光存储技术的现状及发展趋势0 引言信息资料迅速增长是当今社会的一大特点。

有人统计，科技文献数量大约每7年增加1倍，而一般的情报资料则以每2年~3年翻一番的速度增加。

大量资料的存储、分析、检索和传播，迫切需要高密度、大容量的存储介质和管理系统。

磁存储和光存储作为当今数据存储的两种常用方式，具有各自的特点。

磁存储应用较早，适合与计算机联用，信息存取方便、可靠，技术相对成熟，得到了广泛的应用；光存储的发展及应用则是随着激光技术的发明，步入了高密度光学数据存储的新阶段，指明了未来数据存储的新方向。

1 传统磁存储理论及应用人类很早就知道某些物质具有铁磁性。

近代的研究结果揭示了铁、钴、镍及一些稀土元素存在的能够在外部磁场中磁化并保持磁化状态的磁性现象称为铁磁性，铁磁性名称的由来是因为铁是具有铁磁性物质中最典型也是最常见的铁磁性物质的组成原子一般都具有不满的电子层。

某些组成部分的原子不是铁磁性的合金也具有铁磁性，称为赫斯勒合金。

铁磁性物质的宏观表现一般为没有磁性，或者其磁性非常弱。

但是在一个足够强的外部磁场中，磁畴中的原子的磁矩会随着外部磁场矢量方向的变化而变化，在外部磁场消失后这些磁畴中原子的磁矩会继续保持为变化后的同一的指向。

这个同一的指向在变化后的磁场与临时的外部磁场之间的关系由磁滞曲线来描述。

虽然这个排列整齐的磁畴的总体能量并非总是最低的，但是它可以保持为非常稳定的状态。

在自然界中，铁磁性的氧化铁粒子的磁化方向能够指向它形成时的地磁场方向并且保持百万年之久。

这种磁化后的铁磁性物质能够保持永久磁化方向的特性被用来进行传统的磁存储应用[1]。

1898年荷兰的Valdemar Poulsen发明了世界上第一个磁记录设备：磁线录音机，从此，开始了传统的磁记录应用实践。

在随后的一个多世纪里面，出现了多种不同种类的磁记录设备：磁带机，磁芯存储器，磁盘等等。

虽然有大量不同的磁存储设备出现，但是磁记录的基础原理仍然是上述的铁磁性材料能够保持外磁场磁化方向的特性。

传统的磁记录的写入原理是将随时间变化的电信号转换为在线性或者旋转的铁磁性材料中的磁化强度和方向的空间变化，传统的磁记录读出原理是将分布于磁性材料中的磁化方向和强度的空间变化，通过线性或者旋转运动，利用磁电转化元件，转换为随时间变化的电信号。

不久以前，磁记录的读入还在采用经典的利用在软磁材料和线圈组成的读磁头与磁化的存储介质相对移动获得感生电流来得到存储介质上磁化强度变化的方式来进行。

但是，随着记录密度的提高（目前的硬盘记录密度已经能够达到30Gb/cm2），能够获得的感生电流的强度和信噪比已经过小，造成读入设备的误码率已经不能达到要求。

因此，新的读磁头采用了磁旋阀读出磁头或者磁致隧道效应磁头等应用量子势垒效应的读出方式。

读出器件的原理是利用随磁场强度和方向的变化导致的读出器件的电阻变化来获得随时间变化的电流信号。

利用巨磁阻效应和隧道效应的磁头是目前高容量硬盘的主要器件。

目前的磁记录这依赖于记录介质以及读、写器件的不断发展而得到。

目前容量最大的硬盘已经能做到1000~2000GB的容量，在可以预见的将来，更高数量级的存储能力也是能够实现的。

2 光存储技术的原理及特点计算机和信息产业的发展使越来越多的信息内容以数字化的形式记录、传输和存储，对大容量信息存储技术的研究也随之不断升温。

激光技术的不断成熟，尤其是半导体激光器的成熟应用，使得光存储从最初的微缩照相发展成为快捷、方便、容量巨大的存储技术，各种光ROM纷纷产生。

与磁介质存储技术相比，光存储具有寿命长、非接触式读/写、信息位的价格低等优点。

2.1 光存储的基本原理光存储技术是用激光照射介质，通过激光与介质的相互作用使介质发生物理、化学变化，将信息存储下来的技术[2]。

其基本物理原理是：存储介质受到激光照射后，介质的某种性质（如反射率、反射光极化方向等）发生改变，介质性质的不同状态映射为不同的存储数据，存储数据的读出则通过识别存储单元性质的变化来实现[3]。

作为光储存方式，已有近百年的发展历史。

常见的照相术就是最早的光存储技术。

无论是胶片感光灵敏度、分辨率、色彩，还是照相仪器，都取得了长足的进步，不仅能拍摄静止景物，还能通过电影、电视将活动图像记录和再现。

然而，包括全息照相在内的照相术，都属于模拟光存储范畴，它在存储容量、存储密度及传输速率等方面都受到一定限制。

随着信息社会的发展，特别是激光的出现和计算机的日益普及，数字光储技术开始兴起，数字光盘的诞生成为存储技术的一项重大突破[4]。

下图1示出数字光盘存储的基本原理。

图1 数字光盘存储基本原理迄今为止，绝大部分商品化光盘存储系统中所用的记录介质的记录机理都是热致效应。

利用从激光束吸收的能量，作为高度集中的、强大的热源，促使介质局部熔化或蒸发，通常称为烧蚀记录[5]。

在实际操作中，一般用电脑来处理信息，因为电脑只能识别二进制数据，所以要在存储介质上面储存数据、音频和视频等信息，首先要将信息转化为二进制数据。

现在常见的CD光盘、DVD光盘等光存储介质，与软盘、硬盘相同，都是以二进制数据的形式来存储信息的。

写入信息时，将主机送来的数据经编码后送入光调制器，使激光源输出强度不同的光束，调制后的激光束通过光路系统，经物镜聚焦然后照射到介质上，存储介质经激光照射后被烧蚀出小凹坑，所以在存储介质上，存在被烧蚀和未烧蚀两种不同的状态，这两种状态对应着两种不同的二进制的数据。

聚焦光束人射到光盘上，如果光盘上已经存在记录信息，反射光的特征，例如，光强、光的相位或者光的偏振状态将发生某种变化，通过电子系统处理可以再现原始记录的数据信息，这就是光盘的基本读出过程。

具体来说，就是读取信息时，激光扫描介质，在凹坑处由于反射光与入射光相互抵消入射光不返回，而在未烧蚀的无凹坑处，入射光大部分返回。

这样，根据光束反射能力的不同，就可以把存储介质上的二进制信息读出，然后再将这些二进制代码转换成为原来的信息。

另外，可擦写光盘的存储介质为使光照点的结晶态发生变化，即相变型介质。

而磁光存储材料的光盘的存储介质则是产生磁化方向的改变，从而记录或删除信息。

2.2 光存储的主要特点光盘存储的主要特点如下[6]：（1）记录密度高、存储容量大。

光盘存储系统用激光器作光源。

由于激光的相干性好，可以聚焦为直径小于0.001mm的小光斑。

用这样的小光斑读写，光盘的面密度可高达107bit/cm2~108bit/cm2。

一张CD-ROM光盘可存储3亿个汉字。

我国花了14年方才出版齐的中国百科全书共1.2×108多万字，也就是说，全部的百科全书还装不满一张CD-ROM光盘。

（2）光盘采用非接触式读写，光学读写头与记录盘片间通常有大约2mm的距离。

这种结构带来了一系列优点：首先，由于无接触，没有磨损，所以可靠性高、寿命长，记录的信息不会因为反复读取而产生信息哀减；第二，记录介质上附有透明保护层，因而光盘表面上的灰尘和划痕，均对记录信息影响很小，这不仅提高了光盘的可靠性，同时使光盘保存的条件要求大大降低；第二，焦距的改变可以改变记录层的相对位置，这使得光存储实现多层记录成为可能；第四，光盘片可以方便自由的更换，并仍能保持极高的存储密度。

这既给用户带来使用方便，也等于无限制的扩大了系统的存储容量。

（3）激光是一种高强度光源，聚焦激光光斑具有很高的功率，因而光学记录能达到相当高的速度；（4）易于和计算机联机使用，这就显著地扩大了光存储设备的应用领域；（5）光盘信息可以方便地复制，这个特点使光盘记录的信息寿命实际上为无限长。

同时，简单的压制工艺，使得光存储的位信息价格低廉，为光盘产品的大量推广应用创造了必要的条件。

当然，光存储技术也有缺点和不足。

光学头无论体积还是质量，都还不能与磁头相比，这影响光盘的寻址速度，从而影响其记录速度。

一般地说，光盘读写速度还比磁盘低。

而由于光盘的记录密度如此之高，盘片上极小的缺陷也会引起错误。

光盘的原生误码率比较高，使得光盘系统必须采用强有力的误码校正措施，从而增加了设备成本。

光存储存在的技术问题，有的已经或正在解决，有的成为研究的重要课题。

在科学技术不断进步的过程中，光存储的性能必将进一步完善和提高。

3 光存储技术的发展现状光存储的记录密度本质上取决于读写光斑的大小。

根据聚焦光斑的公式，提高存储密度最直接的途径就是缩短激光的波长和增大光学系统的数值孔径。

DVD就是通过这一途径实现高密度存储的技术发展。

DVD技术是目前应用最广泛的光存储技术，全方位的DVD光盘产品，涵盖了从音频到视频，从只读到可写，从家电到计算机整个光盘应用领域。

DVD格式标准与CD相比，主要的改进包括：（1）采用0. 6mm衬底，这使得它能够采用数值孔径更大的物镜；（2）信道间距和最小记录长度减小；（3）光学头物镜的数值孔径增大；（4）激光器波长更短；（5）采用更有效的编码方案。

沿着这一发展方向，2002年2月19日，光存储领域的9家知名公司在日本东京宣告建立下一代大容量光盘记录格式的参数标准，并将其命名为蓝光光盘（Blue-Ray Disc）。

蓝光光盘的记录介质采用相变材料，为可擦写光盘。

通过405nm波长的蓝紫光激光器发出激光，利用0.85数值孔径的光学头，它成功地缩小了聚焦光斑。

利用0.lmm厚度的光学保护层，可降低盘片抖晃所产生的偏差，同时使盘片能更好地读出和提高记录密度。

蓝光光盘的轨道间距为0.32μm，大约是DVD光盘的1/2，从而获得了单盘单面27GB的存储量，以及36Mbit/s的传输速度。

由于蓝光光盘采用了全球标准的“MPEG-2”传输流压缩技术，使其适用于存储高清晰度视频信息等需要大容量的内容。

与DVD的技术发展类似，蓝光技术的发展也充满了激烈的竞争。

HDVD是可以与蓝光光盘争雄的另一种基于蓝光的新一代高密度高速度光盘系列。

DVD、蓝光光盘代表了高密度光存储的主流发展技术，其主要特点是采取缩短激光的波长和增大物镜数值孔径的技术，但是这一技术发展至今所剩的空间已经不大，因此有必要寻求其他提高存储密度和数据速率的途径。

例如，利用空间三维或光的频率维进行信息存储，采用多阶存储代替目前的二阶存储，采用近场超分辨力技术取代传统的远场技术等。

3.1 三维体存储技术三维体存储是实现超高密度信息存储的重要途径，研究领域主要集中在体全息存储和光子三维存储两个方面。

3.1.1体全息存储体全息存储是20世纪60年代随着光全息技术的发展而出现的一种大容量高存储密度的存储方式。

随着计算机产业的迅速发展，也由于在光电器件和全息存储材料领域的研究取得了突破，使得人们在全息存储领域获得了巨大的进展，从而也使全息存储成为超高密度光存储领域的研究热点。

一般光学体全息数据存储机理为：待存储的数据（数字或模拟）经空间光调制器（SLM）被调制到信号光上，形成一个二维信息页，然后与参考光在记录介质中干涉形成体全息图从而完成信息的记录读出时使用和原来相同的参考光寻址，可以读出相应地存储在晶体中的全息图。