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安防视频监控系统光电存储录像设备——超高密度光电存储技术

随着计算机技术,特别是多媒体技术的发展,需要处理和存储的数据量大幅度增加。例如,一部通常长度的电影没有压缩的数据量将超过10TB。大型探测器,如哈勃望远镜所传回的数据量达到10TB/天;医学及大地遥感图数据量巨大。显然现在基于二维方式的光存储器已难于满足这种日益增长的要求了。现行的CD、磁光和相变光盘的容量在650MB左右,即使新兴的DVD光盘,单面单层的DVD-5的容量也只达到4.7GB。虽然,现可使用波长为0.41μm(蓝光)的GaN半导体激光器,即HD-DVD光盘,其存储容量可达27GB,是高密度数字多功能光盘,但还不能满足信息时代发展的需要。因此,必须研发新的超高密度光电存储系统。除全息存储以外,短期有实用前景的超高密度光电存储技术,主要有双光子双稳态三维数字存储、近场光学存储、电子俘获存储、光谱烧孔存储等新技术。

一、双光子双稳态三维存储技术

(1)三维存储的概念。由于光相互之间不会被屏蔽,所以光存储较之磁存储更为容易实现三维存储。传统的光存储是存储在光盘或全息膜等二维存储介质上,而三维存储则是像一摞二维光存储介质,故存储容量很大。从理论上说,在三维存储中,一个记录点可存储于λ3的体积内,也就是说,对于一个体积为丫的存储体来说,如使用的存储波长为λ,则其存储量可达到V/λ3。如选用波长为CD中使用的780nm时,一个1cm3的存储体可存储2x1012bit,即2.5x1011B。相当于300张CD-ROM盘的存储量。因此,三维存储可在不改变激光波长的情况下,极大地提高存储密度。由于其密度与波长的三次方成反比,因此缩短波长在三维存储中会获得比二维更大的容量。

三维存储是指利用双波长、多波长、多偏振态光波和光波干涉等方法在存储体上实现体存储的方法。三维存储主要包括页面存储、多层存储、多色存储和全息存储等几个方面。如全息存储,其最小记录斑点是λxλ,在立体全息存储中,存储量扩大了(d/λ)倍,存储密度仍为V/λ3。因此,在三维存储中,不管是逐点记录还是全息记录方式,其记录密度均为1/λ3

(2) 双光子吸收的光致色变三维存储。具有双光子吸收的光致变材料的发现,为逐点三维存储提供了实现的可能。利用光子作用下发生的化学变化实现信息存储,是一种光子吸收的存储技术,它的反应时间极短(皮秒或飞秒),能够实现高速存储;此外,由于这种反应建立在分子尺度上,因此理论上可将单个信息符尺度缩小到分子量级,从而有利于大幅提高介质的存储密度,实现高密度存储。由于其反应时间短和分子量级上的尺度,突破了传统热效应存储在时间和空间上的极限。

①双光子吸收的光致色变材料的光学双稳态效应。许多光致变色材料,如螺毗喃、螺恶嗪、俘精酸酎及二芳基环烯分子等,具有相对稳定的光学双稳态效应,每一种状态对一特定波长的光线有明显的吸收。在一定条件下,以该状态吸收波长的激光照射,可使之激发至另—稳定状态,而且该过程是可逆的。光学双稳态记录根据这一光化学现象,以这两种稳定状态来表示数字“0”和“1”,从而实现数字式数据存储。读出时,用两种波长之一的激光以较小功率照射,通过检测反射率变化或荧光效应即可辨别读出点处的记录介质处于何种稳定状态,从而读出记录信息。

任何一个光子都可以穿透介质而不被吸收,只有当两个光子聚焦于一点,能量叠加才会导致光致变色反应发生,从而实现光信息记录。同时为了能有效读出相应的信息,材料还需具有荧光特性,它需要三种不同波长的激光。写入与上述类似,也是使用短波长激光(如355nm)使介质发生光化学反应的,分子从状态“0”变成状态“1”。读出时使用较长波长(如590nm)的激光,处于状态“1”的分子在该波长激光照射下会发出荧光,而处于状态“0”的分子则不会,因此通过检测读出光照射下介质的荧光效应,就可以区分所写入的信号。对于发荧光材料而言,只要提高分子的荧光量子产率,就可以避免分子在读出光照射下发生状态变化,因此这是一种无损读出过程。擦除时由于需要更高的能量,因此需要用两束光同时照射(如1064nm+590nm)。

由于一定光致色变材料对一定波长的光线有吸引并反应,而对其他波长的光线不敏感。因此,若记录层含有吸收带不同的多种或多层光致色变材料,则可用相应的多种波长分别写入和读出,从而实现多波长的多重记录。通过多重多维记录,在不改变光斑尺寸的情况下,能进一步提高单盘存储容量。

②光致色变存储的优缺点。光致色变存储化合物作为光存储介质有许多优点。

•灵敏度高、速度快,可达纳米量级:

•可用旋转涂布法制作光盘,制作成本低;

•信噪比高、抗磁性好;

•光学性能可通过改变分子结构来调整,有利于有机合成等。

但是,光致色变的实用化,还需解决与半导体激光器波长相适应、热稳定性、写擦疲劳等问题。

(3)双光子吸收光学存储的形式。实际上,任何光性质的不同,都可用于信息的光记录和读出,所以双光子吸收光学存储有很多种形式。

•光致色变存储;

•光敏聚合物存储;

•光致荧光漂白存储;

•光折变效应存储等。

(4)双光子双稳态三维数字存储的原理。双光子双稳态三维数字存储的基本原理是,根据两个不同光束中的光子同时作用于原子时,能使介质的原子中某一特定能级上的电子激发至高的电子能态即另一稳态,并使其光学性能发生变化。因此,若使两个光束从两个方向聚焦至材料的同一空间点时,便可实现三维空间的寻址、写入与读出。由于光信号的写入与读出属于原子对光量子的吸收过程,除反应速度快外,其最小记录单元的尺寸在理论上可达到原子级。这种方法能实现TB/cm3量级的体密度、40Mbps的传输速率。

(5)双光子存储技术有以下特点。

•在双光束记录结构中,对各光束的峰值功率要求不太高,而单光束记录结构中,对光束的峰值功率要求很高,必须采用飞秒级锁模脉冲激光器;

•存储体的形状可采用立方体或多层盘片结构,以提高存储容量;

•记录信息的读取,普遍采用“共焦显微”系统及CCD摄像头;

•对于光色变材料的记录信息可采用双光子读出或单光子读出方案

•在光色变存储方案中,掺杂AF240(2%)光色变分子(有机聚合物)的存储密度可达100GB/cm3以上。

二、电子捕获存储技术

(1)电子捕获存储技术的基本概念。电子捕获存储技术的原理是电子的俘获和释放。其信息的记录和读取的过程只与电子的俘获和释放有关,而与光学材料的状态及结构变化无关。因此,可以以纳秒时间实现写入和读出,反应时间很快;无热效应;可反复擦除、使用寿命非常长等。

一种适用于未来大容量计算系统的理想存储器必须同时具有高存储密度、高存取速率和长寿命三个特点。电子捕获存储方式具有这些特点,它是通过低能量激光去捕获光盘特定斑点处的电子来实现存储的,是一种高度局域化的光电子过程。从理论上讲,它的写、读、擦除不受介质物理性能退化的影响。最新开发的电子捕获材料的写、读、擦除次数已达108以上,且写、读、擦除的速率快至纳秒量级。因此,借助于电子捕获材料的固有特性,可以使激光存储密度远远高于其他类型的光存储介质。

(2)电子捕获存储技术的工作原理。电子捕获激光存储的具体过程是:当一束激光(其光子能量在电子跃迁能量范围内)照射到电子捕获材料上时,材料中的基态电子被激发到高能级E后下落,并被低能级T处的陷阱捕获,形成被电子填充了的陷阱,它代表二进制信息位“1”。写入光束中断后,此状态仍能保持,从而实现了对数字光信号的存储;信息的读出是以陷阱对电子的释放为基础的,在一束近红外光(其波长对应于足以使被捕获电子逃逸出陷阱并跃入能级E之中的光子能量)照射下,光斑局域位置的被捕获电子,在获得光子能量后跃迁到能带E中,并与另一种稀土原子作用后,返回到基态G,同时发射出与跃迁过程损失的能量相对应波长的光子,探测到这种光,就能证实存储单元局域位置处的陷阱被电子所填充(存在二进制信息位“1”)。所以,多次读出(或选用适当大的功率光一次读出)会使被捕获电子基本耗尽,这就对应于信息的擦除。

实际测量表明,电子捕获激光存储技术可实现对模拟或多电平数据的存储,利用这种技术并采用多电平信号鉴别和相关码,可使传统光盘的每面存储容量增加至1.5GBo若进一步将不同光谱响应度的电子捕获材料薄膜层堆叠起来,则能实现三维光存储。

(3)电子捕获存储技术的优点。

•对表面缺陷及形貌扰动不敏感;

•可反复擦除、写/擦循环次数不受限;

•存取速度很快,以纳秒时间实现写入和读出;

•无热效应;

•使用寿命非常长等。

总之,电子捕获存储是一种相当有前途的光存储技术。

三、持续光谱烧孔存储技术

(1)光谱烧孔存储技术的基本概念。光谱烧孔存储技术利用分子对不同频率光吸收率不同来识别不同的分子,从而实现用一个分子来存储一位信息,达到超高密度存储的目的。

由于可以通过改变激光频率在吸收谱线内烧出多个孔,即利用频率维来记录信息,从而在一个光斑内存储多个信息,其存储密度可提高2~3个数量级。

光盘存储通常称为“位置选择光存储”,三维全息存储称为“角度和波长选择光存储”,由于衍射限制它们的存储密度所能达到的极限是1/λ3数量级或10-12cm3左右,相应的1比特信息所占据的空间含有106~107个分子。如果能用1个分子存储1位信息,存储密度便能在目前光存储的基础上提高106~107倍,但相应地要求有适当选择或识别分子的方法。

(2)持续光谱烧孔存储技术的基本原理。持续光谱烧孔(Perisistent Spectral Hole-Burning,PSHB)技术利用不同频率光的吸收率不同来识别不同分子,它有可能使光存储的记录密度提高3~4个数量级,它属于四维光存储。

用频率为ν0且线宽很窄的强激光(烧孔激光)激发非均匀加宽谱线的工作物质,同时用另一束窄带可调谐激光扫描该物质的非均匀加宽的吸收谱线,则在吸收频带上激发光频率处处会出现一个凹陷,这就是“光谱烧孔”,如图1所示。

图1光谱烧孔的原理示意图

PSHB光存储器是把烧孔激光调谐到荧光吸收谱带内的不同频率位置,孔就出现在不同的频率上,于是以有孔和无孔分别表示信息“1”和“0”两个状态。用测量透射光强的方法可以检测孔的有无。但这种"孔”是瞬时的,可用强激光激发与之共振的离子,发生光化学或光物理变化,从而使“孔”能保存较长的时间,这样就实现了光信息的存储。这就是PSHB存储技术的基本原理。

光谱烧孔方法有可能突破光存储密度的衍射限制,因为光谱烧孔除了利用记录材料的空间自由度以外,还可利用光频率自由度。在光斑平面位置不变的情况下,调谐激光频率在吸收谱带内烧出多个孔,可实现在一个光斑位置上存储多个信息。

(3)光谱烧孔的全息存储。除了PSHB存储信息外,还实现了光谱烧孔的全息存储,全息图的记录是通过不同子集分子的光学特性来实现的。Lachru和Shen等人使用掺稀土的烧孔材料,在数据输入/输出速率方面取得了突破性的进展,实现了以30Hz的帧速(视频速率)随机读取500幅全息图(每幅含有512x488个像素)。这种存储方法基于平面全息图的存储,如果将PSHB技术与体全息技术相结合,其应用前景将不可限量。

四、近场光学存储技术

(1)近场光学存储的基本概念。目前各种光盘驱动器均用光学镜头进行读或写,其物镜离介质为mm量级,属于远场光学存储系统。虽然可通过短波长光激光器和固体浸没透镜等技术能使光盘记录密度有一定的提高。但物镜聚焦的光斑尺寸受远场衍射极限的制约,不可能从根本上实现光学存储的超高密度。而在近场光学显微镜中,近场的小孔功能由光学探针的针尖来完成,光学探针尖端孔径远小于光的波长。当把这样的纳米小孔置于距样品表面一个波长以内(即近场区域时),不仅可以探测到由物体衍射的传导分量,还可探测到非辐射场-隐失场分量(对应于高的空间频率,包括丰富的纳米光学信息)。采用近场光学原理设计超分辨率的光学系统,使数值孔径超过1.0,相当于探测器进入介质的辐射场,从而能够得到超精细结构信息,突破衍射极限,获得更高的分辨率,可使经典光学显微镜的分辨率提高两个数量级,面密度提高4个数量级。

(2)近场光学存储的基本原理。近场光学存储的基本原理是,通过纳米尺寸的光学头和纳米尺寸的距离控制,实现纳米尺寸的光点记录。所以克服了衍射极限而提高了光存储的密度。就提高光学存储密度来说,近场光学的超衍射分辨方法是最基本的方法。

(3)近场光学存储的优点。与其他高密度存储方法相比,这种存储方法具有两大优点。

密度高、容量大。由于其读写光斑小,可大大提高存储密度和存储容量,并且存储每兆比特数据的花费,比普通光盘大大降低。如果采用多光束多光点并行的方法,其数据传输率还可进一步地提高。

可充分运用已有的存储中的成熟技术,以减少开发的时间和投资。这种近场光学存储方法,可以利用其他存储技术已经成熟的相关技术。如硬盘驱动器中的磁头悬浮技术和光盘存储中的光头飞行技术,因而不用另外去进行新的系统设计和开发。显然,这对降低产品的价格起了很大的作用。

五、超高密度光电存储技术的发展趋势

(1)高密度光存储技术的研究重点。各种光存储技术都是以提高存储容量、密度、可靠性和数据传输速率为主要发展目标的,从整个学科发展的角度预测,高密度光存储技术的发展将着重于对以下几个方面的研究。

•最基本、有效的数字式记录方式。

•进一步缩小记录单位。近场超分辨存储是发展高密度光存储的一个典型尝试,随着精密技术及弱信号处理等相关技术的进步,光信息的记录单元将从目前的分子团逐渐减小到单分子或原子量级。

•从目前的二维存储向多维存储发展。多维包括两方面的含义:一是指记录单元的空间自由度,平面存储拓展到三维体存储,以及基于持续光谱烧孔效应的四维光存储;二是指复用维数的多维,用全息的波长或角度选择性,来增加实际存储的复用维数。

•并行读写逐步代替串行读写,以提高数据的读取速率。并行读写功能是体全息页面存储的一个固有特性,是体全息存储被普遍重视的原因之一。

•改善和发展存储系统的寻址方法,努力实现无机械寻址的实用化,从根本上解决目前难以提高随机寻址速度的问题。

•光学信息存储同光学信息处理相结合,以提高信息系统整体性能及功能,充分利用光学特性实现信息存储、传输、处理和计算的集成。

(2)光电存储技术的发展趋势。上述新型的光电存储技术可以实现存储密度达1/λ3,或者其记录材料的微观结构的分辨率,所以能够实现真正意义上的海量存储。目前,光电存储技术的发展趋势是:

•从远场光存储到近场光存储;

•从二维光存储到多维光存储;

•从光热存储到光子存储;

•从有运动部件存储设备到无运动部件存储设备等。

超高密度光电存储技术是一种代表着信息存储发展方向的新技术,它在新世纪的信息光子时代将会发挥巨大的威力。与国外的发展态势相比,必须加快我国超高密度光存储技术的研究和发展,使它在促进我国信息科学与产业的发展中起到关键的作用。