(光存储原理与应用)第五章海量光存储技术ppt课件.ppt

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1、第六章 海量光存储技术,海量：超高密度,电脑存储从1Mb到2Tbit，2百万倍的历程,1950 年 盘式磁带=1万张打孔纸,1960年出现，73年商用 700K-1M容量,IBM 世界上第一台PC 8英寸软盘 1.2M 1967年,70年代-90年代 8英寸-3.5英寸软盘 1.2M,1978年 世界上第一张光盘,1982年SONYCBSSONY荷兰飞利浦与POLYGRAM 四家公司共同推出CD音频播放机，当时售价16.8万日元,紧接着DVD大量普及了，一张双层DVD容量可达8.5Gbit,今天蓝光DVD产品大量上用了，容量可达50Gbit,InPhase Technologies公司日前宣布

2、已经开始量产并销售全息存储驱动器和300GB容量的全息光盘(HVD)，其中驱动器“Tapestry HDS-300R”要价18000美元，300GB容量的全息光盘也高达180美元。,电脑存储从1Mb到2Tbit，2百万倍的历程,根据InPhase给出的设想图，全息光盘的容量在今年将提高到1.6TB，同时将写入速度提升至120MB/s，也就是说在容量提升的同时存储时间并不会变长 。目前由于价格昂贵，目前的用户只有一些政府机构和大型企业，其中包括美国地质调查局、洛克希德马丁、时代华纳旗下的Turner Broadcasting等等，而德意志银行、欧洲航天局、西门子医疗、大众汽车等也都有意向采用这种

3、新技术。我们从选用新技术的机构和企业也能看出，全息光盘的一些主要用途：高清晰度的视频、重要数据、医疗档案和大型数据库存档。,光存储,传统光盘：CD、DVD,蓝光：BD、HD-DVD磁光存储全息三维存储近场超分辨存储双光子吸收三维存储蛋白质光存储,海量光存储技术,近场光存储双光子存储：单张光盘几Tbit蛋白质存储：50Tbit,除了光存储，这些技术也是一切为突破瑞利判据而做出努力的应用成果例如显微成像,光存储技术性能的提高,提高存储密度 -增加存储维度：传统光盘面存储三维体存储：全息存储（依靠空间光调制） 减小读取光斑尺寸：瑞利判据: D=1.22/NA 减小波长或增大数值孔径提高信号读取速度增

4、加信息的传输速率-Parallel Access并行读写(Digital holographic storage),超分辨光存储,固态浸没透镜探针式存储近场扫描超分辨近场结构,近场光学及近场存储,入射光束遇到小孔将发生衍射，衍射可以分为近场和远场两部分，一般的衍射理论讨论的都是远场的衍射现象。如果在近场，并与光孔尺寸相当的范围内，光束的直径非常接近光孔的尺寸，如果光孔小于光的远场衍射极限，那么在近场范围内，光束的直径将小于光的衍射极限，如果存储媒介能够逼近到这样的近场区域进行扫描，就可以获得横向分辨率突破衍射极限的光斑聚焦。 人们观察物体在远场 近场距离物体仅仅是几个波长或更小的区域。 远场近

5、场至无穷远，观察距离远远大于小孔直径。,光纤探针就是近场光学的一种,思路：如果将光斑尺寸缩小，那么在它未来得及展开前应用，就能实现超越瑞利判据的聚焦,思考：如何将光斑尺寸缩小？,探针式存储,已经获得了60nm大小的超分辨聚焦光斑，但该方式的缺点是信噪比不高。且光能量损失较大。探针与记录介质间测距难，因此读写速度很慢。,除了存储，近场光学最大的用途是显微镜。扫描电子显微镜、原子力显微镜和近场扫描显微镜是纳米技术得以发展的最大推动力。,蚊子触角,甲虫的皮肤,思考,除了探针的方式，能否想办法，将常规透镜聚焦的光斑尺寸缩小？,油？,怎么用于光存储？,？,无论你做什么 总有一位亚洲人做得比你好,能否继续

6、减小光斑尺寸？,SIL的工作原理,最小125 nm的分辨,Philips开发的SIL存储原理图,由于大数值孔径光聚焦后，仅在非常小的范围内维持良好聚焦状态，之后快速发散。因此技术的难点在于透镜厚度，必须精确控制，要求控制误差小于0.2微米。这在批量生产中式非常难的。,光致变色存储&双光子存储,双光子吸收：介质中的分子同时吸收2个光子，通过一个虚拟的中间态而被激发到高的电子能态。双光子激发过程的速率正比于入射光强度的平方，故两个光子必须在空间和时间上都相互叠加，在光强度极高的光束聚焦区域才能引起双光子吸收。,双光子吸收是一种非线性效应，对非线性效应来说，都要求光强极高的情况才能发生。因此常规情况

7、下是很难看到这类现象的。以能量守恒来看，两个红光分子被吸收，则将发射一个蓝光光子。,双光子吸收是非常重要的光学原理。最典型的应用是生物光学，我们知道红外光对生命体影响最小，因此用红外光作用生命体，经双光子吸收作用后，发出可见波长的荧光被探测。这里我们将把双光子吸收用于光存储,弱光在介质中符合叠加原理 线性光学,强光在介质中不符合叠加原理 非线性光学, P与 E 成线性关系,式中,对各向同性介质,极化强度, 介质的电极化率, 当电场强度 E 不太大时（弱光）,*非线性光学简介, 当电场强度 E 很大时（强光）, E 和 P 呈非线性关系, 线性极化率, 二次（阶）非线性极化率, 三次（阶）非线性

8、极化率,可以证明，各次极化率间有如下关系：,各向异性介质中，极化率是张量，P 和 E 的关系,较复杂，这里不再做介绍。, 对普通光,E 10 4 V/m，,高阶项不重要，只留第一项，是线性效应。, 对激光,E 可很容易达到并超过10 8 V/m,出了各种非线性效应。,此时第二项,就不能忽略了，,此时,展迅速，并很快形成为一个专门的新兴的学科。,1961年弗兰肯（P.A.Farnken）等首先观察到,光学倍频这一非线性现象。,此后，非线性光学发,介质就表现,下面举例介绍几种常见的非线性光学现象：,一. 倍频效应,由极化强度 P 中的第二项0（2）E 2引起的,若 E =E0 cos t，,第二项

9、 0（2）E 2 = 0（2）E02 cos2 t,= 0（2）E02/ 2（1+cos2 t）,第一项 0 （1）E = 0（1）E0 cos t,原有频率,二阶非线性效应：,则, 光整流效应：, 二倍频现象：,用途广, 使不可见光可见光（改变光颜色）；, 可提高产生所需频率激光的效率。,钕,易获高功率,应用：,例如：,P 中的直流成分表明，光照晶体,可在晶体的某两个表面间产生直流电压。,不可见,可见,演示,激光倍频（KG045）,由二极管泵浦的Nd:YAG激光器产生的二倍频激光（532nm）装置,设输入两束光 ，角频率为 1 、 2,总场强 E = E10 cos 1 t + E20 co

10、s 2 t,（2）E2 = （2）（E10 cos1t + E20 cos2t）2,二. 混频效应,= （2）E102 /2（1+cos21t）+ +（2）E202 /2（1+cos22t）+ +（2）E10 E20 cos(1+2)t + cos(1-2)t ,则二次项：,波区的强光辐射。,和频与差频能获得更多频率的相干强光辐射。,例如，利用和频可产生可见光至紫外的强光辐射，,而用差频则可产生波长较长的红外至亚毫米段微,思考：根据前述关系，如何构造一个基于双光子现象的数字信息读取系统？,思考：双光子吸收如何用于光存储？,原因一：双光子吸收过程被局限在焦点附近很小的区域（体积为3数量级）：由于

11、作用范围非常小，对光存储则存储媒介中任何一点用于存储时对相邻点都几乎没有影响。这样，可发展三维的光存储。即同一张光盘，分层记录，这种技术普通光盘也能用，但一般最多用两层。但双光子吸收，目前已在0.6毫米的厚度上记录了100层。,双光子吸收与单光子吸收作用比较,（a）在单光子激发机制下，样品中光所经之处皆受到激发。 （b）在双光子激发机制下，仅在光束聚焦断面产生激发。,双光子吸收如何用于光存储？,原因二：介质发生双光子过程后，其材料分子的理化特性都会发生改变，从而记录了一个信息位。信息仅仅存储在两光束相交的地方，使三维体积中任何一点都能独立寻址。,思考：根据前述关系，如何构造一个基于双光子现象的

12、数字信息读取系统？,双光子吸收光存储,双光子光致变色反应是A 态吸收两个光子1发生光致变色反应,转变为B 态。任何一个光子1 都可以穿透存储介质( A 态) 而不被吸收,只有当两个光子聚焦于一点,双光子能量共振叠加时才会导致光致变色反应发生(转变为B 态) , 从而将信息“1”存储在聚焦点处。读出时一般使用较长波长(大于1 ) 的激光对存储介质进行扫描,处于状态“1”( B 态) 的分子在该波长激光的照射下会发出荧光, 而处于状态“0”( A态) 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读出被存储的信息。,由于在光强度极高的光束聚焦区域才能引起双光子吸收双光子吸收光存储通常使

13、用脉冲激光器，单脉冲峰值功率极高。,中国科学技术大学&清华大学的双光子吸收光存储研究,分色镜,双光子,技术最新动向,2009年8月24日消息，据国外媒体报道，以色列Mempile公司近日实现了在单面光盘记录1000GB(1TB)数据的记录，这一技术被称作“TeraDisc”，主要用于企业的数据存储，以及数字设备。目前DVD及新一代光盘采用的多层化技术，最多只能实现1020层。单/双层蓝光盘片具备25GB/50GB的数据存储空间，可以录制24小时的高清视频。目前容量最大的蓝光光盘已经达到了200GB。Mempile公司通过采用名为双光子吸收的非线性光学效果实现了多层化，0.6毫米厚的记录材料可以

14、容纳100个记录层，用红光记录读取。Mempile宣称，用蓝光技术可实现5000GB(5TB)的存储容量。Mempile有望在18个月内完成原型产品，并且在次年第一季度上市，光驱的价格并不便宜，将达3000美元，600GB的光盘售价3060美元。相比之下，目前市场上1000GB的硬盘零售价格为400美元。,双光子吸收光存储的缺点,读写使用空间打点式的三维寻址方式，因此难以实现高速并行的无机械运动寻址。由于材料稳定性和室温寿命的问题，技术稳定性还有待提高,蛋白质光存储,是否听起来匪夷所思？蛋白质怎么能用于光存储但事实上这正是光存储领域最尖端的研究，能实现50Tbit单张光盘的存储容量,任何一种设

15、备，只要能够稳定表达出“0”、“1”两种状态，就可以实现数据运算和存储功能。所以未来等待你去创造,什么蛋白能用于光存储？,bacteriopurpurin 菌紫素（bR）最早发现沼泽为内一种嗜盐微生物体内的隔膜 其特性是能吸收光，产生化学能量，且维持很长时间,工作基本原理,蛋白质存储的最基本单元是从细菌中抽取出来的Bacteriorhodopsin（噬菌调理素），它是一种能以多种化学状态稳定存在的有机分子，这种有机分子可以有多个不同的状态，而每种状态都对应不同的光吸收率。这样通过光技术的帮助，我们就可以很容易检测出特定位置的分子处于何种状态，如果从中挑选出两种状态，一种设定为二进制数“0”，另

16、一种设定为二进制数“1”，这样就实现了数据的表达。例如可以将基本状态识别为0，而任何的状态变化都识别成1。如果要对数据进行读取，我们只要通过检测分子状态即可；如果要将数据写入到相应的存储设备中，也只要借助光技术来改变这些分子的存在状态即可。这样，一套蛋白质存储方案由此建立。,技术优势,标准硬盘 = 80 Gb-1Tbit 蓝光= 50 Gbit HD-DVD = 30 Gbit 蛋白质 DVD = 50 Tbit 写入读出速度高于现有任何存储技术 几个皮秒 vs.几个纳秒,分子电子学,自上而下的技术：半导体集成技术集成光电子学现有的计算机、电子产品都基于该技术自下而上：逐个分子（原子）操控的技

17、术分子电子学未来的技术？,液晶（LC）是分子电子学最成功的实用。依靠外加电场可以控制每个液晶分子的空间取向，进而控制透射光的大小,蛋白质光存储,美国印度裔教授V Renugopalakrishnan 提出和发展，并率先用于海量光存储。原始状态蛋白质的状态持续只有几小时或几天，但Renugopalakrishnan教授通过改变其DNA的方式，使bR所产品的状态变化能够延长至几年以上。而且，他们还通过工程方式使噬菌调理素在高温度，高存储量的时能够保持比较稳定的状态。新型基于蛋白质的DVD的存储容量将是蓝光光盘的20倍，并且最终将达到50000GB容量。这种新型蛋白质DVD的好处是，它存储信息仅需要

18、几纳米的空间，所以理论上可以集成数以万计的蛋白质在DVD，CD或者胶片上。,蛋白质存储工作原理,信息写入：580nm绿光与680nm高 功率红光相遇位置，分子被激活。绿光或红光单独照射区域分子不能激活；信息读取：580nm绿光与680纳米低功率红光相遇，如分子被激活，红光透过率高，分子未被激活，红光透过率低。此时如单独红光照射，无论分子是否被激活，红光透过率均相同。信息擦除：420nm蓝光照射，被激活的分子复原到初始状态，信息被擦除。,蛋白质存储设备的原型。从外观上看，这种设备只是一个尺寸为112英寸的透明立方体，其内装满了 Bacteriorhodopsin有机分子和用于固定这些分子的惰性透

19、明胶化体。两束激光产生设备紧挨着该立方体放置，其中一束高功率红色的激光（680nm）将垂直地经过立方体，另一束黄绿色激光（570nm-630nm）则水平地经过该立方体，在每束激光与立方体之间都有一个LCD显示屏。工作时绿色的激光照射一个垂直的薄切片，该切片也被称为“存储页”，绿色激光所起的其实是选址的作用；红色激光则用于数据的写入，它可以将显示在LCD上的图样直接投射到立方体介质上。这样，被红色激光和绿色激光照射的部分就会形成一个交叉区域，该区域内的Bacteriorhodopsin有机分子将会因此发生状态改变， LCD上显示图样所表示的二进制数据就这样被保存下来。至于那些只被绿色激光或只被红

20、色激光照射的部分，则不会发生任何的改变。,如果要将数据读取出来，就需要一个CCD探测器的帮助，该CCD探测器被安置在红色激光照射方向上、位于立方体的另一侧。如果只有红色激光照射，所有分子的光吸收率相同，CCD就无法探测到有什么异常；当绿色激光也开始照射时，两种色光交叉区域的有机分子会表现出不同的光吸收率特征，CCD探测器可以精确探测到这些特征并将它们转变为二进制电信号，并传给计算机系统，由此完成一个存储页的数据读取。但注意与写入时唯一的区别是此时使用红光为低功率光，不会再次对蛋白质特性有影响，而只起到“读取”信息的作用。,如果只用一束波长410430nm的蓝光照射，蛋白质的化学状态改变会被还原

21、，即起到信息擦除的作用。擦除光路和绿光写入公用一个光路，即此时蓝光擦除也是靠计算机控制，有选择的寻址擦除。可以实现部分擦除，即象硬盘一样，在同一地址可以反复多次执行复制、剪贴和删除等操作。,实际系统照片,注意，寻址光使用570nm绿光效果最佳，但很多情况使用效果不算好的630nm黄光，是因为黄光激光器便宜。图中红光使用双激光输出再混合目的是为了消除激光器固有的相干特性,蛋白质存储目前的障碍,从技术上讨论，蛋白质存储还很不成熟，原型产品基本无法稳定工作，原因在于那些把蛋白质凝聚在一起的聚合胶化体非常容易分解，在接受一定量激光照射后，聚合胶化体就无法继续起到固定Bacteriorhodopsin有

22、机分子的作用，存储系统自然无法继续工作。再者，生物异变将会影响蛋白质的光化学性质，导致存储的数据无法保持稳定。显而易见，解决这些问题需要花费大量的时间精力，不过幸好，业界对于生物存储并没有迫切的需求，我们还有足够的时间让它慢慢从概念到原型、再从原型进入实用化开发。,蛋白质分子学的前沿？,由于尚处在基础研究阶段，蛋白质存储的优点并未十分明了，不过我们知道它的存储密度和速度都将优于现有的硬盘技术。首先是具有很好的温度适应性，可以在很宽的温度范围内工作、远比半导体存储器优越；再者，基于蛋白质构建的特性让它的生产成本极其低廉，一旦进入实用化便很容易为用户所接受。不过，蛋白质存储最为人看重的地方还是其生

23、物特性。早在20世纪70年代，科学家就发现可以利用DNA的不同状态来代表信息的有或无，而DNA分子的生化反应可以用来表示一个二进制数据的运算过程，由此萌生DNA生物计算机的概念。理论上说，生物计算机在10皮秒时间内就可以完成一则运算，比人的思维速度还快出 100万倍，而它的能耗相当低，仅仅是现有电子计算机的十亿分之一。更重要的是，生物计算机可以同人体直接联结，让每一个人都拥有与生俱来的庞大知识获取能力，这显然意味着人类社会的超高速进化。有鉴于它的巨大意义，相当多的科研机构都进行这方面的基础研究，作为生物计算机系统的一环，蛋白质存储可以说是进度最快的部分，当然，它距离严格意义上的生物存储还是有一

24、段距离。,其他海量存储技术,在海量光存储技术里，五花八门的技术时有报导，在光存储展览会里，你会看到数不清的新光盘，而且他们的容量都直接以“蓝光”为单位，经常称实现了10-1000张蓝光光盘的容量。单位里蓝光以50Gbit容量为标准。,波长与偏振复用存储（32倍蓝光）,斯威本科技大学的研究人员Min Gu及其同僚通过在光盘内加入纳米粒子成功地在光盘里记录下了数据，这个过程里研究人员不但采用了多重波长的光，同时也利用了光线本身的偏振。这种方式可以有效地让一张光盘的特定部分以5倍“规模”获得数据，同时在一些案例里不同存储层之间会在顶部相互形成多重偏振，实现这些条件并不需要额外增加光盘的尺寸。 目前的

25、蓝光和DVD光盘仅在固定长度和宽度的基准空间尺寸上记录数据，而且也只采用了单一波长的蓝光或者红光来进行读写，这也是斯威本科技大学新研发出来的技术可以数十倍甚至上百倍提升光盘容量的原因所在。不过光有容量没有速度的话这种新型光盘技术显然还缺乏足够的竞争力，斯威本科技大学方面也提醒该项技术还需要进一步改进以提升光盘写入速度。尽管这项技术商用的前景仍不明朗，但是据称三星已经和斯威本科技大学方面达成了相关商用协议，并且可能最终会依靠这项技术推出光盘和光驱产品。,激光改良技术（40倍蓝光）,日本京都大学的科学家宣布他们在激光领域的研究又取得了重大的突破，他们找到了一种不需要改变激光波长就可以得到更细激光光束的方法，这对于提高光盘容量具有重大的意义。,光存储技术的脚步,CD/VCDDVD（同时出现磁光存储）蓝光、HD-DVD全息存储下一代：超分辨存储（固体浸没透镜、探针式、super RENS)；双光子存储；蛋白质光存储等衡量一项光存储技术是否具有优势的判据是：存储密度是否高和读取速度是否快，两者缺一不可。此外寿命、成本、稳定性都是关键考察因素。,通过本节可了解的光电概念,近场光学成像（超分辨）双光子现象光存储技术的本质,