫屬化合物或金屬合金製成薄膜，利用金屬的熱效應和光效應使被照微區發生非晶到晶相的相變。

可擦重寫光碟

可擦重寫光碟從記錄介質寫、讀、擦的機理來講，主要分為兩大類：

相變光碟：這類光碟採用多元半導體元素配製成的結構相變材料作為記錄介質膜，利用雷射與介質膜相互作用時，雷射的熱和光效應導致介質在晶態與玻璃態之間的可逆相變來實現反覆寫、擦要求，可分為熱致相變光碟和光致相變光碟。

磁光碟：這類光碟採用稀土-過渡金屬合金製成的磁性相變介質作為記錄薄膜，這種薄膜介質具有垂直於薄膜表面的易磁化軸，利用光致退磁效應以及偏置磁場作用下磁化強度取向的正或負來區別二進位中的「0」或「1」。

可擦重寫相變光碟的原理

RW相變光碟是利用記錄介質在兩個穩定態之間的可逆相結構變化來實現反覆的寫和擦。常見的相結構變化有下列幾種：1、晶態Ⅰ晶態Ⅱ之間的可逆相變，這種相變反襯度太小，沒有使用價值。2、非晶態Ⅰ非晶態Ⅱ之間的可逆相變，這種相變的反襯度亦太小，沒有實用價值。3、發生玻璃態晶態之間的可逆相變，這種相變有實用價值。

存儲原理與過程：近紅外波段的雷射作用在介質上，能加劇介質結構中原子、分子的振動，從而加速相變的進行。因此近紅外雷射對介質的作用以熱效應為主。

信息的記錄：對應介質從晶態C向玻璃態G的轉變。選用功率密度高、脈寬為幾十至幾百鈉秒的雷射脈衝，使光斑微區因介質溫度剎那間超過熔點Tm而進入液相，再經過液相快淬完成達到玻璃態的相轉變。

信息的讀出：用低功率密度、短脈衝的雷射掃描信息道，從反射率的大小辨別寫入的信息。一般介質處在玻璃態(即寫入態)時反射率小，處在晶態(擦除態)時反射率大，在讀出的過程中，介質的相結構保持不變。

信息的擦除：對應介質從玻璃態G向晶態C的轉變。選用中等功率密度、較寬脈衝的雷射，使光斑微區因介質溫度升至接近Tm處，再經過成核-生長完成晶化。在此過程中，光誘導缺陷中心可以成為新的成核中心，因此，由於雷射作用使成核速率、生長速度大大增加，從而導致雷射熱晶化比單熱晶化速率高。

光信息存儲新技術

信息技術的飛速發展，對海量信息存儲的需求迅猛增長。然而，正在全世界興起的信息高速公路網和起級計算機小型化發展中，信息存儲系統仍是一個相對薄弱的關鍵性環節。光存儲目前達到的存儲密度和數據傳輸速率還遠遠滿足不了飛速發展的信息科學技術的要求

為了提高存儲密度和數據傳輸速率，光存儲正在由長波向短波、低維向高維(即由平面向立體)、遠場向近場、光熱效應向光子效應、逐點存儲向並行存儲發展。

三維體存儲技術

三維體存儲是實現超高密度信息存儲的重要途徑，研究領域主要集中在體全息存儲和光子三維存儲兩個方面。

體全息存儲

體全息存儲是20世紀60年代隨著光全息技術的發展而出現的一種大容量高存儲密度的存儲方式。隨著計算機產業的迅速發展，也由於在光電器件和全息存儲材料領域的研究取得了突破，使得人們在全息存儲領域獲得了巨大的進展，從而也使全息存儲成為超高密度光存儲領域的研究熱點。

一般光學體全息數據存儲機理為：待存儲的數據(數字或模擬)經空間光調製器(SLM)被調製到信號光上，形成一個二維信息頁，然後與參考光在記錄介質中幹涉形成體全息圖從而完成信息的記錄讀出時使用和原來相同的參考光尋址，可以讀出相應地存儲在晶體中的全息圖。利用體全息圖的布拉格選擇性，改變參考光的入射角度或波長，就可在一個單位體積內復用多幅圖像，實現多重存儲，達到超高密度存儲的目的。

全息存儲具有以下特點：

(1)存儲密度高、容量大：在可見光譜中存儲密度可達1012bits/cm3[8];

(2)數據冗餘度高：全息記錄是分布式的，存儲介質的缺陷和損傷只會使所有信號的強度降低，而不致於引起數據丟失;

(3)數據傳輸速率高：信息以頁為單位，並行讀寫，從而達到極高的數據傳輸率。目前採用多通道並行探測陣列的全息存儲系統，數據傳輸率有望達到1Gbyte/s;

(4)尋址速度快：參考光可採用聲光、電光等非機械式尋址方式，數據訪問時間可降至亞毫秒範圍或者更低;

(5)存儲壽命長：存儲介質記錄的信息可以保持30年以上。

體全息存儲的研製目標是實現TB量級的存儲容量和1Gbps的數據傳輸率，美國的Inphase公司和日本的Optware公司已經取得了令人矚目的成就，而且在商品化進程中取得了很大的進展。同時，體全息存儲發展也存在著很多的難題，主要就是尋找一種同時兼具性能、容量和價格方面綜合優勢的存儲材料。

光子三維存儲

存儲材料中的激活中心，在光激發下使電子產生躍遷而達到光存儲的目的，稱光子存儲( photo induced optical memory)。它是一種不經過材料吸收光子後產生熱效應階段而形成的光存儲，區別於目前一般應用的光熱存儲方式。主要研究包括光譜燒孔存儲和雙光子吸收三維存儲。

1、光譜燒孔存儲

固體機制中的摻雜分子由於局域環境的差異出現能級的非均勻加寬。當用窄頻帶雷射照射後，在摻雜分子吸收帶內，在雷射頻率處出現吸收的減小，這種現象稱為光譜燒孔。該燒孔可以用相同頻率的雷射讀出。由於可通過改變雷射頻率在吸收帶內燒出多個孔，即利用頻率維變量來記錄信息，從而可以在一個光斑存儲多個信息。

光譜燒孔包括單光子光譜燒孔和雙光子光譜燒孔。兩類材料的光子選通燒孔均在低溫下進行，由於目前材料的電子俘獲陷阱深度較淺，導致燒孔的孔深也較淺，而且在序列燒孔過程中，先燒出的孔容易出現逐漸被填充的現象，因而尋找室溫下能燒孔的材料是關鍵。目前，國內外主要研究兩類材料體系：Sm離子摻雜的無機材料體系以及給體和受體電子轉移反應的有機材料體系。

2、雙光子吸收三維存儲

雙光子吸收三維記錄的基本原理是：兩種光子同時作用於某種介質時，能使介質的原子中某一特定能級上的電子激發至另一穩態，並使其光學性能發生變化，若使兩個光束從兩個方向聚焦至材料的空間同一點時，便可實現三維空間的尋址與讀寫。利用材料折射率、吸收度、螢光或電性質的改變來實現存儲[10]，能實現T bits/cm3的體密度，可達到4MB/s的傳輸率。國際上最有代表性的是美國加州大學San Diego分校及Call&Recall公司100層的記錄方法。國內清華大學從1995年開始從事這方面的研究，初步建立了針對有機介質的記錄物理模型並完成了對雙光子記錄介質特性測試專用設備的研製。

雙光子吸收三維存儲原理基於能級的躍遷，材料的響應時間可達到皮秒量級，能夠實現高密度體存儲，理論上的解析度可達到分子尺度。但由於大多數材料的雙光子吸收截面很小限制了其應用，因而要使雙光子三維存儲走向實用化，就必須開展對存儲材料的研究。

多階光存儲技術

多階光存儲是目前國內外光存儲研究的重點之一，緣於它可以大大地提高存儲容量和數據傳輸率。在傳統的光存儲系統中，二元數據序列存儲在記錄介質中，記錄符只有兩種不同的物理狀態，例如只讀光碟中交替變化的坑岸形貌。如將數據流調製成M進位數據(M>2)，令調製後的數據與記錄介質的M種不同物理狀態相對應，即可實現M階存儲。如圖所示的坑深調製多階存儲，就是通過改變信息符的深度來實現多值存儲，數據流經調製轉換成盤基多種不同坑深的變化，即可實現多階坑深存儲。

多階光存儲分為信號多階光存儲和介質多階光存儲。

其早期方案是坑深調製(PDM：Pit Depth Modulation)。在這種多階只讀光碟中，信息坑的寬度固定為t min，信息坑的深度具有M種不同的可能，代表著不同的階次。不同深度的信息坑，其讀出光呈現不同光強，從而實現多階坑深調製。Sony公司研發的是利用信息坑邊沿相對於固定時鐘的變化，進行多階信息存儲，即利用信息坑長度的變化實現多階光存儲。信息坑的起始和結束邊沿相對於時鐘邊沿都可以按一定的步長變化。若信息坑的起始和結束邊沿的可能位置數均為 8，那麼一個信息坑的邊沿變化可能出現64種狀態，信息坑可存儲6比特(byte)的信息，因此顯著高於傳統光碟的記錄密度。

有多種介質可以用來實現多階光存儲。在電子俘獲多階技術中的光碟的記錄層中摻雜有兩種稀土元素，當第一種摻雜離子吸收短波長雷射的光子後，其電子被激發到高能級狀態，該電子可能被第二種摻雜離子「俘獲」，實現數據的寫入。用另一長波長雷射( 例如紅光) 將俘獲的電子釋放到原來的低能級狀態，存儲的能量以螢光的形式釋放出來，由於發出的螢光強度與俘獲的電子數量成比例，同時也與寫入雷射的強度成比例，該寫入/讀出過程具有線性響應，使得電子俘獲材料適用於數字光存儲。電子俘獲光存儲的反應速度快，可以實現ns時間的讀寫。

近場光學存儲技術

傳統光碟機使用包含物鏡的光學頭進行寫、讀、擦操作，由於物鏡距碟片記錄層多為幾個毫米，屬於遠場光存儲方式，光無法聚焦成直徑小於半波長的點，存儲密度受到了限制。近場光學存儲採用的是近場光，它是由記錄介質與光源在小於半波長量級的距離時獲得的隱失光。隱失光為非傳輸光，當距離超過波長量級時迅速衰減到接近於零。近場光學存儲的基本原理就是通過亞波長尺寸的光學頭和亞波長尺寸的距離控制，實現亞波長尺寸的光點記錄。只要將光學存儲介質放在近場光學顯微鏡中，保持光學探針與存儲介質的距離在近場範圍內，則在存儲介質中形成的記錄點尺寸就可能在亞波長量級內，從而克服衍射極限，實現高密度存儲。

與其它超高密度存儲方法相比，近場光學存儲主要有以下優點：

(1)高密度、大容量：讀寫光斑小，大大提高了存儲的密度，使得存儲容量有了很大提高。隨著近場光存儲技術的進一步完善，還可以獲得比較高的數據傳輸速率;

(2)可充分利用已有存儲技術：如硬碟驅動器中的空氣懸浮磁頭技術和光盤存儲中的光頭飛行技術，而不必另外再去進行新的系統設計與開發，因而有助於減低產品的價格，增加競爭優勢。

光存儲技術的發展趨勢及展望

記錄密度高是光存儲技術最突出的特點，也是用作計算機外設最具吸引力的方面。但是隨著科學技術的發展和製造工藝的改善，磁記錄技術也在不斷取得新的進展。目前，與磁碟相比，光碟單機的存儲容量已無絕對優勢，而存取速度差距並無明顯縮小。因此，提高記錄密度，從而提高光存儲的容量，以及提高讀寫速度是光存儲技術研究工作的主要方向。