光全息存储东华大学应用物理系第一章 信息与光学信息存储
1.1 信息与信息存储
1.2 光学信息存储的一般特点
*1.3 光学信息存储技术简介
1.1 信息与信息存储
信息的量化
（ 1）消息具有不同的形式，例如：符号、
文字、话音、音乐、数据、图片、活动图像等。
（ 2）信息可被理解为消息中所包含的有意义的内容。
（ 3）消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关，消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量越大。
信息的量化
（ 4）信息量 I=-logaP(x)，当 a=2时，信息量的单位为比特 (bit)
（ 5）若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于个独立事件信息量的和。
（ 5） 每个二进制码元规定含有 1bit信息量。
（ 6）信息传输速率定义为每秒钟传递的信息量，单位是比特 /秒，或记为 bit/s。
信息存储的一般要求
（ 1）首先是容量（或密度）、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）、误码率和噪声特性、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、功耗和热散耗要求等；
（ 2）对包括存储器件在内的整个存储系统的要求以及系统可靠性及是否可拆卸。
（ 3）器件和系统的成本
1.2 光学信息存储的一般特点
（ 1）存储密度高理论上，光学存储的面密度为 1/?2，体密度为
1/?3。
（ 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 2~3年，而只要光存储介质稳定，寿命一般在 10年以上。
（ 5）非接触式读 /写信息用光束读写，不会磨损和划伤存储体，
而且使存储体可以自由拆卸、移动和更换。
（ 6）信息价格位低
1.3 光学信息存储技术简介
1.3.1 光盘存储
（ 1） 光盘存储技术
（ 2） 光盘的类型
（ 3） 光盘存储器
1.3.2 光存储技术研究进展光盘存储技术
光盘存储的原理：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微小的光照微区（直径为光波长的线度，即 1?m以下），使光照部分发生物理和化学变化，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，
可以实现信息的存储。
光盘系统基本原理电子显微镜照片光盘扫描电子显微镜照片光盘的类型
按存储功能主要可划分为三种
（ 1） 只读存储光盘（ ROM）
（ 2） 一次写入光盘（ WORM或 DRAW）
（ 3） 可擦写光盘
按记录介质的特性主要可分为三种
（ 1）磁光型（ MO）
（ 2）相变型（ PC）
（ 3） 有机光色或光子选通介质（ OP）
有机光色或光子选通介质（ OP）
利用许多有机化合物吸收光子能量以后产生的光学特性的变化实现信息的写入与读取或擦除。
只读存储光盘（ ROM）
只读光盘存储是目前应用最广泛的光信息存储技术 。 它包含光信息读出技术,
数据处理技术 （ 编解码和检纠错等 ）,
以及母盘制造和盘片复制技术等 。
只读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,然后进行大量模压复制 。
大多数 CD光盘和 LD光盘都属于此类。
母盘制造与盘片复制一次写入光盘 (WORM或 DRAW)
一次写入光盘主要利用激光的热效应
在一次写入的光存储系统中，聚焦直径不到 1?m,功率 12mW（典型的一次写入光盘到达记录介质膜面的功率）的激光束，
在光盘记录介质膜面产生的平均能量密度达到 1.6*1010W/m2。如此高密度的能量被膜面记录层吸收后使膜面性质发生改变或破坏。激光束在不到 1?s的时间内把光照微区的膜层温度升高数百甚至上千摄氏度，
最终形成结构稳定的不可逆的记录信息符。
一次写入光盘 (WORM或 DRAW)
其典型的记录方式有如下几种：
烧蚀型
起泡型
熔绒型 /纹理型
光致变色型（包含合金型）
相变型烧蚀型
利用激光的热效应，
使光照微区的膜层熔化，在表面张力的作用下产生一个稳定的信息凹坑。记录介质具有较低的熔点、热扩散能力差起泡型
起泡型一次写入光盘记录介质为三层结构。
表面是柔性好熔点高的金或银薄膜，它蒸镀在透明的染料 ——
聚合物层上面，第三层是反射层和保护层。
当染料层受到聚焦激光束照射是形成气泡，
使上层薄膜隆起，与周围介质形成反射率的差异，从而实现信息的记录。
熔绒型 /纹理型
熔绒型一次写入光盘是用离子束加工记录介质的表面，使之形成绒面结构，或采用真空沉积方法使之形成微形龟列形状。当受到聚焦激光束照射时，这种绒面膜层吸收光能后，使绒面状结构层熔化成镜面状表面，使反射率变化，
从而实现一次写光记录。
光致变色型（包含合金型）
光致变色记录介质有很多种，分为有机与无机两大类。其特点是在光照记录微区时，
记录薄膜将从一种光学状态变化到另一种光学状态，从而实现数据的写入。
相变型
存储介质多用硫属化合物或金属合金制成薄膜，利用激光的热效应和光效应使被照微区发生相变。这种相变可以是从一种非晶相变到另一种非晶相，从一种晶相变到另一种晶相或是从非晶相变到晶相。
可擦写光盘
包括可擦重写光盘（ RW）和直接重写光盘
（ DOW）
可擦写光存储材料
（ 1） 磁光型（ MO）
（ 2） 相变型（ PC）
（ 3） 其它处于研究中的新型光记录材料磁光型（ MO）
磁光型存储介质的必要条件是具有磁各向异性，
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。
相变型（ PC）
记录时，高功率密度
（ P1）激光束脉冲以较高的温度加热晶态介质，晶态将快速转变为具有低反射率的非晶态，称为写入态；
擦除时，功率密度较低（ P2）的激光束脉冲加热非晶态介质，
以回复到较高反射率的晶态，称为擦除态。
相变光盘直接重写与读出原理图新型可擦写光存储材料
光致变色光存储材料
电子俘获光存储材料
生物分子光存储材料光盘存储器
光盘存储器包括提供高质量读出光束和引导检索的光信号的精密光学系统，产生信息读出信号、再现盘片格式化地址和检测光盘聚焦误差信号及跟踪误差信号的电子学电路，以及实现光束高精度跟踪的伺服控制系统。这里只重点介绍光盘存储器的光学系统（ 单光束光学系统 和 双光束光学系统 ）。
单光束光学系统
单光束光学系统的结构比较简单且已基本定型，其差异仅在于伺服
（自动跟踪自动调焦）方法、
分光元件结构及读出信号的提取方式不同。
双光束光学系统
双光束 光学系统是为了使光学头同时具有写 — 读或擦 —
写 — 读的功能，
或不同介质的特殊要求 。
界面耦合 — 分光棱镜双光束光学系统
其核心部分是耦合 — 分光棱镜；它有耦合整形棱镜与一个 450直角棱镜胶合而成。图中 3是胶合面，在 4,6两面各胶合 1/4波片光存储技术研究进展
三维光存储
超分辨率存储三维光存储
三维光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
全息存储页面存储
采用双光子吸收的光致变色材料。
优点：可避免层间串扰，实现整页数据并行数据写入和读出。
缺点：在速度上的提高受到制约。读写设备需要安置与于精度较高的 XYZ
三维工作台，而目前这种设备体积庞大且昂贵，
多层存储
采用双光子吸收的光致变色材料。
这种方案的主要问题是跟踪和伺服控制。因为只有顶面和底面可以提供用于聚焦和跟踪的伺服信号，如何有效利用该信号实现各层信息的正确读写是这一方案的关键。
多色存储
多色存储是运用不同感光波长的染料实现多层记录。
由于各分子的吸收带有重叠，
会造成不同波长记录层之间的串扰。
全息存储
全息存储的原理
全息存储有以下特点
（ 1）高冗余度
（ 2）高存储容量
（ 3）非常高的数据传输速率和很快的存取时间
（ 4）可进行并行内容寻址超分辨率存储
包括光学系统超分辨技术和介质超分辨技术
目前光学系统超分辨技术的研究主要包括
（ 1） 固态浸润物镜 （ SIL）
（ 2） 近场探针记录
（ 3） 光学变迹术固态浸润物镜（ SIL）
本质是提高数值孔径。
缺点是固体浸润物镜系统需要超净的工作环境，并且记录层与光学头之间不能有盘基或保护层。
)(
)(
2 bNAnNA
an N ANA
a i re f f
a i re f f
近场探针记录
将光纤的顶端拉伸具有微小孔径的探针,使光束只能从光纤微小孔径内射出 。 当探针头与记录层表面的距离小于半个波长时,光束不发散而获得微小的记录光斑 。
缺点是固体浸润物镜系统需要超净的工作环境，并且记录层与光学头之间不能有盘基或保护层。射出的光线的光强较弱，探测时需要使用光电倍增器件来获取信号。
光学变迹术
利用在光路中加一个挡光板，使读出系统空间响应频率的改变，
从而减小读出光斑。
缺点是背景噪声大。
1.1 信息与信息存储
1.2 光学信息存储的一般特点
*1.3 光学信息存储技术简介
1.1 信息与信息存储
信息的量化
（ 1）消息具有不同的形式，例如：符号、
文字、话音、音乐、数据、图片、活动图像等。
（ 2）信息可被理解为消息中所包含的有意义的内容。
（ 3）消息中的信息量与消息发生的概率紧密相关，消息出现的概率越小，则消息中包含的信息量越大。
信息的量化
（ 4）信息量 I=-logaP(x)，当 a=2时，信息量的单位为比特 (bit)
（ 5）若干个互相独立事件构成的消息，所含信息量等于个独立事件信息量的和。
（ 5） 每个二进制码元规定含有 1bit信息量。
（ 6）信息传输速率定义为每秒钟传递的信息量，单位是比特 /秒，或记为 bit/s。
信息存储的一般要求
（ 1）首先是容量（或密度）、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）、误码率和噪声特性、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、功耗和热散耗要求等；
（ 2）对包括存储器件在内的整个存储系统的要求以及系统可靠性及是否可拆卸。
（ 3）器件和系统的成本
1.2 光学信息存储的一般特点
（ 1）存储密度高理论上，光学存储的面密度为 1/?2，体密度为
1/?3。
（ 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 2~3年，而只要光存储介质稳定，寿命一般在 10年以上。
（ 5）非接触式读 /写信息用光束读写，不会磨损和划伤存储体，
而且使存储体可以自由拆卸、移动和更换。
（ 6）信息价格位低
1.3 光学信息存储技术简介
1.3.1 光盘存储
（ 1） 光盘存储技术
（ 2） 光盘的类型
（ 3） 光盘存储器
1.3.2 光存储技术研究进展光盘存储技术
光盘存储的原理：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微小的光照微区（直径为光波长的线度，即 1?m以下），使光照部分发生物理和化学变化，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，
可以实现信息的存储。
光盘系统基本原理电子显微镜照片光盘扫描电子显微镜照片光盘的类型
按存储功能主要可划分为三种
（ 1） 只读存储光盘（ ROM）
（ 2） 一次写入光盘（ WORM或 DRAW）
（ 3） 可擦写光盘
按记录介质的特性主要可分为三种
（ 1）磁光型（ MO）
（ 2）相变型（ PC）
（ 3） 有机光色或光子选通介质（ OP）
有机光色或光子选通介质（ OP）
利用许多有机化合物吸收光子能量以后产生的光学特性的变化实现信息的写入与读取或擦除。
只读存储光盘（ ROM）
只读光盘存储是目前应用最广泛的光信息存储技术 。 它包含光信息读出技术,
数据处理技术 （ 编解码和检纠错等 ）,
以及母盘制造和盘片复制技术等 。
只读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,然后进行大量模压复制 。
大多数 CD光盘和 LD光盘都属于此类。
母盘制造与盘片复制一次写入光盘 (WORM或 DRAW)
一次写入光盘主要利用激光的热效应
在一次写入的光存储系统中，聚焦直径不到 1?m,功率 12mW（典型的一次写入光盘到达记录介质膜面的功率）的激光束，
在光盘记录介质膜面产生的平均能量密度达到 1.6*1010W/m2。如此高密度的能量被膜面记录层吸收后使膜面性质发生改变或破坏。激光束在不到 1?s的时间内把光照微区的膜层温度升高数百甚至上千摄氏度，
最终形成结构稳定的不可逆的记录信息符。
一次写入光盘 (WORM或 DRAW)
其典型的记录方式有如下几种：
烧蚀型
起泡型
熔绒型 /纹理型
光致变色型（包含合金型）
相变型烧蚀型
利用激光的热效应，
使光照微区的膜层熔化，在表面张力的作用下产生一个稳定的信息凹坑。记录介质具有较低的熔点、热扩散能力差起泡型
起泡型一次写入光盘记录介质为三层结构。
表面是柔性好熔点高的金或银薄膜，它蒸镀在透明的染料 ——
聚合物层上面，第三层是反射层和保护层。
当染料层受到聚焦激光束照射是形成气泡，
使上层薄膜隆起，与周围介质形成反射率的差异，从而实现信息的记录。
熔绒型 /纹理型
熔绒型一次写入光盘是用离子束加工记录介质的表面，使之形成绒面结构，或采用真空沉积方法使之形成微形龟列形状。当受到聚焦激光束照射时，这种绒面膜层吸收光能后，使绒面状结构层熔化成镜面状表面，使反射率变化，
从而实现一次写光记录。
光致变色型（包含合金型）
光致变色记录介质有很多种，分为有机与无机两大类。其特点是在光照记录微区时，
记录薄膜将从一种光学状态变化到另一种光学状态，从而实现数据的写入。
相变型
存储介质多用硫属化合物或金属合金制成薄膜，利用激光的热效应和光效应使被照微区发生相变。这种相变可以是从一种非晶相变到另一种非晶相，从一种晶相变到另一种晶相或是从非晶相变到晶相。
可擦写光盘
包括可擦重写光盘（ RW）和直接重写光盘
（ DOW）
可擦写光存储材料
（ 1） 磁光型（ MO）
（ 2） 相变型（ PC）
（ 3） 其它处于研究中的新型光记录材料磁光型（ MO）
磁光型存储介质的必要条件是具有磁各向异性，
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。
相变型（ PC）
记录时，高功率密度
（ P1）激光束脉冲以较高的温度加热晶态介质，晶态将快速转变为具有低反射率的非晶态，称为写入态；
擦除时，功率密度较低（ P2）的激光束脉冲加热非晶态介质，
以回复到较高反射率的晶态，称为擦除态。
相变光盘直接重写与读出原理图新型可擦写光存储材料
光致变色光存储材料
电子俘获光存储材料
生物分子光存储材料光盘存储器
光盘存储器包括提供高质量读出光束和引导检索的光信号的精密光学系统，产生信息读出信号、再现盘片格式化地址和检测光盘聚焦误差信号及跟踪误差信号的电子学电路，以及实现光束高精度跟踪的伺服控制系统。这里只重点介绍光盘存储器的光学系统（ 单光束光学系统 和 双光束光学系统 ）。
单光束光学系统
单光束光学系统的结构比较简单且已基本定型，其差异仅在于伺服
（自动跟踪自动调焦）方法、
分光元件结构及读出信号的提取方式不同。
双光束光学系统
双光束 光学系统是为了使光学头同时具有写 — 读或擦 —
写 — 读的功能，
或不同介质的特殊要求 。
界面耦合 — 分光棱镜双光束光学系统
其核心部分是耦合 — 分光棱镜；它有耦合整形棱镜与一个 450直角棱镜胶合而成。图中 3是胶合面，在 4,6两面各胶合 1/4波片光存储技术研究进展
三维光存储
超分辨率存储三维光存储
三维光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
全息存储页面存储
采用双光子吸收的光致变色材料。
优点：可避免层间串扰，实现整页数据并行数据写入和读出。
缺点：在速度上的提高受到制约。读写设备需要安置与于精度较高的 XYZ
三维工作台，而目前这种设备体积庞大且昂贵，
多层存储
采用双光子吸收的光致变色材料。
这种方案的主要问题是跟踪和伺服控制。因为只有顶面和底面可以提供用于聚焦和跟踪的伺服信号，如何有效利用该信号实现各层信息的正确读写是这一方案的关键。
多色存储
多色存储是运用不同感光波长的染料实现多层记录。
由于各分子的吸收带有重叠，
会造成不同波长记录层之间的串扰。
全息存储
全息存储的原理
全息存储有以下特点
（ 1）高冗余度
（ 2）高存储容量
（ 3）非常高的数据传输速率和很快的存取时间
（ 4）可进行并行内容寻址超分辨率存储
包括光学系统超分辨技术和介质超分辨技术
目前光学系统超分辨技术的研究主要包括
（ 1） 固态浸润物镜 （ SIL）
（ 2） 近场探针记录
（ 3） 光学变迹术固态浸润物镜（ SIL）
本质是提高数值孔径。
缺点是固体浸润物镜系统需要超净的工作环境，并且记录层与光学头之间不能有盘基或保护层。
)(
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2 bNAnNA
an N ANA
a i re f f
a i re f f
近场探针记录
将光纤的顶端拉伸具有微小孔径的探针,使光束只能从光纤微小孔径内射出 。 当探针头与记录层表面的距离小于半个波长时,光束不发散而获得微小的记录光斑 。
缺点是固体浸润物镜系统需要超净的工作环境，并且记录层与光学头之间不能有盘基或保护层。射出的光线的光强较弱，探测时需要使用光电倍增器件来获取信号。
光学变迹术
利用在光路中加一个挡光板，使读出系统空间响应频率的改变，
从而减小读出光斑。
缺点是背景噪声大。
