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光信息技術(shù)在信息存儲中的探討論文
摘要：近年來，光信息技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，并且應(yīng)用范圍愈來愈廣，關(guān)注程度愈來愈高。信息化時代下，信息存儲需求較以往有了很大的提升，這也從一定程度上促進(jìn)了光信息存儲技術(shù)的發(fā)展。相對于傳統(tǒng)存儲技術(shù)而言，光存儲技術(shù)容量大、密度大、保存時間長，并且生產(chǎn)成本較低，具有極大的優(yōu)勢。其中全息存儲、近場光學(xué)存儲、多階光學(xué)存儲等已經(jīng)在某些領(lǐng)域中已經(jīng)得到了應(yīng)用。基于此，本文對信息存儲技術(shù)進(jìn)行了綜合性闡述，并對光信息技術(shù)在信息存儲中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，以供參考。
關(guān)鍵詞：光信息技術(shù)；信息存儲；發(fā)展趨勢；介質(zhì)
1.傳統(tǒng)存儲技術(shù)概述
目前，傳統(tǒng)存儲技術(shù)主要包括半導(dǎo)體存儲、磁存儲及光盤存儲等，具體如下：（1）半導(dǎo)體存儲。半導(dǎo)體存儲的主要信息載體是半導(dǎo)體集成電路，按功能可分為RAM（隨機(jī)存取存儲器）與ROM（只讀存儲器）[1]，按照存儲原理可為動態(tài)存儲器與靜態(tài)存儲器。以下為各類型半導(dǎo)體存儲器的特征：（2）磁存儲。磁存儲是上一代主流的存儲技術(shù)。目前，磁存儲技術(shù)依然具有一定的應(yīng)用范圍，如磁帶便是典型的磁存儲介質(zhì)。磁存儲技術(shù)主要通過磁致電阻效應(yīng)進(jìn)行讀寫。磁致電阻磁頭是核心構(gòu)件之一。它的電阻會隨著磁場的變化而逐漸改變。通常情況下，磁存儲都采取分離式設(shè)計，寫入由感應(yīng)磁頭完成，讀取由磁致電阻磁頭進(jìn)行。相對而言，磁存儲具有較好的穩(wěn)定性，但如果存儲密度較高，則會對穩(wěn)定性產(chǎn)生一定程度影響[2]。記錄時，可通過感應(yīng)式薄膜磁頭將信息寫入磁盤當(dāng)中，讀取過程則由巨磁電阻磁頭完成。從發(fā)展角度來看，磁存儲技術(shù)已經(jīng)不能跟上當(dāng)前信息存儲需求，其應(yīng)用范圍也會變得愈來愈窄。（3）光盤存儲。光盤存儲依然是當(dāng)前較為主流的信息存儲方式。以寫入方式進(jìn)行劃分，光盤存儲又被分為ROM、WORM及RW[3]。其中ROW最為常見，只能從光盤上讀取已經(jīng)記錄的信息，但無法將新信息寫入其中或修改原本已經(jīng)記錄的信息。其主要存儲介質(zhì)材料為偶氮化合物等有機(jī)化合物。RW可進(jìn)行重復(fù)讀寫，成本相對偏高。與其他傳統(tǒng)存儲技術(shù)相比，光盤存儲還是具有一定的優(yōu)勢。首先，光盤存儲信息容量較大，具有較高的數(shù)據(jù)存儲密度，保證了存儲的質(zhì)量，且便攜性較好。例如，新型的藍(lán)光光盤尺寸不會超過0.2um，其容量超過10G[4]。在系統(tǒng)集成作用下可使其容量達(dá)到PB級水準(zhǔn)，具有良好的適用性。其次，成本較低，制作工藝較為簡單，制作效率高。另外，光盤存儲較為穩(wěn)定，信息保存時間長。正常環(huán)境下，光盤信息數(shù)據(jù)保存時間可超過100年。但隨著新型存儲介質(zhì)如SSD(SolidStateDrives)的出現(xiàn)，光盤存儲會市場會受到一定程度沖擊，未來可能會被逐漸替代。
2.光信息存儲技術(shù)分析
隨著計算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，極大程度上擴(kuò)充了信息流通量，并給信息存儲帶來了新的要求。除了擴(kuò)增容量外，還需要保證信息讀寫速度及穩(wěn)定性。光信息技術(shù)的發(fā)展為信息存儲優(yōu)化帶來了新的途徑。
2.1全息存儲
全息存儲是目前較為成熟的光信息存儲技術(shù)之一。該技術(shù)是基于全息照相技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。其最大特征便是具有超高的存儲密度及存儲容量。在控制芯片作用下，全息存儲總?cè)萘靠蛇_(dá)1*10^3T，較半導(dǎo)體存儲介質(zhì)及傳統(tǒng)光盤而言，具有明顯優(yōu)勢。另外，全息存儲以頁作為讀寫單位，不同頁面單位可對數(shù)據(jù)進(jìn)行同時并行讀寫，存儲速度極為迅速，信息傳輸速度高達(dá)1G/s,且隨機(jī)訪問時間低于1ms。體全息存儲是一種具有代表性的全息存儲技術(shù)。該技術(shù)基于激光干涉實(shí)現(xiàn)。體全息存儲中記錄體中涵蓋了每一個信息位。記錄介質(zhì)上不存在同信息位所對應(yīng)的記錄單元。因此，體全息技術(shù)存儲過程中要先對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編碼處理，獲取對應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。然后，以頁為單位將所獲的數(shù)據(jù)流輸送至SLM上，并通過光學(xué)干涉圖樣將相關(guān)信號記錄于感光材料上。干涉圖樣是經(jīng)過兩束激光相互干涉形成。這兩束激光由一束激光分離所得，特征相同。其中一束激光為參考光，另外一束激光在SLM作用下[5]，會成為信息數(shù)據(jù)載體而作為物光存在。干涉圖樣會對感光材料產(chǎn)生作用，使其發(fā)生化學(xué)變化或物理變化，從而改變材料的折射率、吸收率及厚度，讓干涉圖樣被存儲。讀取時，通過相同光速的激光對存儲介質(zhì)進(jìn)行照射，并將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺垣@取存儲信息。當(dāng)然，全息存儲要實(shí)現(xiàn)商品化還有很長一段路要走，但它的存在為信息存儲體系發(fā)展帶來了一條新的途徑。
2.2近場光學(xué)存儲
近場光學(xué)源于上世紀(jì)80年代，它的出現(xiàn)使得光學(xué)分辨極限產(chǎn)生了革命性的突破，給相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展帶來了巨大支持。近年來，近場光學(xué)技術(shù)被逐漸應(yīng)用于信息存儲當(dāng)中，其關(guān)注度也愈來愈高。對于信息存儲而言，其首要目標(biāo)便是提升存儲密度。由于目前的光學(xué)讀寫、磁光學(xué)讀寫都會受到衍射極限限制，所以利用較短的激光波長對存儲密度的提升效果并不理想。然而，近場光學(xué)則構(gòu)建出了一種新的方式，有利于提升存儲密度。相關(guān)研究表明，以Pt/Co多層磁光膜作為存儲載體[6]，并利用近場磁光偏轉(zhuǎn)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)信息記錄，其密度可達(dá)45Gbits/inch2。目前，近場表面等離子增強(qiáng)散射、近場二向色法色法等技術(shù)都有了顯著進(jìn)步，為近場光學(xué)存儲提供了有力的技術(shù)支持，使得整個技術(shù)體系愈加成熟。固體浸沒透鏡技術(shù)是近場存儲技術(shù)的重要分支。固體浸沒透鏡技術(shù)以高折射率的固體浸沒透鏡為核心所構(gòu)建，經(jīng)過其聚焦作用，可將激光能量傳遞于存儲介質(zhì)中。其存儲容量與光學(xué)頭系統(tǒng)存在密切聯(lián)系，提升光學(xué)頭孔徑，可有效降低輻照光斑尺寸，使光學(xué)存儲容量提升。為保證隱失場耦合強(qiáng)度達(dá)到要求，光學(xué)頭與存儲介質(zhì)之間的距離要控制在0.1倍波長范圍內(nèi)。實(shí)際應(yīng)用過程中，盤旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性會對光學(xué)頭與存儲介質(zhì)之間的距離產(chǎn)生直接影響，進(jìn)而造成光學(xué)元件出現(xiàn)波動，而降低光通量輸出與光學(xué)分辨率。目前，近場光學(xué)存儲技術(shù)普及的最大瓶頸在于固體浸沒透鏡的質(zhì)量要求較高，并且制作工藝較為復(fù)雜。如果能對相關(guān)工藝進(jìn)一步優(yōu)化，并保證固體浸沒透鏡質(zhì)量，近場光學(xué)存儲技術(shù)將會得到更大的應(yīng)用空間。
2.3多階光存儲
早期多階光存儲以坑深調(diào)制為代表，其中Cialmeitrcs公司研究出了具備8種不同坑深多階只讀光盤[7]，如下圖1所示：圖1PDM多階技術(shù)從圖中可以看出，這種結(jié)構(gòu)的多階只讀光盤，信號坑寬度固定為tmin，且深度存在M種可能，代表了不同的階次。不同深度的信息坑在光電探測器上會表現(xiàn)出不同光強(qiáng)，以實(shí)現(xiàn)多階存儲方案，保證了讀出信號具有多階性。相對于傳統(tǒng)光盤相比，基于多階光存儲的光盤可大幅度提升存儲容量。總體上來看，多階光存儲技術(shù)可在不改變光學(xué)數(shù)值孔徑的情況下，采取相關(guān)信息處理技術(shù)與編碼技術(shù)來增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸效率，進(jìn)一步提升存儲容量及存儲質(zhì)量。
2.4介質(zhì)多階光存儲
介質(zhì)多階光存儲是由多階光存儲演變而來，誕生于90年代。早期的介質(zhì)多階光存儲以電子俘獲多階技術(shù)為主。該技術(shù)基于光子效應(yīng)具備了很高的反應(yīng)速度，可實(shí)現(xiàn)納秒級的讀寫。另外，利用電子俘獲多階技術(shù)可在多個能級上記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。受到市場限制，該技術(shù)并未得到普及，但為介質(zhì)多階光存儲后續(xù)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。之后，部分結(jié)晶多階技術(shù)成為了介質(zhì)多階光存儲的代表性技術(shù)。該技術(shù)以相變材料為基礎(chǔ)，通過對材料結(jié)晶程度進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)多階存儲。隨后，清華大學(xué)光盤國家工程研究中心提出了光致變色多階技術(shù)。該技術(shù)較結(jié)晶多階技術(shù)根據(jù)優(yōu)勢，其多階光存儲系能更優(yōu)。利用不同的波長光照射相關(guān)材料，會讓材料化學(xué)狀態(tài)發(fā)生改變，并且可實(shí)現(xiàn)快速逆變轉(zhuǎn)換。通過兩種不同的狀態(tài)來表示二進(jìn)制的“0”與“1”，便可實(shí)現(xiàn)素質(zhì)存儲。光致變色材料對入射光可進(jìn)行選擇性吸收，若采取不同的材料構(gòu)建記錄層，便可利用不同波長的激光進(jìn)行并行讀寫，即可實(shí)現(xiàn)多波長存儲。
3.光信息存儲技術(shù)展望
從發(fā)展角度來看，光存儲技術(shù)將逐漸替代磁存儲技術(shù)，占據(jù)信息存儲的主要地位。目前，光存儲技術(shù)還處于發(fā)展階段，盡管部分技術(shù)已較為成熟，但依然具有被深度挖掘的潛力，相關(guān)產(chǎn)品離物理極限還存在著較大的距離。當(dāng)然，光信息存儲技術(shù)要實(shí)現(xiàn)完全普及還有一個漫長的過程，在其不斷發(fā)展的過程中，信息存儲與處理將會相互結(jié)合，形成一個不受容量、空間、時間所限制的綜合化信息系統(tǒng)，為用戶帶來更大的便利。
4.結(jié)語
光信息存儲技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，其技術(shù)體系已逐步成熟。相對于傳統(tǒng)存儲技術(shù)而言，它具備高容量、高密度、低成本、高穩(wěn)定性的特征。未來，光信息存儲技術(shù)將獲得更大的應(yīng)用空間，并逐漸滲透到各行各業(yè)當(dāng)中，值得期待。
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