光信息技术在信息存储中的探讨

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摘要：近年来，光信息技术取得了很大的进展，并且应用范围愈来愈广，关注程度愈来愈高。信息化时代下，信息存储需求较以往有了很大的提升，这也从一定程度上促进了光信息存储技术的发展。相对于传统存储技术而言，光存储技术容量大、密度大、保存时间长，并且生产成本较低，具有极大的优势。其中全息存储、近场光学存储、多阶光学存储等已经在某些领域中已经得到了应用。基于此，本文对信息存储技术进行了综合性阐述，并对光信息技术在信息存储中的应用进行了探讨，以供参考。

关键词：光信息技术；信息存储；发展趋势；介质

1.传统存储技术概述

目前，传统存储技术主要包括半导体存储、磁存储及光盘存储等，具体如下：（1）半导体存储。半导体存储的主要信息载体是半导体集成电路，按功能可分为RAM（随机存取存储器）与ROM（只读存储器）[1]，按照存储原理可为动态存储器与静态存储器。以下为各类型半导体存储器的特征：（2）磁存储。磁存储是上一代主流的存储技术。目前，磁存储技术依然具有一定的应用范围，如磁带便是典型的磁存储介质。磁存储技术主要通过磁致电阻效应进行读写。磁致电阻磁头是核心构件之一。它的电阻会随着磁场的变化而逐渐改变。通常情况下，磁存储都采取分离式设计，写入由感应磁头完成，读取由磁致电阻磁头进行。相对而言，磁存储具有较好的稳定性，但如果存储密度较高，则会对稳定性产生一定程度影响[2]。记录时，可通过感应式薄膜磁头将信息写入磁盘当中，读取过程则由巨磁电阻磁头完成。从发展角度来看，磁存储技术已经不能跟上当前信息存储需求，其应用范围也会变得愈来愈窄。（3）光盘存储。光盘存储依然是当前较为主流的信息存储方式。以写入方式进行划分，光盘存储又被分为ROM、WORM及RW[3]。其中ROW最为常见，只能从光盘上读取已经记录的信息，但无法将新信息写入其中或修改原本已经记录的信息。其主要存储介质材料为偶氮化合物等有机化合物。RW可进行重复读写，成本相对偏高。与其他传统存储技术相比，光盘存储还是具有一定的优势。首先，光盘存储信息容量较大，具有较高的数据存储密度，保证了存储的质量，且便携性较好。例如，新型的蓝光光盘尺寸不会超过0.2um，其容量超过10G[4]。在系统集成作用下可使其容量达到PB级水准，具有良好的适用性。其次，成本较低，制作工艺较为简单，制作效率高。另外，光盘存储较为稳定，信息保存时间长。正常环境下，光盘信息数据保存时间可超过100年。但随着新型存储介质如SSD(SolidStateDrives)的出现，光盘存储会市场会受到一定程度冲击，未来可能会被逐渐替代。

2.光信息存储技术分析

随着计算机技术与信息技术的不断发展，极大程度上扩充了信息流通量，并给信息存储带来了新的要求。除了扩增容量外，还需要保证信息读写速度及稳定性。光信息技术的发展为信息存储优化带来了新的途径。

2.1全息存储

全息存储是目前较为成熟的光信息存储技术之一。该技术是基于全息照相技术实现的。其最大特征便是具有超高的存储密度及存储容量。在控制芯片作用下，全息存储总容量可达1*10^3T，较半导体存储介质及传统光盘而言，具有明显优势。另外，全息存储以页作为读写单位，不同页面单位可对数据进行同时并行读写，存储速度极为迅速，信息传输速度高达1G/s,且随机访问时间低于1ms。体全息存储是一种具有代表性的全息存储技术。该技术基于激光干涉实现。体全息存储中记录体中涵盖了每一个信息位。记录介质上不存在同信息位所对应的记录单元。因此，体全息技术存储过程中要先对数据信息进行编码处理，获取对应的数字数据流。然后，以页为单位将所获的数据流输送至SLM上，并通过光学干涉图样将相关信号记录于感光材料上。干涉图样是经过两束激光相互干涉形成。这两束激光由一束激光分离所得，特征相同。其中一束激光为参考光，另外一束激光在SLM作用下[5]，会成为信息数据载体而作为物光存在。干涉图样会对感光材料产生作用，使其发生化学变化或物理变化，从而改变材料的折射率、吸收率及厚度，让干涉图样被存储。读取时，通过相同光速的激光对存储介质进行照射，并将光信号转变为电信号，以获取存储信息。当然，全息存储要实现商品化还有很长一段路要走，但它的存在为信息存储体系发展带来了一条新的途径。

2.2近场光学存储

近场光学源于上世纪80年代，它的出现使得光学分辨极限产生了革命性的突破，给相关领域发展带来了巨大支持。近年来，近场光学技术被逐渐应用于信息存储当中，其关注度也愈来愈高。对于信息存储而言，其首要目标便是提升存储密度。由于目前的光学读写、磁光学读写都会受到衍射极限限制，所以利用较短的激光波长对存储密度的提升效果并不理想。然而，近场光学则构建出了一种新的方式，有利于提升存储密度。相关研究表明，以Pt/Co多层磁光膜作为存储载体[6]，并利用近场磁光偏转方法进行数据信息记录，其密度可达45Gbits/inch2。目前，近场表面等离子增强散射、近场二向色法色法等技术都有了显著进步，为近场光学存储提供了有力的技术支持，使得整个技术体系愈加成熟。固体浸没透镜技术是近场存储技术的重要分支。固体浸没透镜技术以高折射率的固体浸没透镜为核心所构建，经过其聚焦作用，可将激光能量传递于存储介质中。其存储容量与光学头系统存在密切联系，提升光学头孔径，可有效降低辐照光斑尺寸，使光学存储容量提升。为保证隐失场耦合强度达到要求，光学头与存储介质之间的距离要控制在0.1倍波长范围内。实际应用过程中，盘旋转的稳定性会对光学头与存储介质之间的距离产生直接影响，进而造成光学元件出现波动，而降低光通量输出与光学分辨率。目前，近场光学存储技术普及的最大瓶颈在于固体浸没透镜的质量要求较高，并且制作工艺较为复杂。如果能对相关工艺进一步优化，并保证固体浸没透镜质量，近场光学存储技术将会得到更大的应用空间。

2.3多阶光存储

早期多阶光存储以坑深调制为代表，其中Cialmeitrcs公司研究出了具备8种不同坑深多阶只读光盘[7]，如下图1所示：图1PDM多阶技术从图中可以看出，这种结构的多阶只读光盘，信号坑宽度固定为tmin，且深度存在M种可能，代表了不同的阶次。不同深度的信息坑在光电探测器上会表现出不同光强，以实现多阶存储方案，保证了读出信号具有多阶性。相对于传统光盘相比，基于多阶光存储的光盘可大幅度提升存储容量。总体上来看，多阶光存储技术可在不改变光学数值孔径的情况下，采取相关信息处理技术与编码技术来增强数据传输效率，进一步提升存储容量及存储质量。

2.4介质多阶光存储

介质多阶光存储是由多阶光存储演变而来，诞生于90年代。早期的介质多阶光存储以电子俘获多阶技术为主。该技术基于光子效应具备了很高的反应速度，可实现纳秒级的读写。另外，利用电子俘获多阶技术可在多个能级上记录相关数据。受到市场限制，该技术并未得到普及，但为介质多阶光存储后续发展奠定了良好的基础。之后，部分结晶多阶技术成为了介质多阶光存储的代表性技术。该技术以相变材料为基础，通过对材料结晶程度进行控制来实现多阶存储。随后，清华大学光盘国家工程研究中心提出了光致变色多阶技术。该技术较结晶多阶技术根据优势，其多阶光存储系能更优。利用不同的波长光照射相关材料，会让材料化学状态发生改变，并且可实现快速逆变转换。通过两种不同的状态来表示二进制的“0”与“1”，便可实现素质存储。光致变色材料对入射光可进行选择性吸收，若采取不同的材料构建记录层，便可利用不同波长的激光进行并行读写，即可实现多波长存储。

3.光信息存储技术展望

从发展角度来看，光存储技术将逐渐替代磁存储技术，占据信息存储的主要地位。目前，光存储技术还处于发展阶段，尽管部分技术已较为成熟，但依然具有被深度挖掘的潜力，相关产品离物理极限还存在着较大的距离。当然，光信息存储技术要实现完全普及还有一个漫长的过程，在其不断发展的过程中，信息存储与处理将会相互结合，形成一个不受容量、空间、时间所限制的综合化信息系统，为用户带来更大的便利。

4.结语

光信息存储技术经过多年发展，其技术体系已逐步成熟。相对于传统存储技术而言，它具备高容量、高密度、低成本、高稳定性的特征。未来，光信息存储技术将获得更大的应用空间，并逐渐渗透到各行各业当中，值得期待。

作者:沈阳理工大学 单位:宋峤 徐晓强 冯美慧

参考文献：

[1]张美芳.长期存储的数字信息质量控制的研究[J].档案学通讯,2011,（01）:80-84.

[2]谢华成,范黎林.云环境下海量非结构化信息存储技术探究[J].制造业自动化,2012,（16）:28-30+67.

[3]木合亚提尼亚孜别克,古力沙吾利塔里甫.存储技术及其发展趋势[J].中国科技信息,2011,（10）:108+116.

[4]方晶,黄卓婷,周云.一种应用于光信息存储介质材料的吡啶偶氮苯液晶化合物的制备与表征[J].材料科学与工程学报,2013,（06）:846-851.

[5]苑继雄,顾磊,王彦鑫.浅谈光信息科学与技术及其应用[J].才智,2012,（06）:67.

[6]张小明.三维光信息存储的方法[J].电子世界,2012（,22）:96.

[7]马勇.影响光存储介质信息存储质量的因素暨提高光存储介质信息存储质量的方法[J].影像技术,2008,（06）:19-22.