光存储技术发展趋势

摘 要随着科学技术的高速发展和人们对存储质量需求越来越高，促进了存储技术的发展。为了能够了解当前光存储技术的发展趋势，本文通过对传统的存储技术与新一代光存储技术进行阐述，对于其技术原理、特点都有了详细分析，得出了新一代光存储技术发展的必要性，具有一定的借鉴意义。

【关键词】光存储 三维存储技术 趋势

自人类诞生以来，无时无刻不在对信息记录、存储展开执着的追求，而人类的文明都是通过对信息的记录而得以保存下来，只不过在社会的发展阶段的不同，记录和存储信息的方式存在差别。从人类文明史发展的长河中，信息的记录和存储先后经历了原始社会通过岩石、绳结等常见物品记录阶段，再到以甲骨、竹简等为载体的信息记录阶段，再到东汉末年造纸术的改进后以纸为载体信息记录阶段并经历相当长时间，“信息爆炸时代”的到来，使得人们对于信息记录不仅停留在书本中，更要求有声音、图片、视频等信息记录，所以近代以来就出现了胶卷、磁带、光盘等记录方式，信息的存储容量和寿命得到了前所未有的程度。自从20世界40年代出现第一台计算机开始，信息逐渐数字化，记录单位逐渐以字节（Bity）表示，然后经历了磁盘存储、光盘存储、闪存存储阶段，随着闪存存储技术的发展和不断推广，半导体存储器得到了广泛应用。

如今应用较多的是磁存储（磁硬盘）、半导体存储（SD卡、U盘等）、光存储（光盘）三种存储方式。三种存储方式都具有明显的优缺点，所以将长期共存，对信息存储互相补充。总结起来：首先，磁硬盘存储采用磁记录方式，其记录的内容可以擦写，存储容量是三种存储方式中最大的一个，但是在受到热磁冲击的情况下容易导致记录内容消失，而且硬盘盘片无法更换，移动存储无法实现，阻碍了信息的交流和磁盘容量的升级；其次，半导体存储信息记录易擦除、体积小、存储容量小、移动存储方便，存储数据快、使用寿命长，但是受到强电场作用下记录内容容易消失；最后，光存储技术采用光学记录和读取方式，分为可擦出式光盘和不可擦除式光盘，存储寿命可以达到10年以上，移动性存储好，可更换光盘，信噪比较高，能够达到50分贝以上，价格低廉、可大量复制，相比较磁硬盘存储和半导体存储，光存储更加适合大量数据的分配和永久备份，是一种不可缺少的存储方式。

1 传统的存储技术

1.1 磁存储技术

磁存储主要是通过电磁转换的方法将电信号转换为磁信号并在磁介质中存储，需要对磁盘内容读取时，只需要利用磁头将磁信号转化为电信号。磁存储材料不同可以分为软磁材料和永磁材料，若按照性能区分可分为矩磁材料、磁泡材料、磁记录材料以及磁光材料。如电脑就是采用矩磁材料以“0”和“1”的方式记录信息。

目前，常用的磁存储技术有磁带和磁盘。其中磁带按照用途可以分为录音带、录像磁带、数据磁带、仪表磁带，录音磁带和录像磁带主要是将声音和音频信号转换为电信号而呈现出来；数据磁带是按照一定的次序存储，主要应用于离线存储；仪表磁带是为了连续自动记录信息，在遥感遥测领域应用囧为广泛。磁盘是目前应用较为广泛的存储设备，通常可以分为软磁盘和硬磁盘，软磁盘在早期电脑中应用较为广泛，随着半导体存储技术的发展，这种存储方式逐渐的被取代；然而，硬磁盘在现在的计算机中应用依然广泛，通过磁性粒子的极性记录数据信息，实现电信号、磁信号的相互转换，硬磁盘容量较大，通常能够达到几百GB到几千GB不等，外部传输速率较快，接口类型有IDE/ATA、Serial ATA、Ultra 320 SCSI、光纤、USB等。

与光存储相比，磁存储分辨率低、寿命短，但是起作用依然不能完全由光存储取代，所以在今后相当长一段时间依然会保留下来。

1.2 半导体存储技术

半导体存储器以半导体为材料、以半导体电路为存储媒介而诞生的一种存储方式，拥有双极晶体管和MOS晶体管存储器。根据存储器的写入方式的不同可以分为随机存储器RAM、只读存储器ROM、静态随机存储器SRAM、可擦除只读存储器EPROM、电可擦除只读存储器EEPROM以及动态随机存储器DRAM。

RAM和ROM是目前计算机、嵌入式电路设备中应用最广泛的，也是最基本的两种存储方式，RAM的内部是由一个晶体管和一个电容都成的最基本存储单位，电容采用“0”和“1”表示存储信息，晶体管主要使用了读取信息和更改信息。ROM在出厂时就在集成电路中写入了制定的程序，断电数据不易丢失，也无法更改其内部数据，常见的RAM和ROM有SRAM、DRAM、Flash RAM、FPMDRAM和EPROM、EEPRMOM、Flash Memory等。

1.3 传统光存储技术

光存储技术起源于上个世纪70年代，然后在1982年索尼和飞利浦公司推出了第一张数字激光唱片，制定了光盘记录计算机数据标准，进而CD-ROM得到了快速推广，成为电子设备必须的存储设备。根据存储的密度不同，光盘可分为CD、DVD、HD-DVD和BD。它们外观几乎相同，但是光盘的道数存在差异，道与道之间的间距不同。上述四种光盘，波长是逐渐变短，容量逐渐增大，CD容量为0.65GB，DB容量为25GB，数据记录点也越来越小，道间距逐渐变小，传输速率逐渐增大。从CD到BD的发展可以看出光盘的优势越来越明显，它们代表了几代光存储产业的发展。

1.4 磁光（MO）存储技术

MO盘真正投入市场是在1989年，MO盘的存储容量与尺寸大小有关，通常容量为2.5GB的MO盘尺寸为3.5英寸，9.1GB尺寸为5.25英寸。MO盘与其他普通的磁盘存在着一定的差别，首先，存储信息方式：磁光存储是采用磁场和激光同时作用来进行数据信息的存储；其次，存储原理：通过激光作用于磁材料发生热磁效应，并通过激光焦点处的光斑提供能量，实现焦点处的戒指的磁化适量和外磁场方向一致，实现信息的写入和擦除；最后，读取原理：采用的是激光作用下产生的磁光克尔效应实现，当磁化强度矢量与磁性薄膜表面呈现垂直时，线偏振光经过磁介质反射形成椭圓偏振光，磁化矢量的不同使得得到的偏振光的方向不同，偏振面偏转角度存在正负，若角度为负则反射光不通过检偏器，否则，通过检偏器，从而实现信息读取。

2 光存储技术特点

光存储技术之所以能够得到如此广泛的应用，发展迅速，其原因在于其显明的特点：

（1）光存储器容量大、存储密度高、可更换盘片、移动性好。原先的光盘存储最小信息符时占用的空间面积仅为0.6um×0.6um，而我国研制的蓝光光盘对其进一步降低，仅为0.2um×0.2um，同样的光盘尺寸能够存储更多信息，按照现有制造工艺水平，一直径为120mm的DVD光盘能够存储达9GB的信息内容，不同的存储容量能够满足各种需求。

（2）存储时间长。由于光存储采用的是激光束对密封在保护层内的记录介质进行辐照，使光盘内部发生物理或者化学变化来实现数据写入、读取和擦除。对于光盘基层和保护层材料要求稳定性非常高，所以在正常的温度下可以至少存储100年，材料的差异可能也就会导致存储年限差异。

（3）光盘生产成本低、复制工艺简单、存儲效率高。对于目前来说，一张普通的光盘售价仅为几块钱，生产成本更低，而且以现有的制造工艺，对一张光盘写入信息大概只需要1s钟时间。随着技术的不断发展，它的存储效率和生成成本将会进一步下降。

（4）由于光存储采用的是物理或化学原理实现读写信息，所以一般来说存在存储极限。但是就目前光盘的发展情况来看，这种极限还远远没有达到，随着光存储技术的进一步发展，在存储密度、容量、读写速度、寻址使劲按、功能多样化等方面将会获得更好、更快发展。新一代光盘存储技术，如多维存储技术、题全息技术、近场光学技术等在进一步的研制中。

3 一种新一代光存储技术

随着人类文明的不断发展以及科学技术发展的促使，人们对于信息存储质量要求越来越高，更大的存储容量、更快的存储速度是当前必须提高的存储媒介技术参数。针对上文中提出的磁存储、半导体存储，虽然在技术上在不断的革新，然而由于其自身的物理极限使得其难以为继；而传统的光存储技术虽然仍然存在着巨大的存储潜力，然而由于分辨率的限制、记录光点仅为波长平方，所以存储容量上难以继续提高，也已经接近衍射极限。因此新一代光存储技术的发展已迫在眉睫。

三维存储技术是由上述的二维存储技术发展而来，它的采用的是超高分辨率存储，信号的编码由原先的二阶变为三阶，波长、光子都发生实质性变化，从而突破了传统的二维存储，对信息采用立体存储，存储容量变大，存储速率变快，能够采用并行读写。下面介绍几种三维光存储技术：

3.1 体全息存储

该存储方式是采用激光干涉来实现信息的存储，在信息存储中每个信息位都分布在整个记录体中，通过对存储信息编码形成数据流，然后以页作为单位映射到空间光调制器，并以光学干涉图样的形式把整页的信号记录在感光材料上。干涉图样形成是采用物光和参考光同时投射介质上形成。光学干涉图样使感光材料发生化学或物理变化，使其在吸收率、折射率或厚度上相应的变化，就将干涉图样存储起来。体全息的记录中包含记录时物光和参考光的幅度和相位信息。读出时，采用与记录信息时相同参数的参考光照射存储介质，利用探测器接收衍射光成像，并根据接收到的光强的大小将光信号转变为电信号。

3.2 双光子吸收三维存储

“双光子”顾名思义需要两束光，并且两束光需要同时作用于存储介质上，分子通过对两个不同光束的光子吸收使得激发到高电子能态。在双光子吸收过程中不存在中间状态，双光子波长可相同也可不同，需要使存储介质的光学性能具有一定的变化。如果两束光从两个不同方向照射到材料的空间同一点，就会使材料的折射率、吸收度、电性质等发生改变，从而实现了三维空间的读写信息。

3.3 散斑复用光存储

散斑复用的基本原理是利用散斑场的随机性，以及其很好的自相关特性，即自相关的半宽度很窄，峰值下降很快。因此，只要参考光的相邻散斑场之间的相关值等于零时，就可以无串扰地存储另一幅不同的全息图，实现多重体全息图的存储。而且散斑复用同时也消除了球面波条件下所产生的衍射旁瓣。按存储材料的是否移动可以分为静态散斑复用技术和动态散斑复用技术。

4 光存储技术的发展趋势

从上文对传统存储技术以及新一代光存储技术的介绍中不难发现，各种存储技术主要的研究和发展方向都是放在存储容量、存储密度、可靠性以及数据读写速率。而更加受关注的是存储容量和读写速度。

对于新型光存储技术的发展，国内外竞争都非常激烈，然而相对国外的发展形势，国内仍然存在着一定的差距。就我国而言，目前主要是放在全息体存储蓝光存储上。其中蓝过存储技术是第三代光存储技术，将来将成为数字视频传播的主流技术。

光存储的发展趋势是：从二维光存储到多维光存储，从光热存储到光子存储，从远场光学存储到近场光学存储。具体发展方向可以关注以下方向：

（1）进一步缩小记录单元是发展高密度光存储的有效途径，最具代表性的就是超分辨率近场结构存储；

（2）采用数字式记录作为最基本和最有效的记录方式；

（3）采用并行读写逐步代替串行读写，从而提高数据的读取传输率；

（4）改善寻址方法，发展无机械寻址功能，提高随机寻址速度；

（5）加强超高密度光存储记录材料的基础研究仍是解决超高密度存储和超快速响应等问题的关键。

总之，随着技术的不断发展，光存储光存储技术在迅速发展，容量不断增大，速度不断提高。据有人估计，光盘的容量每8年提高10倍。但是光盘性能的提高远远赶不上信息科学的发展和实际需要。为此在现有技术基础上，如前所述，采用并行读写技术、阵列式结构以及光盘库等建造具有超大容量、超高速度的存储和记录应用系统是现实可行的途径。

5 结束

光存储技术将会高速发展，在存储容量、读写速度、可靠性等方面都会全面发展，尤其是光盘容量将会达到现有的8-10倍。但是随着科学技术高速发展和人们对存储质量的要求更高，光盘的性能上必然赶不上需求，为此采用并行读写技术、阵列式结构等建造超大容量、高速存储是光存储必然发展趋势。

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作者简介

郑穆（1993-），大学本科学历。任职于广东紫晶信息存储技术股份有限公司。研究方向为机械设计。

作者单位

广东紫晶信息存储技术股份有限公司 广东省广州市 510000