光电信息存储技术

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1、光电信息存储技术,光电信息存储技术是一种非接触的写入和读出，其原理是利用材料的某种性质对光敏感的特性，当带有信息的光照射材料时，该性质即发生改变，且能够在材料中记录这种改变，从而就实现了光信息的存储。当用激光对存储材料读取信息时，读出光的性质随存储材料性质的改变而发生相应的变化，于是就能实现对已存储的光信息的读取。 与传统的磁存储技术相比有如下特点：(1)理论估计光储存的面密度为1/2(其中是用于光存储的波长)的数量级，存储的体密度可达1/3，因而数据存储密度高、容量大；(2)磁存储的信息一般只能保留23年；而光存储只要其介质稳定，寿命一般在10年以上，因而寿命长；(3)用光读/写和擦除是非接

2、触式的，不会磨损和划伤存储介质，这不仅延长了存储寿命，而且使存储介质易于更换、移动，从而更容易实现海量存储；(4)由于光存储密度高，其信息位价格低，可比磁记录低几十倍；(5)由于是光，并行程度高，更不受电磁干扰等。,1、光盘存储技术,第一代光盘存储的光源用GaAlAs半导体激光器，波长为0.78 m(近红外)，5寸光盘的存储容量为0.76 GB，即CD系列光盘；第二代光盘存储的光源用GaAlInP激光器，波长为0.65 m(红光)，存储容量为4.7 GB，即数字多功能光盘(DVD)系列；第三代光盘存储已经兴起，使用GaN半导体激光器，波长为0.41m(蓝光)，存储容量可达27 GB，为高密度数

3、字多功能光盘，即HD-DVD光盘(蓝碟)。20世纪80年代后期出现的磁光盘(MOD) 和20世纪90年代初期出现的相变光盘(PCD) 也已经进入实用时期。,9.1.1、光盘存储的原理 光盘写入记录状态如图9-1(a)所示，光盘读出状态如图 (b)所示。,用光电检测器接收反射回来的被信息点调制的光强，则输出信号的电流I可表示为 I=STEOR(x，y) (9-1) 式中，EO为入射于介质膜上的激光束光强；T为由介质膜到光电检测器的光传输效率；S为光电检测器的灵敏度；R(x，y)是膜面反射率，它是信息点位置的函数，随凹坑的有无呈二值化变化。式(9-1)表明，光盘存储是以记录介质表面的反射率R为信息

4、的载体，通过在薄膜介质上高密度的空间调制实现信息存储的。光电信息电流除用做数据信号经解调后变为再现信息之外，还用来实现为光盘正常工作所必须的循迹跟踪和调焦控制。一种基本的光盘存储系统，如图9-2所示。光盘是在衬底上淀积了记录介质及其保护膜的盘片，在记录介质表面沿螺旋形轨道，以信息斑的形式写入大量的信息(见图9-3)，其记录轨道的密度达1000道/mm左右。,1.2、光盘存储的类型,1、只读式光盘(第一代光盘)存储技术 只读式存储(Read only Memory，ROM)光盘的记录介质主要是光刻胶，记录方式是先将信息刻录在介质上制成母盘，然后进行模压复制大量子盘。这种光盘只能用来播放已经记录在

5、盘片上的信息，用户不能自行写入。它只能用来再现由专业工厂事先复制的信息，不能由用户自行追加记录，所以也称为专用再现光盘。如激光数字唱盘CD、电视录像盘及在CD唱盘基础上开发的CD-ROM盘。CD-ROM光盘不仅可交叉存储大容量的文字、声音、图形和图像等多种媒体的数字化信息，而且便于快速检索，因此CD-ROM驱动器已成为多媒体计算机中的标准配置之一。 2、一次写入式光盘(第二代光盘)存储技术 由于CD-ROM是只读式光盘，因此无法利用它对数据进行备份和交换，更不可能制作自己的CD、VCD或CD-ROM节目。CD-R是CD Recordable的英文简称，中文简称刻录机。CD-R也是CD-WO(W

6、rite Once)，就是只允许写一次，写完以后，记录在盘上的信息无法被改写，但像CD-ROM一样，在CD-ROM驱动器和CD-R驱动器上被反复地读取多次，所以也称为一写多读式光盘。,一写多读式光盘允许用户直接写入信息，并可在写后直接读出(DRAM)，但不能擦除。一般，它可分如下三类： 图像存储光盘。记录介质为碲碳合金，数据传输率为1 Mb。日本NEC公司的N7921光盘组的容量为48000 Mb。数据传输率为0.785 Mb/s。 编码存储光盘。记录介质为碲硒合金，有较高的数据传输率、较低的误码率。如美国STC公司1984年提供的产品其数据传输率为24Mb/s，误码率为10-12，容量为40

7、 000 Mb。日立1986年提供的301子系统，一台计算机可连接4台驱动器，误码率为10-12，容量为20 800 Mb，平均存取时间为250 ms。 电视存储光盘。记录介质是碲的氧化物，容量为11 200 Mb，可存储彩色图像3万幅以上。有的产品可存储X光图像。 一写多读式光盘存储的优点是： 存储密度高，容量大(5.25英寸光盘可存储几万幅彩色的数字图像)。 光盘的可靠性极高； 录有图像的盘片可以从光驱中取出，并保存到安全的地方； 光盘的价格比较合理； 光盘的使用寿命无限，其最小平均无故障时间超过10年。,3、可擦除式磁光盘 可擦除式光盘是第三代光盘存储技术，即可多次写入、读取信息，也称为

8、可读写光盘 (CD-ReWritable，CD-RW)。它主要有磁光盘(Magneto-Optical Disk，MOD)和相变光盘(Phase Change Disk，PCD)两种。磁光盘采用磁光技术来记录数据，其容量约200600 MB。它是利用激光与磁性共同作用记录信息的光磁盘。 (1)可擦除式磁光盘的工作原理 磁光盘是在光盘技术基础上发展起来的利用光热效应的信息存储系统。它的基本设备也和光盘装置相类似。与光盘间的主要区别在于采用了磁性记录介质。在细束激光的调制作用下，通过改变介质的磁化方向完成信息的存储。在信息读出时不是检测光的反射率，而是检测信息点处的磁化方向。图9-4给出了磁光盘的

9、写入、擦除和读出原理。, 法拉第效应读出法。利用线偏振光照射磁膜上的信息点，由于磁光效应的影响，反射光的偏振方向随磁化方向而异。用检偏器将不同偏振方向转换为输出光强的变化，经光电探测器件即能读出已存储的信息。这种方法一般只用于聚碳酸酯、有机玻璃等透明物质。 克尔效应读出法。此法可用于各种材料的盘基。用一束偏振光分别照射到磁化区，不同方向的磁化区使反射的偏振光方向分别产生左旋和右旋，如图9-4(c)所示；然后通过方解石晶体使光束偏转而改变方向；再用光电二极管检测读出。所检测的信号电流I可表示为 I=2STRE0sin2(x, y) (9-2) 式中，E0为入射偏振光强；S为光电检测器灵敏度；T为

10、光路传输效率；R为磁膜反射率；为检偏器对入射线偏振光的设定角；(x, y)为克尔旋转角，取决于信息点处的磁化方向，是磁光盘位置的函数。 (2)可擦除式磁光盘的优点 像磁盘一样可以重复使用；存储容量大；便于携带；可随机读出，且读取时间不到1 s；使用寿命长和可靠性高；不怕灰尘、磨擦等破坏因素。,4、可擦重写相变光盘 可擦重写相变光盘是用激光技术来记录和读出信息，其容量约128 MB1 GB。与磁光盘相比，由于相变光盘仅利用光学原理来读写数据，所以其光学头可以做得相对简单，它用一束激光，一次动作在完成写入新信息的同时自动擦除原有信息。因为它利用某些材料在激光作用下可实现晶态与非晶态间相互转化的特性

11、，使记录介质在写入激光束的粒子作用下快速晶化，从而实现信息的存储。这种光致晶化的可逆过程非常快，因而可大大缩短了数据的存储时间。又由于相变光盘的读出方式与CD-ROM、WORM相同，所以多功能的光盘驱动器就变得容易实现。这种利用记录介质在两个稳定态之间的可逆相结构变化来实现反复的写和擦的相变光盘，其相结构变化有：晶态I与晶态之间的可逆相变，这种相变反衬度太小，没有使用价值；非晶态与非晶态之间的可逆相变，这种相变的反衬度也太小，没有使用价值；发生玻璃态与晶态之间的可逆相变，这种相变有使用价值。 (1)存储原理与过程 当近红外波段的激光作用在介质上时，能加剧介质结构中原子、分子的振动，从而加速相变

12、的进行。近红外激光对介质的作用以热效应为主，其中写、读、擦激光与其相应的相变过程如图9-6所示。,图9-6(a)是用来写入、读出及擦出信息的激光脉冲，图9-6(b)表示出在这三种不同的脉冲作用下，在介质内部发生的相应的相变过程。,(2)激光光致相变 随着激光波长移向短波长，激光的光致相变结构变化效应逐渐明显，相变机制也与热相变的机制不同。光致晶化过程与激光热致晶化过程的对比参见表9-1。 表9-1、 激光热致晶化与光致晶化过程对比,(3)可擦重写 光盘存储机构 可擦重写光盘在记录信息时一般需要先将信道上原有信息擦除，然后再写入新信息。这可以是一束激光的两次动作，也可以是两束激光的一次动作，即用

13、擦除光束之后写入光束的协调动作来完成擦、写功能。 图9-8是可擦重写光盘存储机构与信息存储过程示意图。,(4)相变光盘的优点 利用由介质材料的结晶相变化而引起的反射率变化进行记录和擦除，其信号电平比磁光材料高几个数量级，因而信噪比高；由于不需要磁场元件，因而所用光学头的结构简单，质量轻，易实现集成化，有利于提高伺服跟踪精度和数据传输速率；相变材料的稳定性好，成本较低；相变光盘驱动器可以兼容一次写入和可擦重写两种相变光盘。由于上述优点，相变光盘被认为是未来最有潜力的可重写驱动器。 多年来，人们研究了多种体系的相变型光存储记录介质，如金属合金材料具有化学稳定性好和相变速度快的优点，越来越多地引起了

14、人们极大的兴趣。研究表明，Cu-Ag、Cu-Al、Al-Ag等合金材料中，除Cu-Ag薄膜外，其他几种合金薄膜材料都在一定范围内形成非晶态薄膜，它们在晶化过程中普遍有多级亚稳态出现。由于多种亚稳相共存，通过选择合适的激光功率和脉冲宽度，可以实现对晶化相的选择控制，以达到最佳的写擦效果。目前，相变光盘材料还需研究解决高速擦除与高稳定性之间的矛盾，多次(大于10)重复擦写等。,1.3、光盘存储器,光盘存储器由光存储盘片及其驱动器组成。驱动器提供高质量的读出光束，引导精密光学头、读出信息，给出检测光盘聚焦误差信号并实现光束高精度伺服跟踪等功能。光盘存储器的光学系统，一般都采用半导体激光器作为光源，采

15、用一束激光、一套光路进行信息的写/读(如只读存储器及一次写入存储器)；或用两个独立的光源、配置两套光路：一套用来读/写，另一套用来擦除(如可擦重写存储器)。直接重写式相变光盘存储器，只需一束激光、一套光路完成全部读、写、擦功能，可与一次写入存储器兼容。光盘存储技术具有低成本、可大量模压复制等优势，这是其他光存储技术难以替代的。但目前光盘的直接重写性能仍然不及磁盘，所以光盘存储技术是在提高其存储密度优势的同时，正在继续研究新的直接重写技术，以及如何提高数据存储、传输的速率等。随着短波波长激光技术和其他光学存储技术的成熟，以及新存储介质材料的发现，光盘存储技术还将有更大的发展。,光盘存储系统的组成

16、与工作原理，如图9-10所示。其功能部件包括：(1)激光源和与之相连形成读/写光点的光学系统；(2)检测和校正读/写光点与数据道之间的定位误差的光电系统；(3)检测和读出数据的光电系统；(4)移动光头的机构；(5)写/读数据通道中的编码/译码，以及误差检验与校正(即ECC)电路；(6)光盘，即数据存储媒体；(7)光盘旋转机构；(8)光盘机的电子线路。,2、全息存储技术 2.1、全息存储的原理,全息存储方式是利用光的干涉原理，在记录材料上以体全息图的形式记录信息，并在特定条件下以衍射形式恢复所存储的信息。三维多重体全息存储，是利用某些光学晶体的光折变效应记录全息图形图像。一般常用的材料有重铬酸盐明胶、光致聚合物和光致变色材料等。 三维体全息存储的原理是，待存储的数据由空间光调制器调制成二维信息，然后与参考光在记录介质中发生干涉，并利用材料的光折变效应形成体全息图而完成信息的记录。读取时，使用和原来相同的参考光寻址，以读出存储在晶体中的相应的全息图。根据体全息图的布拉格角度或波长选择性，改变参考光的入射角度或波长，以实现多重存储。由于布拉格选择性非常高，所以体全息存储可在一个单位体积内复用多幅图像，从而实现超高密度存储。,