光存儲技術發展趨勢

摘 要隨著科學技術的高速發展和人們對存儲質量需求越來越高，促進了存儲技術的發展。為了能夠了解當前光存儲技術的發展趨勢，本文通過對傳統的存儲技術與新一代光存儲技術進行闡述，對于其技術原理、特點都有了詳細分析，得出了新一代光存儲技術發展的必要性，具有一定的借鑒意義。

【關鍵詞】光存儲 三維存儲技術 趨勢

自人類誕生以來，無時無刻不在對信息記錄、存儲展開執著的追求，而人類的文明都是通過對信息的記錄而得以保存下來，只不過在社會的發展階段的不同，記錄和存儲信息的方式存在差別。從人類文明史發展的長河中，信息的記錄和存儲先后經歷了原始社會通過巖石、繩結等常見物品記錄階段，再到以甲骨、竹簡等為載體的信息記錄階段，再到東漢末年造紙術的改進后以紙為載體信息記錄階段并經歷相當長時間，“信息爆炸時代”的到來，使得人們對于信息記錄不僅停留在書本中，更要求有聲音、圖片、視頻等信息記錄，所以近代以來就出現了膠卷、磁帶、光盤等記錄方式，信息的存儲容量和壽命得到了前所未有的程度。自從20世界40年代出現第一臺計算機開始，信息逐漸數字化，記錄單位逐漸以字節（Bity）表示，然后經歷了磁盤存儲、光盤存儲、閃存存儲階段，隨著閃存存儲技術的發展和不斷推廣，半導體存儲器得到了廣泛應用。

如今應用較多的是磁存儲（磁硬盤）、半導體存儲（SD卡、U盤等）、光存儲（光盤）三種存儲方式。三種存儲方式都具有明顯的優缺點，所以將長期共存，對信息存儲互相補充。總結起來：首先，磁硬盤存儲采用磁記錄方式，其記錄的內容可以擦寫，存儲容量是三種存儲方式中最大的一個，但是在受到熱磁沖擊的情況下容易導致記錄內容消失，而且硬盤盤片無法更換，移動存儲無法實現，阻礙了信息的交流和磁盤容量的升級；其次，半導體存儲信息記錄易擦除、體積小、存儲容量小、移動存儲方便，存儲數據快、使用壽命長，但是受到強電場作用下記錄內容容易消失；最后，光存儲技術采用光學記錄和讀取方式，分為可擦出式光盤和不可擦除式光盤，存儲壽命可以達到10年以上，移動性存儲好，可更換光盤，信噪比較高，能夠達到50分貝以上，價格低廉、可大量復制，相比較磁硬盤存儲和半導體存儲，光存儲更加適合大量數據的分配和永久備份，是一種不可缺少的存儲方式。

1 傳統的存儲技術

1.1 磁存儲技術

磁存儲主要是通過電磁轉換的方法將電信號轉換為磁信號并在磁介質中存儲，需要對磁盤內容讀取時，只需要利用磁頭將磁信號轉化為電信號。磁存儲材料不同可以分為軟磁材料和永磁材料，若按照性能區分可分為矩磁材料、磁泡材料、磁記錄材料以及磁光材料。如電腦就是采用矩磁材料以“0”和“1”的方式記錄信息。

目前，常用的磁存儲技術有磁帶和磁盤。其中磁帶按照用途可以分為錄音帶、錄像磁帶、數據磁帶、儀表磁帶，錄音磁帶和錄像磁帶主要是將聲音和音頻信號轉換為電信號而呈現出來；數據磁帶是按照一定的次序存儲，主要應用于離線存儲；儀表磁帶是為了連續自動記錄信息，在遙感遙測領域應用囧為廣泛。磁盤是目前應用較為廣泛的存儲設備，通常可以分為軟磁盤和硬磁盤，軟磁盤在早期電腦中應用較為廣泛，隨著半導體存儲技術的發展，這種存儲方式逐漸的被取代；然而，硬磁盤在現在的計算機中應用依然廣泛，通過磁性粒子的極性記錄數據信息，實現電信號、磁信號的相互轉換，硬磁盤容量較大，通常能夠達到幾百GB到幾千GB不等，外部傳輸速率較快，接口類型有IDE/ATA、Serial ATA、Ultra 320 SCSI、光纖、USB等。

與光存儲相比，磁存儲分辨率低、壽命短，但是起作用依然不能完全由光存儲取代，所以在今后相當長一段時間依然會保留下來。

1.2 半導體存儲技術

半導體存儲器以半導體為材料、以半導體電路為存儲媒介而誕生的一種存儲方式，擁有雙極晶體管和MOS晶體管存儲器。根據存儲器的寫入方式的不同可以分為隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、靜態隨機存儲器SRAM、可擦除只讀存儲器EPROM、電可擦除只讀存儲器EEPROM以及動態隨機存儲器DRAM。

RAM和ROM是目前計算機、嵌入式電路設備中應用最廣泛的，也是最基本的兩種存儲方式，RAM的內部是由一個晶體管和一個電容都成的最基本存儲單位，電容采用“0”和“1”表示存儲信息，晶體管主要使用了讀取信息和更改信息。ROM在出廠時就在集成電路中寫入了制定的程序，斷電數據不易丟失，也無法更改其內部數據，常見的RAM和ROM有SRAM、DRAM、Flash RAM、FPMDRAM和EPROM、EEPRMOM、Flash Memory等。

1.3 傳統光存儲技術

光存儲技術起源于上個世紀70年代，然后在1982年索尼和飛利浦公司推出了第一張數字激光唱片，制定了光盤記錄計算機數據標準，進而CD-ROM得到了快速推廣，成為電子設備必須的存儲設備。根據存儲的密度不同，光盤可分為CD、DVD、HD-DVD和BD。它們外觀幾乎相同，但是光盤的道數存在差異，道與道之間的間距不同。上述四種光盤，波長是逐漸變短，容量逐漸增大，CD容量為0.65GB，DB容量為25GB，數據記錄點也越來越小，道間距逐漸變小，傳輸速率逐漸增大。從CD到BD的發展可以看出光盤的優勢越來越明顯，它們代表了幾代光存儲產業的發展。

1.4 磁光（MO）存儲技術

MO盤真正投入市場是在1989年，MO盤的存儲容量與尺寸大小有關，通常容量為2.5GB的MO盤尺寸為3.5英寸，9.1GB尺寸為5.25英寸。MO盤與其他普通的磁盤存在著一定的差別，首先，存儲信息方式：磁光存儲是采用磁場和激光同時作用來進行數據信息的存儲；其次，存儲原理：通過激光作用于磁材料發生熱磁效應，并通過激光焦點處的光斑提供能量，實現焦點處的戒指的磁化適量和外磁場方向一致，實現信息的寫入和擦除；最后，讀取原理：采用的是激光作用下產生的磁光克爾效應實現，當磁化強度矢量與磁性薄膜表面呈現垂直時，線偏振光經過磁介質反射形成橢圓偏振光，磁化矢量的不同使得得到的偏振光的方向不同，偏振面偏轉角度存在正負，若角度為負則反射光不通過檢偏器，否則，通過檢偏器，從而實現信息讀取。

2 光存儲技術特點

光存儲技術之所以能夠得到如此廣泛的應用，發展迅速，其原因在于其顯明的特點：

（1）光存儲器容量大、存儲密度高、可更換盤片、移動性好。原先的光盤存儲最小信息符時占用的空間面積僅為0.6um×0.6um，而我國研制的藍光光盤對其進一步降低，僅為0.2um×0.2um，同樣的光盤尺寸能夠存儲更多信息，按照現有制造工藝水平，一直徑為120mm的DVD光盤能夠存儲達9GB的信息內容，不同的存儲容量能夠滿足各種需求。

（2）存儲時間長。由于光存儲采用的是激光束對密封在保護層內的記錄介質進行輻照，使光盤內部發生物理或者化學變化來實現數據寫入、讀取和擦除。對于光盤基層和保護層材料要求穩定性非常高，所以在正常的溫度下可以至少存儲100年，材料的差異可能也就會導致存儲年限差異。

（3）光盤生產成本低、復制工藝簡單、存儲效率高。對于目前來說，一張普通的光盤售價僅為幾塊錢，生產成本更低，而且以現有的制造工藝，對一張光盤寫入信息大概只需要1s鐘時間。隨著技術的不斷發展，它的存儲效率和生成成本將會進一步下降。

（4）由于光存儲采用的是物理或化學原理實現讀寫信息，所以一般來說存在存儲極限。但是就目前光盤的發展情況來看，這種極限還遠遠沒有達到，隨著光存儲技術的進一步發展，在存儲密度、容量、讀寫速度、尋址使勁按、功能多樣化等方面將會獲得更好、更快發展。新一代光盤存儲技術，如多維存儲技術、題全息技術、近場光學技術等在進一步的研制中。

3 一種新一代光存儲技術

隨著人類文明的不斷發展以及科學技術發展的促使，人們對于信息存儲質量要求越來越高，更大的存儲容量、更快的存儲速度是當前必須提高的存儲媒介技術參數。針對上文中提出的磁存儲、半導體存儲，雖然在技術上在不斷的革新，然而由于其自身的物理極限使得其難以為繼；而傳統的光存儲技術雖然仍然存在著巨大的存儲潛力，然而由于分辨率的限制、記錄光點僅為波長平方，所以存儲容量上難以繼續提高，也已經接近衍射極限。因此新一代光存儲技術的發展已迫在眉睫。

三維存儲技術是由上述的二維存儲技術發展而來，它的采用的是超高分辨率存儲，信號的編碼由原先的二階變為三階，波長、光子都發生實質性變化，從而突破了傳統的二維存儲，對信息采用立體存儲，存儲容量變大，存儲速率變快，能夠采用并行讀寫。下面介紹幾種三維光存儲技術：

3.1 體全息存儲

該存儲方式是采用激光干涉來實現信息的存儲，在信息存儲中每個信息位都分布在整個記錄體中，通過對存儲信息編碼形成數據流，然后以頁作為單位映射到空間光調制器，并以光學干涉圖樣的形式把整頁的信號記錄在感光材料上。干涉圖樣形成是采用物光和參考光同時投射介質上形成。光學干涉圖樣使感光材料發生化學或物理變化，使其在吸收率、折射率或厚度上相應的變化，就將干涉圖樣存儲起來。體全息的記錄中包含記錄時物光和參考光的幅度和相位信息。讀出時，采用與記錄信息時相同參數的參考光照射存儲介質，利用探測器接收衍射光成像，并根據接收到的光強的大小將光信號轉變為電信號。

3.2 雙光子吸收三維存儲

“雙光子”顧名思義需要兩束光，并且兩束光需要同時作用于存儲介質上，分子通過對兩個不同光束的光子吸收使得激發到高電子能態。在雙光子吸收過程中不存在中間狀態，雙光子波長可相同也可不同，需要使存儲介質的光學性能具有一定的變化。如果兩束光從兩個不同方向照射到材料的空間同一點，就會使材料的折射率、吸收度、電性質等發生改變，從而實現了三維空間的讀寫信息。

3.3 散斑復用光存儲

散斑復用的基本原理是利用散斑場的隨機性，以及其很好的自相關特性，即自相關的半寬度很窄，峰值下降很快。因此，只要參考光的相鄰散斑場之間的相關值等于零時，就可以無串擾地存儲另一幅不同的全息圖，實現多重體全息圖的存儲。而且散斑復用同時也消除了球面波條件下所產生的衍射旁瓣。按存儲材料的是否移動可以分為靜態散斑復用技術和動態散斑復用技術。

4 光存儲技術的發展趨勢

從上文對傳統存儲技術以及新一代光存儲技術的介紹中不難發現，各種存儲技術主要的研究和發展方向都是放在存儲容量、存儲密度、可靠性以及數據讀寫速率。而更加受關注的是存儲容量和讀寫速度。

對于新型光存儲技術的發展，國內外競爭都非常激烈，然而相對國外的發展形勢，國內仍然存在著一定的差距。就我國而言，目前主要是放在全息體存儲藍光存儲上。其中藍過存儲技術是第三代光存儲技術，將來將成為數字視頻傳播的主流技術。

光存儲的發展趨勢是：從二維光存儲到多維光存儲，從光熱存儲到光子存儲，從遠場光學存儲到近場光學存儲。具體發展方向可以關注以下方向：

（1）進一步縮小記錄單元是發展高密度光存儲的有效途徑，最具代表性的就是超分辨率近場結構存儲；

（2）采用數字式記錄作為最基本和最有效的記錄方式；

（3）采用并行讀寫逐步代替串行讀寫，從而提高數據的讀取傳輸率；

（4）改善尋址方法，發展無機械尋址功能，提高隨機尋址速度；

（5）加強超高密度光存儲記錄材料的基礎研究仍是解決超高密度存儲和超快速響應等問題的關鍵。

總之，隨著技術的不斷發展，光存儲光存儲技術在迅速發展，容量不斷增大，速度不斷提高。據有人估計，光盤的容量每8年提高10倍。但是光盤性能的提高遠遠趕不上信息科學的發展和實際需要。為此在現有技術基礎上，如前所述，采用并行讀寫技術、陣列式結構以及光盤庫等建造具有超大容量、超高速度的存儲和記錄應用系統是現實可行的途徑。

5 結束

光存儲技術將會高速發展，在存儲容量、讀寫速度、可靠性等方面都會全面發展，尤其是光盤容量將會達到現有的8-10倍。但是隨著科學技術高速發展和人們對存儲質量的要求更高，光盤的性能上必然趕不上需求，為此采用并行讀寫技術、陣列式結構等建造超大容量、高速存儲是光存儲必然發展趨勢。

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作者簡介

鄭穆（1993-），大學本科學歷。任職于廣東紫晶信息存儲技術股份有限公司。研究方向為機械設計。

作者單位

廣東紫晶信息存儲技術股份有限公司 廣東省廣州市 510000