一文读懂光储存技术及原理

原创 传感器技术 2021-06-11 07:00

信息资料迅速增长是当今社会的一大特点。有人统计,科技文献数量大约每7年增加1倍,而一般的情报资料则以每2年~3年翻一番的速度增加。大量资料的存储、分析、检索和传播,迫切需要高密度、大容量的存储介质和管理系统。



1898年荷兰的Valdemar Poulsen发明了世界上第一个磁记录设备:磁线录音机,从此,开始了传统的磁记录应用实践。在随后的一个多世纪里面,出现了多种不同种类的磁记录设备:磁带机,磁芯存储器,磁盘等等。虽然有大量不同的磁存储设备出现,但是磁记录的基础原理仍然是上述的铁磁性材料能够保持外磁场磁化方向的特性。传统的磁记录的写入原理是将随时间变化的电信号转换为在线性或者旋转的铁磁性材料中的磁化强度和方向的空间变化,传统的磁记录读 出原理是将分布于磁性材料中的磁化方向和强度的空间变化,通过线性或者旋转运动,利用磁电转化元件,转换为随时间变化的电信号。


但是,随着记录密度的提高(目前的硬盘记录密度已经能够达到 30Gb/cm2),能够获得的感生电流的强度和信噪比已经过小,造成读入设备的误码率已经不能达到要求。计算机和信息产业的发展使越来越多的信息内容以数字化的形式记录、传输和存储,对大容量信息存储技术的研究也随之不断升温 。激光技术的不断成熟,尤其是半导体激光器的成熟应用,使得光存储从最初的微缩照相发展成为快捷、方便、容量巨大的存储技术,各种光ROM纷纷产生。与磁介质存储技术相比,光存储具有寿命长、非接触式读/写、信息位的价格低等优点。



光存储的基本原理



光存储技术是用激光照射介质,通过激光与介质的相互作用使介质发生物理、化学变化,将信息存储下来的技术。其基本物理原理是:存储介质受到激光照射后,介质的某种性质(如反射率、反射光极化方向等)发生改变,介质性质的不同状态映射为不同的存储数据,存储数据的读出则通过识别存储单元性质的变化来实现。


作为光储存方式,已有近百年的发展历史。常见的照相术就是最早的光存储技术。无论是胶片感光灵敏度、分辨率、色彩,还是照相仪器,都取得了长足的进步,不仅能拍摄静止景物,还能通过电影、电视将活动图像记录和再现。然而, 包括全息照相在内的照相术,都属于模拟光存储范畴,它在存储容量、存储密度及传输速率等方面都受到一定限制。随着信息社会的发展,特别是激光的出现和计算机的日益普及,数字光储技术开始兴起,数字光盘的诞生成为存储技术的一项重大突破。



迄今为止,绝大部分商品化光盘存储系统中所用的记录介质的记录机理都是热致效应。利用从激光束吸收的能量,作为高度集中的、强大的热源,促使介质局部熔化或蒸发,通常称为烧蚀记录。在实际操作中,一般用电脑来处理信息,因为电脑只能识别二进制数据,所以要在存储介质上面储存数据、音频和视频等信息,首先要将信息转化为二进制数据。现在常见的CD光盘、DVD光盘等光存储介质,与软盘、硬盘相同,都是以二进制数据的形式来存储信息的。写入信息时,将主机送来的数据经编码后送入光调制器,使激光源输出强度不同的光束,调制后的激光束通过光路系统, 经物镜聚焦然后照射到介质上,存储介质经激光照射后被烧蚀出小凹坑,所以在存储介质上,存在被烧蚀和未烧蚀两种不同的状态,这两种状态对应着两种不同的二进制的数据。


聚焦光束人射到光盘上,如果光盘上已经存在记录信息,反射光的特征,例如,光强、光的相位或者光的偏振状态将发生某种变化,通过电子系统处理可以再现原始记录的数据信息,这就是光盘的基本读出过程。具体来说,就是读取信息时,激光扫描介质,在凹坑处由于反射光与入射光相互抵消入射光不返回,而在未烧蚀的无凹坑处,入射光大部分返回。这样,根据光束反射能力的不同,就可以把存储介质上的二进制信息读出,然后再将这些二进制代码转换成为原来的信息。


另外,可擦写光盘的存储介质为使光照点的结晶态发生变化,即相变型介质。而磁光存储材料的光盘的存储介质则是产生磁化方向的改变,从而记录或删除信息。


光存储的主要特点



1、记录密度高、存储容量大。光盘存储系统用激光器作光源。由于激光的相干性好,可以聚焦为直径小于0.001mm的小光斑。用这样的小光斑读写,光盘的面密度可高达107bit/cm2~108bit/cm2。一张CD-ROM光盘可存储3亿个汉字。我国花了14年方才出版齐的中国百科全书共1.2×108多万字,也就是说,全部的百科全书还装不满一张CD-ROM光盘。


2、光盘采用非接触式读写,光学读写头与记录盘片间通常有大约2mm的距离。这种结构带来了一系列优点:首先,由于无接触,没有磨损,所以可靠性高、寿命长,记录的信息不会因为反复读取而产生信息哀减;第二,记录介质上附有透明保护层,因而光盘表面上的灰尘和划痕,均对记录信息影响很小,这不仅提高了光盘的可靠性,同时使光盘保存的条件要求大大降低;第二,焦距的改变可以改变记录层的相对位置,这使得光存储实现多层记录成为可能;第四,光盘片可以方便自由的更换,并仍能保持极高的存储密度。这既给用户带来使用方便,也等于无限制的扩大了系统的存储容量。


3、激光是一种高强度光源,聚焦激光光斑具有很高的功率,因而光学记录能达到相当高的速度;


4、易于和计算机联机使用,这就显著地扩大了光存储设备的应用领域;


5、光盘信息可以方便地复制,这个特点使光盘记录的信息寿命实际上为无限长。同时,简单的压制工艺,使得光存储的位信息价格低廉,为光盘产品的大量推广应用创造了必要的条件。


当然,光存储技术也有缺点和不足。光学头无论体积还是质量,都还不能与磁头相比,这影响光盘的寻址速度,从而影响其记录速度。一般地说,光盘读写速度还比磁盘低。而由于光盘的记录密度如此之高,盘片上极小的缺陷也会引起错误。光盘的原生误码率比较高,使得光盘系统必须采用强有力的误码校正措施,从而增加了设备成本。


光盘及存储类型



光盘类型通常有:只读存储光盘(ROM, Read only memory)、一次写入光盘(WORM, Write once read memory )、可擦重写光盘(Rewrite)、直接重写光盘(Overwrite)。


只读存储光盘



激光束被聚焦成~1um光点,光盘的凹坑一般宽度为0.4um,深度为读出光波长l/4,约为0.11um,螺旋线型的纹迹间距为1.67um。


经过调制的激光束以不同的功率密度聚焦在甩有光刻胶的玻璃衬盘上,使光刻胶曝光,之后经过显影、刻蚀、制成主盘(又称母盘,master),再经喷镀、电镀等工序制成副盘(又称印膜,stamper),然后再经过“2P”注塑形成ROM光盘。



衬盘甩胶:对玻璃等衬盘进行精密研磨、抛光后进行超声清洗,得到规格统一、表面清洁的衬盘;在此光盘上滴以光刻胶,放入高速离心机中甩胶,以在衬盘表面形成一层均匀的光刻胶膜;取出放入烘箱中进行前烘,以得到与衬底附着良好且致密的光刻胶膜。


调制曝光:将膜片置入高精度激光刻录机中,按预定调制信号进行信息写入。


显影刻蚀:若为负性光刻胶,不曝光部分脱落,于是信息道出现符合调制信号的信息凹坑,凹坑的形状、深度、及坑间距与携带信息有关。这种携带有调制信息的凹凸信息结构的盘片就是主盘。由于此过程中所用的光刻胶一般为正性,因而所得主盘为正像主盘。


喷镀银层:在主盘表面喷镀一层银膜。这层银膜一方面用来提高信息结构的反射率,以便检验主盘的质量,另一方面,还作为下一步电镀镍的电极之一。


电镀镍层:在喷镀银的盘片表面用电解的方法镀镍,使得主盘上长出一层厚度符合要求的金属镍膜。


将上述盘片经过化学处理,使得镍膜从主盘剥脱,形成一个副盘。上述主盘每一个都可用通过(5)、(6)步骤的重复,制得若干个副像子盘-副盘;而每一副盘又都可以通过(5)、(6)步骤的重复,制得若干个正像子盘。



将上述所得正像或副像子盘作为“印膜(stamper)”加工中心孔和外圆后装入“2P”喷塑器中,经进一步的“2P”复制过程来制作批量ROM光盘。


总的来讲,只读存储光盘的记录介质是光刻胶,记录方式是用声光调制的氩离子激光器将信息刻录在介质上,然后制成主盘及副盘,再用副盘作为原模,大量复制视频录像盘或数字音像唱片。


一次写入光盘


一次写入光盘是利用激光光斑在存储介质的微区产生不可逆的物理化学变化进行信息记录的盘片,其记录方式主要有以下几种:



烧蚀型:存储介质可以是金属、半导体合金、金属氧化物或有机染料。利用介质的热效应,是介质的微区熔化、蒸发,以形成信息坑孔。


起泡型:存储介质由聚合物-高熔点金属两层薄膜组成。激光照射使聚合物分解排出气体,两层间形成的气泡使上层薄膜隆起,与周围形成反射率的差异而实现信息的记录。


熔绒型:存储介质用离子刻蚀的硅,表面呈现绒状结构,激光光斑使照射部分的绒面熔成镜面,实现反差记录。


合金化型:用Pt-Si、Rh-Si或Au-Si制成双层结构,激光加热的微区熔成合金,形成反差记录。


相变型:存储介质多用硫属化合物或金属合金制成薄膜,利用金属的热效应和光效应使被照微区发生非晶到晶相的相变。


可擦重写光盘


可擦重写光盘从记录介质写、读、擦的机理来讲,主要分为两大类:


相变光盘:这类光盘采用多元半导体元素配制成的结构相变材料作为记录介质膜,利用激光与介质膜相互作用时,激光的热和光效应导致介质在晶态与玻璃态之间的可逆相变来实现反复写、擦要求,可分为热致相变光盘和光致相变光盘。


磁光盘:这类光盘采用稀土-过渡金属合金制成的磁性相变介质作为记录薄膜,这种薄膜介质具有垂直于薄膜表面的易磁化轴,利用光致退磁效应以及偏置磁场作用下磁化强度取向的正或负来区别二进制中的“0”或“1”。


可擦重写相变光盘的原理


RW相变光盘是利用记录介质在两个稳定态之间的可逆相结构变化来实现反复的写和擦。常见的相结构变化有下列几种:1、晶态Ⅰ晶态Ⅱ之间的可逆相变,这种相变反衬度太小,没有使用价值。2、非晶态Ⅰ非晶态Ⅱ之间的可逆相变,这种相变的反衬度亦太小,没有实用价值。3、发生玻璃态晶态之间的可逆相变,这种相变有实用价值。


存储原理与过程:近红外波段的激光作用在介质上,能加剧介质结构中原子、分子的振动,从而加速相变的进行。因此近红外激光对介质的作用以热效应为主。


信息的记录:对应介质从晶态C向玻璃态G的转变。选用功率密度高、脉宽为几十至几百钠秒的激光脉冲,使光斑微区因介质温度刹那间超过熔点Tm而进入液相,再经过液相快淬完成达到玻璃态的相转变。


信息的读出:用低功率密度、短脉冲的激光扫描信息道,从反射率的大小辨别写入的信息。一般介质处在玻璃态(即写入态)时反射率小,处在晶态(擦除态)时反射率大,在读出的过程中,介质的相结构保持不变。


信息的擦除:对应介质从玻璃态G向晶态C的转变。选用中等功率密度、较宽脉冲的激光,使光斑微区因介质温度升至接近Tm处,再经过成核-生长完成晶化。在此过程中,光诱导缺陷中心可以成为新的成核中心,因此,由于激光作用使成核速率、生长速度大大增加,从而导致激光热晶化比单热晶化速率高。


光信息存储新技术



信息技术的飞速发展,对海量信息存储的需求迅猛增长。然而,正在全世界兴起的信息高速公路网和起级计算机小型化发展中,信息存储系统仍是一个相对薄弱的关键性环节。光存储目前达到的存储密度和数据传输速率还远远满足不了飞速发展的信息科学技术的要求


为了提高存储密度和数据传输速率,光存储正在由长波向短波、低维向高维(即由平面向立体)、远场向近场、光热效应向光子效应、逐点存储向并行存储发展。


三维体存储技术


三维体存储是实现超高密度信息存储的重要途径 , 研究领域主要集中在体全息存储和光子三维存储两个方面。


体全息存储

体全息存储是20世纪60年代随着光全息技术的发展而出现的一种大容量高存储密度的存储方式。随着计算机产业的迅速发展,也由于在光电器件和全息存储材料领域的研究取得了突破,使得人们在全息存储领域获得了巨大的进展,从 而也使全息存储成为超高密度光存储领域的研究热点。


一般光学体全息数据存储机理为:待存储的数据(数字或模拟)经空间光调制器(SLM)被调制到信号光上,形成一个二维信息页,然后与参考光在记录介质中干涉形成体全息图从而完成信息的记录读出时使用和原来相同的参考光寻址,可以读出相应地存储在晶体中的全息图。利用体全息图的布拉格选择性,改变参考光的入射角度或波长,就可在一个单位体积内复用多幅图像,实现多重存储,达到超高密度存储的目的。


全息存储具有以下特点:

(1)存储密度高、容量大:在可见光谱中存储密度可达1012bits/cm3[8];


(2)数据冗余度高:全息记录是分布式的,存储介质的缺陷和损伤只会使所有信号的强度降低,而不致于引起数据丢失;


(3)数据传输速率高:信息以页为单位,并行读写,从而达到极高的数据传输率。目前采用多通道并行探测阵列的全息存储系统,数据传输率有望达到1Gbyte/s;


(4)寻址速度快:参考光可采用声光、电光等非机械式寻址方式,数据访问时间可降至亚毫秒范围或者更低;


(5)存储寿命长:存储介质记录的信息可以保持30年以上。


体全息存储的研制目标是实现TB量级的存储容量和1Gbps的数据传输率,美国的Inphase公司和日本的Optware公司已经取得了令人瞩目的成就,而且在商品化进程中取得了很大的进展 。同时,体全息存储发展也存在着很多的难题 , 主要就是寻找一种同时兼具性能、容量和价格方面综合优势的存储材料。


光子三维存储

存储材料中的激活中心,在光激发下使电子产生跃迁而达到光存储的目的,称光子存储( photo induced optical memory)。它是一种不经过材料吸收光子后产生热效应阶段而形成的光存储,区别于目前一般应用的光热存储方式。主要研究包括光谱烧孔存储和双光子吸收三维存储。


1、光谱烧孔存储


固体机制中的掺杂分子由于局域环境的差异出现能级的非均匀加宽。当用窄频带激光照射后,在掺杂分子吸收带内,在激光频率处出现吸收的减小,这种现象称为光谱烧孔。该烧孔可以用相同频率的激光读出。由于可通过改变激光频率在吸收带内烧出多个孔,即利用频率维变量来记录信息,从而可以在一个光斑存储多个信息。


光谱烧孔包括单光子光谱烧孔和双光子光谱烧孔。两类材料的光子选通烧孔均在低温下进行,由于目前材料的电子俘获陷阱深度较浅,导致烧孔的孔深也较浅,而且在序列烧孔过程中,先烧出的孔容易出现逐渐被填充的现象,因而寻找室温下能烧孔的材料是关键。目前,国内外主要研究两类材料体系:Sm离子掺杂的无机材料体系以及给体和受体电子转移反应的有机材料体系。


2、双光子吸收三维存储


双光子吸收三维记录的基本原理是:两种光子同时作用于某种介质时,能使介质的原子中某一特定能级上的电子激发至另一稳态,并使其光学性能发生变化,若使两个光束从两个方向聚焦至材料的空间同一点时,便可实现三维空间的寻址与读写。利用材料折射率、吸收度、荧光或电性质的改变来实现存储[10],能实现T bits/cm3的体密度,可达到4MB/s的传输率。国际上最有代表性的是美国加州大学San Diego分校及Call&Recall公司100层的记录方法。国内清华大学从1995年开始从事这方面的研究,初步建立了针对有机介质的记录物理模型并完成了对双光子记录介质特性测试专用设备的研制。


双光子吸收三维存储原理基于能级的跃迁,材料的响应时间可达到皮秒量级,能够实现高密度体存储,理论上的分辨率可达到分子尺度。但由于大多数材料的双光子吸收截面很小限制了其应用,因而要使双光子三维存储走向实用化, 就必须开展对存储材料的研究。


多阶光存储技术


多阶光存储是目前国内外光存储研究的重点之一,缘于它可以大大地提高存储容量和数据传输率。在传统的光存储系统中,二元数据序列存储在记录介质中,记录符只有两种不同的物理状态,例如只读光盘中交替变化的坑岸形貌。如将数据流调制成M进制数据(M>2),令调制后的数据与记录介质的M种不同物理状态相对应,即可实现M阶存储。如图所示的坑深调制多阶存储,就是通过改变信息符的深度来实现多值存储,数据流经调制转换成盘基多种不同坑深的变化,即可实现多阶坑深存储。


多阶光存储分为信号多阶光存储和介质多阶光存储。



其早期方案是坑深调制(PDM:Pit Depth Modulation)。在这种多阶只读光盘中,信息坑的宽度固定为t min,信息坑的深度具有M种不同的可能,代表着不同的阶次。不同深度的信息坑,其读出光呈现不同光强,从而实现多阶坑深调制。Sony公司研发的是利用信息坑边沿相对于固定时钟的变化,进行多阶信息存储,即利用信息坑长度的变化实现多阶光存储。信息坑的起始和结束边沿相对于时钟边沿都可以按一定的步长变化。若信息坑的起始和结束边沿的可能位置数均为 8,那么一个信息坑的边沿变化可能出现64种状态,信息坑可存储6比特(byte)的信息,因此显著高于传统光盘的记录密度。


有多种介质可以用来实现多阶光存储。在电子俘获多阶技术中的光盘的记录层中掺杂有两种稀土元素,当第一种掺杂离子吸收短波长激光的光子后,其电子被激发到高能级状态,该电子可能被第二种掺杂离子“俘获”,实现数据的写入。用另一长波长激光( 例如红光) 将俘获的电子释放到原来的低能级状态,存储 的能量以荧光的形式释放出来,由于发出的荧光强度与俘获的电子数量成比例,同时也与写入激光的强度成比例,该写入/读出过程具有线性响应,使得电子俘获材料适用于数字光存储。电子俘获光存储的反应速度快,可以实现ns时间的读写。


近场光学存储技术


传统光驱使用包含物镜的光学头进行写、读、擦操作,由于物镜距盘片记录层多为几个毫米,属于远场光存储方式,光无法聚焦成直径小于半波长的点,存储密度受到了限制。近场光学存储采用的是近场光,它是由记录介质与光源在小于半波长量级 的距离时获得的隐失光。隐失光为非传输光,当距离超过波长量级时迅速衰减到接近于零。近场光学存储的基本原理就是通过亚波长尺寸的光学头和亚波长尺寸的距离控制,实现亚波长尺寸的光点记录。只要将光学存储介质放在近场光学显微镜中,保持光学探针与存储介质的距离在近场范围内,则在存储介质中形成的记录点尺寸就可能在亚波长量级内,从而克服衍射极限,实现高密度存储。


与其它超高密度存储方法相比,近场光学存储主要有以下优点:


(1)高密度、大容量:读写光斑小,大大提高了存储的密度,使得存储容量有了很大提高。随着近场光存储技术的进一步完善,还可以获得比较高的数据传输速率;


(2)可充分利用已有存储技术:如硬盘驱动器中的空气悬浮磁头技术和光 盘存储中的光头飞行技术,而不必另外再去进行新的系统设计与开发,因而有助于减低产品的价格,增加竞争优势。


光存储技术的发展趋势及展望


记录密度高是光存储技术最突出的特点,也是用作计算机外设最具吸引力的方面。但是随着科学技术的发展和制造工艺的改善,磁记录技术也在不断取得新的进展。目前,与磁盘相比,光盘单机的存储容量已无绝对优势,而存取速度差距并无明显缩小。因此,提高记录密度,从而提高光存储的容量,以及提高读写速度是光存储技术研究工作的主要方向。



超高密度光存储技术代表着信息存储的发展方向,国内外竞争的非常激烈。相对于国外的发展态势,国内仍然存在一定的差距。光存储方向的研究,是为了满足日益发展的信息技术的需要,所以,各种存储技术都是以提高存储容量、密度、可靠性和数据传输率作为主要发展目标。


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制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器;互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器;

 
《传感器技术》汇编了一套各种传感器的基础知识,介绍了各种传感器的原理。

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