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1、第7章光信息存储技术7.1引言随着社会的进步、生产和科学技术的发展，需要存储、传播、处理和利用的信息量在 急剧增加，这对信息存储技术也提出了越来越强烈的要求。信息从信息源传播到受众，是 通过信道传输的。图7.1示出信息传输的方框图。图中将存储”作为传播通道的终端之一， 实际上已存储的信息又可作为下一轮传播的信息源。此外，在信息传输链路中，由于各个 环节的速度可能不相同，还需要存储器作为中间的环节。因此存储也可以看成是信息传输 过程中具有延时和中继功能的重要一环7-1。人的大脑作为信息的最终归宿，据研究存储容 量在1015bit以上，迄今为止还没有任何单个存储器件能够超过。图7.1信息传播方框图
2、人们对存储器件性能的要求，首先是容量（或密度），以及写（存）和读（取）数据的 传输速率，存取等待时间，持久性（包括使用期和保存期），误码率和噪音特性，符号间干 扰和串扰，可否直接重写，非破坏性读出和选择性擦除，功耗和热耗散要求等等；对于包 括存储器件在内的整个存储系统，还要考虑系统可靠性或平均损坏时间，是否可拆卸。此外 器件和系统的成本也是不可忽视的因素。在当今的计算机系统中，存储器的性能与处理器相比是落后的。若把建立地址的时间 包括在内，从响应最快的高速缓存器（静态随机存取存储器SRAM）存取一次数据也要花 费计算机的几个时钟周期。若把所有要用到的数据都保存在最容易读写的位置一处理器芯 片中
3、，成本将太高。因此计算机系统都采用存储器分级结构：紧靠处理器的寄存器和高速 缓存器寻址最快、等待时间最短，但每兆字节容量的成本也最昂贵。芯片外的主存储器（通 常是动态随机存取存储器DRAM）较便宜，因而能做成大容量的器件。各种磁盘、磁带技 术与相应的驱动器相结合，可以实现更大的存储容量，也称为海量存储设备（mass storage）。 这些远离处理器的外存储器件容量大，价格低廉，但由于它们的机械运动属性，存取等待 时间长，数据传输速率差。随着社会的进步，传统的存储信息的媒质（如纸张、磁体）已不能完全适应需要。当前的趋势是对图像和声音的处理和通信的需求日益高涨（即所谓“多媒体革命”）， 全球计算
4、机网络（例如万维网）的广泛采用，以及娱乐、教育和计算机工业的结合。用于 数字图书馆、医学成像、运动画面产生和发行、以及多媒体教育和训练等对存储器件的需 求，形成庞大的的存储产品市场7-2。如此迫切的需求推动了信息存储各个领域的研究和发 展。光存储的技术也应运而生，并迅速发展成为信息技术中的支柱产业。人的信息来源，是通过视觉、听觉、触觉等感觉器官直接或间接从信息源获取。其中 以光为信息载体的视觉信息色彩纷呈，又可包含大视场、大景深的快速运动图像，其信息 丰富的程度远远超过其它的信息获取方式，因而成为人类的主要信息来源。远古的人类就 知道利用光来快速传递信息，例如我国商周时代就有“烽火戏诸侯”的故
5、事；但是在很长的时 期内，人们存储信息的方式一直局限于直接保存包含信息的实物（如结绳计数）或符号（如 各种形式的书籍文字）。直到150多年前发明照相术，才真正开始了用光学方法存储信息的 时代。照相术通过光诱导乳胶中物质的光化学反应，改变乳胶局部透过率，从而实现信息的 存储。由光学照相术发展而来的缩微照相术，由于能够高保真度地存储高分辨率图像，其 保持文物、古籍等物品原貌的能力无可替代，在今天的海量信息存储领域仍然占有重要的位 置。但是这种存储技术需要复杂费时的湿法后处理，作为一种“离线”读写方式，难于像 磁盘、光盘一样与现代通信设备以及计算机联机，因而在扩大信息交流方面存在限制。当前，光学存储
6、主要指与计算机和其它通信系统联机的海量存储技术。与传统的磁性 存储技术（磁带、磁泡、磁盘）相比，光学存储有以下特点：（1） 存储密度高。理论估计，光学存储的面密度为1/X2的数量级，其中人是用于存储的 光的波长。光学方法可以寻址记录材料的整个体积，存储的体密度可达1/沁7-3。按人=500nm计算，存储密度为1TB/cm3的数量级。若同时在大量可分辨的窄光谱 凹陷中进行记录，存储密度还可提高1-3个数量级，这是当前任何其他数据存储技 术所无法匹敌的。（2）并行程度高。由于光束可以携带图像即二维数据页，通过对照明光束波面的二维 调制，光学存储器件能广泛地提供并行输入输出和数据传输。（3）抗电磁干
7、扰。外界电磁干扰的频率都远远低于光频，因此光不受外界电磁场的干 扰，不同光束之间也很难互相干扰。（4）存储寿命长。磁存储的信息一般只能保存23年。而只要光存储介质稳定，寿命 一般在十年以上。（5）非接触式读/写信息。用光读写，不会磨损和划伤存储体，这不仅延长了存储寿命， 而且使存储体可以自由拆卸、移动和更换，因而可以做成真正海量的存储器。（6）信息价格位低。由于光学存储密度高，其信息价格位可比磁记录低几十倍。由于这些优点，使得自从激光器发明以来，光学存储技术就一直受到人们的关注。从原理上讲，只要材料的某种性质对光敏感，在被信息调制过的光束照射下，能产生 理化性质的改变，并且这种改变能在随后的读
8、出过程中使读出光的性质发生变化，都可以 作为光学存储的介质。光学存储按存储介质的厚度可分为面存储（二维存储）和体存储（三 维存储），按数据存取的方式可分为逐位存储（又称光学打点式存储）和页面并行式存储， 按鉴别存储数据的方式可分为位置选择存储和频率选择存储等等。目前最普遍、最成熟的 光学存储技术是光盘存储，正在发展中的技术还有很多种。本章首先对光盘存储器作简单 的介绍，然后重点介绍光全息存储技术的主要特点和优点，以及当前的发展态势。7.2二维光学存储：光盘存储口-4激光具有高度的单色性、方向性和相干性，经聚焦后可在记录介质中形成极微小的光照 微区（直径为光波长的线度，即一微米以下），使光照部分
9、发生物理、化学变化，从而使光 照微区的某种光学性质（反射率、折射率、偏振特性等）与周围介质有较大反衬度，以实现 信息的存储。这就是光盘存储的原理。在信息将写入”过程中，通常使写入激光束的强度被 待存储信息（模拟量或数字量）所调制，而记录介质上有无理化性质的变化代表了信息的有 无。在信息的“读出”过程中，用低强度的稳定激光束扫描信息轨道，随着光盘的高速旋转， 介质表面的反射光强度（或其他性质）随存储的信息位而变化。用光电探测器检测反射光信号 并加以解调，便可取出所需要的信息。光盘是在衬盘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，以记录斑的形式写入大量的信息位（参见图7.2）
10、，因此光盘 是按位存储的二维存储介质。记录轨道的密度可高达1000道/mm以上，这种类似光栅的结 构使光盘在白光照明下呈现绚丽的彩色。图7.2光盘记录斑示意图光盘存储除了具有存储密度高、抗电磁干扰、存储寿命长、非接触式读写信息、以 及信息位价格低廉等优点外，还具有信息载噪比（CNR）高的突出优点。载噪比是载波电 平与噪音电平之比，以分贝（dB）表示。光盘载噪比均在50dB以上，且多次读写后不降低。 因此，光盘多次读出的音质和图像清晰度是磁带和磁盘所无法比拟的。另外，光盘的信息 传输速率也比较高。现有的光盘每一通道数据速率可达50Mb/s以上，通过改进光学系统， 和选择适当的激光波长，还可以提高
11、数据速率。一、光盘的类型作为计算机系统外部设备的数字光盘存储技术，按其功能划分主要有四种：（一）只读存储光盘（Read Only Memory, ROM）只读式存储光盘的记录介质主要是光刻胶，记录方式多数采用经声光调制的聚焦氪离 子激光，将信息刻录在介质上制成母盘（参见图7.3），然后进行大量模压复制。由于制作工 艺和设备的限制，这种光盘只能用来播放已经记录在盘片上的信息，用户不能自行写入。 CD只读、CD音像和LV都属此类。配备了 CDROM驱动器的微机，也可读取大量光盘 中存储的软件和多媒体信息。玻璃衬盘图7.3只读光盘记录示意图（二）一次写入光盘（Write Once Read Many
12、 缩写为 WORM;或称 Direct Read after Write 缩写为 DRAW）一次写入光盘利用聚焦激光在介质的微区产生不可逆的物理和化学变化写入信息。这 类光盘具有写、读两种功能，用户可以自行一次写入，写完即可读，但信息一经写入便不 可擦除，也不能反复使用。它特别适合于文档和图像的存储和检索。为了保证光盘能被用户写入，实现写后即读（DRAW），记录的数据能够实时加以检 验，一次写入光盘上应有的地址码（信道号、扇区号及同步信号等）都以标准格式预先刻 录并复制在光盘的衬盘上。光盘的存储介质应当是不须经过中间处理的类型。除了高分辨 率、高对比度、抗缺陷性能强等对光盘存储介质的共同要求外
13、，一次写入光盘还要求介质具有较高的记录灵敏度和较好的记录阈值，并且存储介质的的力、热及光学性能应与预格式 化衬盘相匹配。一次写入光盘的写入过程主要是利用激光的热效应，其记录方式有烧蚀型、起泡型、 熔绒型、合金型、相变型等很多种。目前一次写入光盘已经实现商品化。（三）可擦重写光盘（Rewrite,或 Erasable-DRAW即 EDAW）这类光盘除用来写、读信息外，还可将已经记录在光盘上的信息擦去，然后再写入新 的信息；但写、擦是分开的两个过程，需要两束不同的激光和先后两个动作才能完成，即 先用擦激光将某一信道上的信息擦除，然后再用写激光将新的信息写入。这种先擦后写的 两步过程限制了数据的存取
14、时间和传输速率，因而尚未应用到计算机系统的主内存即随机 存取存储器（Random Access Memory, RAM）。但是，用这类光盘代替磁带，用在海量脱机 存储和图像数字存储方面已成定局。可擦重写光盘是利用记录介质在两个稳定态之间的可逆变化来实现反复的写与擦。光盘 可擦重写技术的关键是解决新的存储介质材料。经过多年的努力，已在磁光型（热磁反转 型）存储材料上得到突破而获得实用化。磁光型存储介质具有磁各向异性，在垂直于薄膜表面方向有一易磁化轴，产生垂直磁记 录磁畴。在写入信息之前，用一定强度的磁场H0对介质进行初始磁化，使各磁畴单元具有 相同的磁化方向。(a)(b)(c)图7.4磁光光盘的
15、原理。8）写入，（b）读出、（c）擦除。写入时，磁光读写头的脉冲激光聚焦到介质表面，光照微区温度升至居里温度（Tc或 补偿温度（Tcomp）时，净磁化强度为零（退磁）。此时通过读写头中的线圈施加一反偏磁场， 使微斑反向磁化。而介质中无光照的相邻磁畴，磁化方向仍保持原来的方向，从而实现磁 化方向相反的反差记录。读出：利用磁光克尔效应来检测微区磁畴的磁化方向，从而实现信息的读出。磁光克尔 效应是克尔（Kerr）在1877年发现的。当线偏振光入射到磁性介质时，反射光束的偏振面 会发生旋转，这个旋转角称为克尔角。若用线偏振光扫描录有信息的信道，光束经过磁化 方向“向上”的微斑的反射，反射光的偏振方向会
16、绕反射线右旋一个角度.。反之，若扫到 磁化方向“向下”的微斑，反射光的偏振方向则左旋一个，以且表示，见图7.4。实际读 出时，将检偏器调整到使与对应的偏振光为消光位置，来自下磁化微斑的反射光不能通 过检偏器到达探测器，而从上磁化微斑反射的光束则可通过sin（20 ）的分量，探测器便有效K地读出了已写入的信号。目前磁光盘的克尔角数值不大，一般只有零点几度。要获得较高 的信噪比，必须进行大q角材料的研究。擦除：擦除时，用原来的写入光束扫描信息道，并施加与初始耳0方向相同的偏置磁场， 则微区磁畴的磁化方向又会恢复原状，从而擦除了原有的信息。由于磁畴磁化方向翻转的 速率有限，故磁光光盘一般需要两次操作来写入信息，第一次是擦除原有轨道上的信息， 第二次是写入新信息。（四）直接重写光盘（Overwrite）前面介绍的可擦重写磁光盘，在记录信息时往往需
