浅析体全息存储技术

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1、浅析体全息存储技术A b straet:A s the vo l Ll l lle holograP hi e m em ory storage have hi gh st orage densi ty , f a st tran sf e r rateand the short ti 一 n e of l ? and omaeeess , it has at traet ed PeoPle, 5 i n t erest i n inf o nn ation Pro eessing.aerosPace and def e nse f i elds.In this Pa P er , w e b

2、ri ef l y introdueed the teehnicalPr i n eiPle, m aterl al s a: zdthe latestdevel oPm ents of the volum e ho l ograPhi e.摘要 : 体全息存储因其存储密度 高 ? 传输速率快 ? 随机访问时间短等优点而倍受人们关注,其在信息处理 ?航 空航天 ? 国防等领域有广阔的发展前景 本文对体 全息存储的技术原理 ?材料及发展现状做 了简要的介绍 令李 陶一 ? 现行信息存储技术的状况 信息存储在国民经济建设及现代化军事科学技术中具有十分重要的地位 在日常生活和商业活动中, 人们对大容

3、量和高速率的信息存储技术的需求也日益迫切 磁盘存储是一种发展相当成熟的存储技术, 在一段时间里仍将起重要作用 然而磁存储的面密度在物理上受到超顺磁性的限制(即当磁畴体积过于缩小时, 使已磁化的磁畴保持定向排列的各向异性能量会接近磁畴的内能, 而引起自发的去磁) 过去1 0 年中, 硬磁盘的面密度以每年6 0 % 的速率递增, 并且很快逼近超顺磁性极限(4oG bits/inZ) 就目前而言, 磁存储技术仍在不断的改进以满足人们对存储容量更大 ? 数据传输速度更快的要求 光存 储技术是 继磁存 储之 后兴起的重要的信息存储 技术 理论估计, 光学存储的面密度为1/犷的数量级 , 其 中入 是用于

4、存储的光波长 通过使用多层记录材 料 ? 分 区使用记录材料的动态范围或使用多波长寻址光束及短波长记录等技术,可以使存储密度显著增大 光学方法还可以寻址记录材料的整个体积, 存储密度可达l/护 若同时在大量可分辨的窄光谱凹陷中进行记录 , 存储密度还可以提高1一 3个数量级, 这是当前任何其它数据存储技术所无法匹敌的 目前最普遍 ?最成熟的光存储技术是光盘存储 从第一代C D 光盘到V C D ? D V D ?B D 等, 光盘存储密度不断上升 光盘存储属于按位的二维光存储 提高光盘的存储密度和容量首先考虑的就是缩短所用激光器的波长和增大物镜数值孔径即缩小信息符所占空间的尺寸 从第一代C D

5、 到现今的D V D 光盘 , 所使用的半导体激光器的波长已经从830nm 缩短到了650nm , 物镜数值孔径从0. 38增加到了0 . 6( 0 ,65 ) , D V D 光盘的物理密度也比CD 盘提高了4倍以上 在缩小信息符尺寸的同时, 开发多数据层光盘也是提高光盘存储容量的主要方法 现在, 双面双层的D V D 单盘存储容量已达到 1 8 G h i t s 左右 近期已逐渐发展起来的蓝光光盘 , 采用4O5nm 的记录光波长和数值孔径为0.8 5 的物镜,以及新的存储数据格式, 单面单层的记录容量为25G B , 并可实现单面四层(双面共8个数据层)Zo0G B 的存储容量 如今,

6、二维光盘存储技术主要有两个发展方向, 一是继续缩小所使用激光器的波长和增大物镜的数值孔径以减小信息符所占空间的尺寸 这是当今提高光盘存储密度和容量的主流技术 但由于光学衍射极限(0.61刀N A )的限制, 使这一技术发展至今所剩的空间已经不大 一方面该方案会导致盘片覆盖层的 厚度降低 , 使光盘具有较厚保护层的优点逐渐消失 另一方面受机械结构以及其它相关因素的限制, 继续大幅度减小记录光波长和增大物镜数值孔径的难度很大, 从而极大的制约了存储密度的提高 二维光盘存储技术的另一发展方向是发展近场光学存储技术 近场光学存储可以突破远场衍射极限, 获得更小的信息符尺寸 ,因而可以进一步提高光盘的存

7、储密度 为实现近场记N ovem ber 2009Basi e 心 ow l edge 食翻拙旦 峨成.自. . . .录和读取 , 存储系统必须满足两个条件 : 一是要形成一个纳米级的透光小孔, 二是要控制透光孔和记录介质之间的距离在刀1 0 左右 满足了上述的两个条件以后 , 存储点的大小只取决于透光孔的尺寸而不受衍射极限的约束 这两点要求也正是近场光存储的关键与难点 目前基于近场光学存储的固体浸没透镜存储方案和超分辨结构光盘技术备受关注, 正在加紧研究中 磁盘和光盘都无法将信息存储在材料的整个体积内, 多层光盘虽然能提高存储容量 , 但允许的层数毕竟有限 另一方面 , 就数据传输速率而言

8、 , 光盘和常规磁盘相似 ,均是按位存储和读出的!串行 方式, 要求读写头相对记录介质做机械运动 , 使数据传输速率受到低速机械运动的限制,即磁盘和光盘的机械运动寻址方式和按位存取的本质限制了数据传输速率的进一步提高 而正在发展之中的体全息存储技术对信息存取高速 ? 并行性等方面均突破了传统二维存储的限制,达到了一个全新的高度 二 ? 体全息存储技术的基本 原理体全息存储是20世纪6 0 年代随着激光全息术的发展而出现的一种高密度三维光存储技术 , 它采用了一种与传统二维存储完全不同的原理 体全息存储的基本原理是: 相干的物光和参考光两束激光, 在记录介质的体积中重合, 利用两束激光的干涉性质

9、,在材料内部记录上类似光栅结构的全息图, 在读出过程中, 利用原来的参考光照明全息图, 可以衍射出原来的物光, 即可重现出物光携带的信息 如下图所示:两束在x一 z面内传播的平面波人射到厚度为d的感光介质上, 在其内部干涉形成如图1所示的三维光栅 记录时, 物光波0 和参考光波R 在记录介质内干涉形成三维光栅; 读出时, 按照三维光栅的衍射理论, 为使连续散射波同位相相加 ,以便使总的衍射波振幅达到极大值 , 则照明光束在介质中的波长入? 照明光束C 与峰值条纹面之间的夹角0及条纹面的间距A 三者之间必须满足布拉格定律 :ZA si no=入 (2一 l)这里我们将0称为布拉格角 体积全息图的

10、这一布拉格选择性, 不仅与记录介质的厚度有关, 而且与光栅间距和布拉格角有关, 一般说来, 当记录介质的厚度d10 n A 2/2:凡 (凡 是空气中的波长) 时, 介质 内产生的光栅可以认为是体光栅, 体光栅的一个突出优点是能够抑制不需要的衍射级,即只有当参考光的人射角度在布拉格( a ) 记录(b #寿 r射图1.体光栅的记录和衍射角时衍射光强最大, 当参考光稍微偏离布拉格角时就可引起衍射光强的急剧下降, 这使得体光栅有很好的角度选择性 利用体光栅的角度选择性,就可能在介质的同一个点, 仅仅改变参考光的角度就存储多幅全息图, 而且每幅全息图之间互不串扰, 这大大提高了体全息存储的记录密度

11、体全息图再现时的布拉格选择性与记录材料的厚度 ? 光栅间距A ? 以及记录光束人射角均有关系 我们通常可以用K o g e l i n k 藕合波理论的结果, 对体全息图再现时的衍射效率以及布拉格选择性进行描述, 有兴趣的读者可以自行参阅参考资料l l 全息存储可以把数据记录在材料的整个体积里, 它的记录方式也从传统的按位 !串行 记录读取变为按页!并行 记录读取, 每个记录点包含的信息不再是一个 比特 , 而是!一页 , 这!一页 包含的数据可以达到IM bi t s 因为这种并行传输数据的原理, 全息数据存储还可以达到极快的传输速率 三 ? 光致折变材料光折变效应是 电光材料在光辐照下由光

12、强的空间分布引起材料折射率相应变化的一种非线性光学现象 1966年, A shkni等人在用LIN bO 3和L I T a O 3晶体进行光倍频实验时, 首次发现了光致折射率变化效应(简称光折变效应) 当时把这种不期望的效应称为!光损伤 , 人们发现, 这种!光损伤 在光辐照停止后仍能保持相当长的时间 两 年之后 , C hne等人认识到利用这种!光损伤 可 以进行信息存储 由于这种!光损伤 可以通过均匀辐照或加热的方法被完全擦除掉 , 因而它是一种可逆的损伤 ,为了区别永久的光损伤,以后人们将它改称为 !光折变效应 1975年,sat h e l e r 等人报导 了利用光折变效应在 F

13、e : L i N bO 3中记录50 0 幅体相位全息图的实验 人们相继在LIN bo ? L ITao 3 ?BaTIO 3? K N bO 3 ? 等铁电氧化物 ,B i: 2510 2 (B SO )? Bi,2G e0 2 (BG O ) ?B i,ZTIO Z (B TO )等立方硅秘族氧化物, G aA s ? Inp ? C dTe等半导体材料, 以及电光陶瓷PLZT 和有机聚合物等材料中发现了光折变效应 目前光折变效应己被认为是电光材料的通性 光折变效应被广泛应用并制成了各种器件, 如体全息存储器 ? 自泵浦相位共扼器 ? 光通信波分复用技术中使用的窄带滤波器和定向藕合器 ?

14、光放大器和振荡器等 光折变效应的基本物理过程可描述如下:电光晶体内的杂质 ? 缺陷和空位作为电荷的施主和受主 在不均匀光辐照下, 施主杂质被电离产生光激发载流子 光激发载流子(导带中的电子或价带中的空穴)通过浓度扩散或在外加电场或光生伏打效应作用下的漂移而运动 迁移的载流子又可以被陷阱重新俘获, 它们经过激发 ?迁移 ? 俘获 ? 再激发,? 一 直至到达暗区被处于深能级的陷阱所俘获,形成正? 负电荷的空间电离, 这种空间电荷的电离与光强的空间分布相对应 这些光致分离的空间电荷在晶体内建立了相应的空间电荷场 空间电荷场又通过电光效应在晶体内形成了与光强的空间分布相对应的折射率变化 关于光折变效

15、应的几点说明:1.光折变效应属于弱光非线性现象 光折变效应起因于光强的空间调制, 而不是绝对光强 因为空间电荷的分离和空间电荷场的建立需要一个累积的过程所以光强的大小主要影响到自由载流子被激发的速度和空间电荷场的建立时间 2, 光折变是一个可逆过程 在均匀光辐照下或加热光折变晶体便可以擦除先前写人的折射率光栅 3.短波长比长波长的光折变灵敏度高 这是因为波长越短, 处于更深能级的光生载流子越能被激发 合适的存储材料一直是光全息存储技术发展的关键, 在当前我国研究较多的是以妮酸锉 (L I N bo )晶体为代表的光折变晶体材料 , 这种晶体有很高的衍射效率和动态范围, 还可擦除重写, 但其灵敏

16、度不高 , 生产条件要求苛刻, 难以生成较大尺寸的盘状记录材料, 难以选择响应波长,生产成本昂贵等缺点制约了它的进一步发展 与这些材料相 比, 光致聚合物材料因具有高灵敏度 ? 高衍射效率 ? 工艺简单 ?成本低廉等优点使其成为近年研究的重点, 被认为是最有可能被最先用来做海量存储的材料 有机光折变聚合物作为全息记录材料是基于其具有光致聚合效应 ,光致聚合效应即在光 照情 况下, 光敏染料吸收相应敏感波长光波的光子, 受激发跃迁到较高的能级 ,弛豫过程 中将能量 传给引发剂, 使之产生活性种子, 这些活性种子引发小分子或单体发生聚合,生成聚合物 全息记录时相干的物光和参考光的干涉使光场中的光强产生非均匀分布,强度非均匀分布的光场使聚合物材料产生非均匀曝光 ,光波干涉相长的地方 光强较强 , 单体聚合较多 , 而光波干涉相消的地方光强较弱, 单体聚合较少甚至无聚合 , 因此引起亮 ? 暗区域