(光存储原理与应用)第五章海量光存储技术

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PC8英寸软盘1.2M1967年70年代-90年代8英寸-3.5英寸软盘1.2M1978年世界上第一张光盘1982年SONY．CBS／SONY．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50GbitInPhaseTechnologies公司日前宣布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“TapestryHDS-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TurnerBroadcasting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加信息的传输速率----ParallelAccess并行读写(Digitalholographicstorage)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——近场至无穷远，观察距离远远大于小孔直径。dd0孔直径远场可看到衍射环B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减小光斑尺寸？SIL的工作原理最小125nm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EEPer00)1(——P与E成线性关系式中1re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）3)3(2)2()1(0EEEP——E和P呈非线性关系)1(——线性极化率)2(——二次（阶）非线性极化率)3(——三次（阶）非线性极化率可以证明，各次极化率间有如下关系：，原子E1)3()4()2()3()1()2(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。E原子1010V/m对普通光E～104V/m，6)1()2()1(2)2(10原子EEEEE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108V/m出了各种非线性效应。此时第二项2)2(E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）E2引起的若E=E0cost，第二项0（2）E2=0（2）E02cos2t=0（2）E02/2（1+cos2t）第一项0（1）E=0（1）E0cost直流成分二倍频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Nd3+激光器→1.064m→0.532m绿光频倍脉冲红宝石激光器水晶片3471.5Å6943Å棱镜演示激光倍频（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=E10cos1t+E20cos2t（2）E2=（2）（E10cos1t+E20cos2t）2二.混频效应=（2）E102/2（1+cos21t）++（2）E202/2（1+cos22t）++（2）E10E20cos(1+2)t+cos(1-2)t则二次项：21激光器1激光器2晶体（KH2PO4）211+212222112波区的强光辐射。1-21221221+2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λ3数量级）：由于作用范围非常小，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λ1发生光致变色反应,转变为B态。任何一个光子λ1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λ1)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10～20层。单/双层蓝光盘片具备25GB/50GB的数据存储空间，可以录制2～4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30～60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=80Gb-1Tbit蓝光=50GbitHD-DVD=30Gbit蛋白质DVD=50Tbit•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VRenugopa