【正文】 波長復用和角度復用來實現(xiàn)超高密度存儲。 2023/3/28 67 光與現(xiàn)代科技 2．全息存儲的應用 ? (1)數(shù)字數(shù)據(jù)的存儲 ? 1997年，一個集成化的角度復用全息存儲模塊 (如圖 631所示 )由 Drolet等人設(shè)計出來。 ? 該模塊包括一個 BaTios光折變晶體、一對液晶光束偏轉(zhuǎn)器 (圖中只能見到一個，另一個在晶體后面 )和光電子集成電路 (OEIC包括光電子 SLM、探測器、刷新器等 )。 圖 631緊湊型集成化的角度復用全息存儲模塊 2023/3/28 68 光與現(xiàn)代科技 2．全息存儲的應用 ? 此模塊的 優(yōu)點 是：采用共軛讀出方式，再現(xiàn)光逆向經(jīng)過信號光束記錄時所通過的路徑 (從 SLM到記錄介質(zhì) )，不需要額外的再現(xiàn)光路和成像光路；另外共軛讀出方式還校正了讀出光的線性相位畸變。 ? 其中 OEIC的每個像素都具有存儲、光探測和調(diào)制功能，它本身可完成像素之間的局部數(shù)據(jù)傳輸 (如探測器到存儲器，存儲器到調(diào)制器 )，具有動態(tài)刷新的功能。 圖 631緊湊型集成化的角度復用全息存儲模塊 (1)數(shù)字數(shù)據(jù)的存儲 2023/3/28 69 光與現(xiàn)代科技 2．全息存儲的應用 ? (2)超大容量全息存儲器 ? 人們利用體全息材料進一步研究超大容量的全息存儲技術(shù)，目前已經(jīng)發(fā)展了幾種盤式全息存儲的方案，如三維盤式全息存儲方案就是實現(xiàn)超大容量存儲的一種途徑。 圖 632分塊式全息存儲盤的示意 ? 圖 632給出基于全息存儲技術(shù)的分塊盤式全息存儲示意圖，圖中沿盤面上的同心圓軌道上劃分為互不重疊的空間位置 (全息塊 )，每個位置上復用存儲大量全息圖?？捎酶道锶~全息圖也可以用像面全息圖的形式記錄物信息，參考光采用平面波。復用方式可以是角度復用、波長復用或相位復用。 2023/3/28 70 光與現(xiàn)代科技 2．全息存儲的應用 ? 研究發(fā)現(xiàn)：角度復用和波長復用可以存儲的全息圖總數(shù)大致相同，但波長復用有著更高的面密度。 ? 全息盤潛在的高數(shù)據(jù)傳輸率不是依靠盤面轉(zhuǎn)速的提高，而是通過整頁并行讀出實現(xiàn)的，這也將相應地緩解系統(tǒng)對高速機械運動的要求。 ? 目前，激光全息存儲仍然處于研究之中，它的實用化還有一定難度。 2023/3/28 71 光與現(xiàn)代科技 激光存儲技術(shù)的新進展 ? 電子俘獲光存儲技術(shù) ? 一種適用于未來大容量計算系統(tǒng)的理想存儲器必須同時具有高存儲密度、高存取速率和長壽命三個特點。 ? 電子俘獲存儲方式可具有這些特點，它是通過低能量激光去俘獲光盤特定斑點處的電子來實現(xiàn)存儲的，它是一種高度局域化的光電子過程。理論上講它的寫、讀、擦不受介質(zhì)物理性能退化的影響。 ? 最新開發(fā)的電子俘獲材料的寫、讀、擦次數(shù)已達108次以上，且寫、讀、擦的速率快至納秒量級。 ? 因此，借助于電子俘獲材料的固有特性，可以使激光存儲密度遠遠高于其他類型的光存儲介質(zhì)。 2023/3/28 72 光與現(xiàn)代科技 電子俘獲光存儲技術(shù) 1 ? 電子俘獲激光存儲的具體過程是：當一束激光 (其光子能量在電子躍遷能量范圍內(nèi) )照射到電子俘獲材料時，材料中的基態(tài)電子被激發(fā)到高能級 E，后下落并被低能級 T處的陷阱俘獲，形成被電子填充了的陷阱，它代表二進制信息位“ l”。寫入光束中斷后，此狀態(tài)仍能保持，從而實現(xiàn)了數(shù)字光信號的存儲； ? 信息的讀出是以陷阱對電子的釋放為基礎(chǔ)的，在一束近紅外光 (其波長對應于足以使被俘獲電子逃逸出陷阱并躍入能級 E之中的光子能量 )照射下，光斑局域位置的被俘獲電子在獲得光子能量后躍遷到能帶 E中，并與另種稀土原子作用后返回到基態(tài) G，同時發(fā)射出與躍遷過程損失的能量相對應波長的光子，探測到這種光就能證實存儲單元局域位置處的陷阱被電子所填充 (存在二進制信息位“ 1”)。 ? 所以多次讀出 (或選用適當大功率光一次讀出 )會使被俘獲電子基本耗盡，這就對應于信息的擦除。 2023/3/28 73 光與現(xiàn)代科技 電子俘獲光存儲技術(shù) 2 ? 實際測量表明：電子俘獲激光存儲技術(shù)可實現(xiàn)模擬或多電平數(shù)據(jù)的存儲，利用這種技術(shù)并采用多電平信號鑒別和相關(guān)碼，可使傳統(tǒng)光盤的每面存儲容量增加至 ，若進一步將不同光譜響應度的電子俘獲材料薄膜層堆疊起來，則能實現(xiàn)三維光存儲。 ? 電子俘獲技術(shù)還有如下優(yōu)點：對表面缺陷及形貌擾動不敏感，寫／擦循環(huán)次數(shù)無限，高速度存取等。 ? 總之，電子俘獲存儲是一種相當有前途的激光存儲技術(shù)。 2023/3/28 74 光與現(xiàn)代科技 2．光學雙光子雙穩(wěn)態(tài)三維數(shù)字存儲 ? 基于高速響應、鎖模脈沖激光器的雙光子吸收產(chǎn)生了光學雙光子雙穩(wěn)態(tài)三維數(shù)字記錄方法，其基本原理是根據(jù)兩種光子同時作用于原子時，能使介質(zhì)的原子中某一特定能級上的電子激發(fā)至另一穩(wěn)態(tài)，并使其光學性能發(fā)生變化，所以若使兩個光束從兩個方向聚焦至材料的同一空間點時，便可實現(xiàn)三維空間的尋址寫入。 ? 利用材料折射率、吸收度、熒光或電性質(zhì)的改變來實現(xiàn)信息存儲。這種存儲技術(shù)的光信號是由熒光讀出，在未寫入點無熒光 (零背景 )，所以讀出靈敏度很高。 ? 由于光信號的寫入與讀取屬于原子對光量子的吸收過程，反應速度為皮秒級。最小記錄單元的尺寸在理論上可達到原子級。 ? 這種方法能實現(xiàn) Tb／ cm3的體密度、 40Mb／ s的傳輸速率。 2023/3/28 75 光與現(xiàn)代科技 2．光學雙光子雙穩(wěn)態(tài)三維數(shù)字存儲 1 ? 雙光子存儲技術(shù)的特點： ? (1)在雙光束記錄結(jié)構(gòu)中，對各光束的峰值功率要求不太高； ? (2)在單光束記錄結(jié)構(gòu)中，對光束的峰值功率要求很高，必須采用飛秒級鎖模脈沖激光器。 ? (3)存儲體的形狀可采用立方體或多層盤片結(jié)構(gòu)，以提高存儲容量。 ? (4)記錄信息的讀取，普遍采用“共焦顯微”系統(tǒng)以及CCD攝像頭。 ? (5)對于光色變材料的記錄信息可采用雙光子讀出或者單光子讀出方案。 ? (6)在光色變存儲方案中，摻雜 AF240(2％ )光色變分子 (有機聚合物 )的存儲密度可達到 100Gb i t s／ cm3以上。 2023/3/28 76 光與現(xiàn)代科技 3．持續(xù)光譜燒孔技術(shù) ? 光盤存儲通常稱為“位置選擇光存儲”，三維全息存儲稱為“角度和波長選擇光存儲”，它們的存儲密度由于衍射限制所能達到的極限是 1／ λ3數(shù)量級或 1012cm3左右，相應地 1bit信息所占據(jù)的空間含有 106107個分子。 ? 如果能用一個分子存儲 1位信息，存儲密度便能在目前光存儲的基礎(chǔ)上提高 106～ 107倍，但相應地要有適當選擇或識別分子的方法。 ? 持續(xù)光譜燒孔 (PSHB： Persistent Spectral HoleBurning)技術(shù)利用對不同頻率的光吸收率不同來識別不同分子，它有可能使光存儲的記錄密度提高 34個數(shù)量級，它屬于四維光存儲。 2023/3/28 77 光與現(xiàn)代科技 3．持續(xù)光譜燒孔技術(shù) ? 用頻率為 w0且線寬很窄的強激光 (燒孔激光 )激發(fā)非均勻加寬譜線的工作物質(zhì)，同時用另一束窄帶可調(diào)諧激光掃描該物質(zhì)的非均勻加寬的吸收譜線，則在吸收頻帶上激發(fā)光頻率 w0處會出現(xiàn)一個凹陷，這就是“光譜燒孔” 。 ? PSHB光存儲是把燒孔激光調(diào)諧到熒光吸收譜帶內(nèi)的不同頻率位置，孔就出現(xiàn)在不同的頻率上，于是以有孔和無孔分別表示信息“ 1”和“ 0”兩個狀態(tài)，用測量透射光強的方法可以檢測孔的有無。 ? 但這種“孔”是瞬時的，可用強激光激發(fā)與之共振的離子發(fā)生光化學或光物理變化，從而使“孔”能保持較長的時間，這樣就實現(xiàn)了光信息的存儲。這就是PSHB存儲技術(shù)的基本原理。 2023/3/28 78 光與現(xiàn)代科技 3．持續(xù)光譜燒孔技術(shù) ? 光譜燒孔方法有可能突破光存儲密度的衍射限制，因為光譜燒孔除了利用記錄材料的空間維度以外，還可利用光頻率維度。在光斑平面位置不變的情況下，調(diào)諧激光頻率在吸收譜帶內(nèi)燒出多個孔，可實現(xiàn)在一個光斑位置上存儲多個信息。 ? 除了 PSHB存儲信息外，還實現(xiàn)了光譜燒孔的全息存儲，全息圖的記錄是通過不同子集分子的光學特性而實現(xiàn)的。 ? Kachru和 Shen使用摻稀土的燒孔材料，在數(shù)據(jù)輸入 /輸出（ I/O）速率方面取得了突破性的進展，實現(xiàn)了以 30Hz的幀速（視頻速率）隨機讀取 500幅全息圖（每幅含有512 488像素）。這種存儲方法基于平面全息圖的存儲，如果將 PSHB技術(shù)與全息技術(shù)相結(jié)合，其應用前景將不可限量。 2023/3/28 79 光與現(xiàn)代科技 ? 除了激光光盤存儲技術(shù)以外，上述各種光存儲技術(shù)還處于研究發(fā)展階段，它們都是以提高存儲容量、密度、可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率為主要目標。從整個學科發(fā)展的角度預測，高密度激光存儲技術(shù)的主要發(fā)展將著重于： ? （ 1）最基本、有效的數(shù)字式記錄方式。 ? （ 2）進一步縮小記錄單元，近場超分辨存儲是發(fā)展高密度光存儲的一個典型嘗試。隨著精密技術(shù)及弱信號處理等相關(guān)技術(shù)的進步，光信息的記錄單元將從目前的分子團逐漸減小到單分子或原子量級。 2023/3/28 80 光與現(xiàn)代科技 ? （ 3）從目前的二維存儲向多維存儲發(fā)展。多維包含兩方面的含義：一是指記錄單元空間尺度的多維，平面存儲拓展到三維體存儲和基于光譜燒孔效應的四維光存儲；二是指復用維數(shù)的多維，用全息的波長或角度選擇性增加實際存儲的復用維數(shù)。 ? （ 4）并行讀寫逐步代替串行讀寫，以提高數(shù)據(jù)的讀取傳輸率。并行讀寫功能是體信息頁面存儲的一個固有特性，是體全息存儲被普遍重視的原因之一。 ? （ 5）改善和發(fā)展存儲系統(tǒng)的尋址方法，努力實現(xiàn)無機械尋址的實用化，從根本上解決目前難以提高隨機尋址速度的問題。 ? （ 6）光學信息存儲同光學信息處理相結(jié)合以提高信息系統(tǒng)整體性能及功能，充分利用光學特性實現(xiàn)信息存儲、傳輸、處理和計算的集成。 2023/3/28 81 光與現(xiàn)代科技 本章思考題與習題 ? 1. 激光在信息技術(shù)中有那些應用？ ? 2. 給出激光掃描器的應用實例。 ? 3. 激光打印機的基本組成是什么？其工作原理是什么？ ? 4. 激光打印機的發(fā)展趨勢？ ? 5. 激光存儲的基本原理是什么？ ? 6. 激光存儲如何分類？ ? 7. 光存儲技術(shù)與傳統(tǒng)的磁存儲技術(shù)相比有何特點？ ? 8. 激光光盤有那些類型？ ? 9. 光存儲技術(shù)的發(fā)展趨勢是什么？ 2023/3/28 82 光與現(xiàn)代科技 本章結(jié)束， 謝謝！ 2023/3/28 83 光與現(xiàn)代科技 演講完畢，謝謝觀看！