三维光信息存储的方法
三维光信息存储的方法
作者：张小明
来源：《电子世界》2012年第22期
【摘要】光信息存储是未来信息存储的主要手段，实现高容量、大密度，就有必要将空间扩展到三维。目前理论技术上比较成熟的方法已有双光子吸收存储、光谱烧孔存储、全息存储、飞秒脉冲体存储。
【关键词】三维光存储；双光子吸收；光谱烧孔；全息存储
随着信息科学的迅猛发展，人们对数据存储器的存储密度和存储容量的要求也在不断提高。对超高密度、大容量数据存储方法的研究是当前信息科学重要的研究热点之一。现在已经出现的三维光存储有：将体空间的Z轴作为第三维的双光子吸收光存储，飞秒脉冲激光体存储，将频率作为附加的第三维的光谱烧孔存储，将参考光的入射角度和相位作为第三维的光存储等。光存储由二维到三维，存储密度提高了几个数量级，同时也带来了许多问题，如双光子吸收的室温下保存时间只有几小时，飞秒脉冲体存储的写入速度等问题。
一、三维关信息存储的方法
1.双光子吸收存储
双光子吸收体存储原理是介质中的分子同时吸收两个光子而被激发到较高能级上。在吸收过程中，任何一个波长的光子都不能使分子激发跃迁。两束光必须在时间空间相互重叠，波长可以相同也可以不同。利用双光子吸收的光存储能够提高层与层的抗干扰能力，能够将信息写到焦平面上而不会对超出瑞利范围的邻近层产生干扰。双光子吸收光存储是基于分子能级的跃迁，材料响应时间可以达到皮秒量级，能够实现告密度体存储，理论上的分辨极限可以达到分子尺度。
2.光谱烧孔存储
光谱烧孔存储技术的基本原理是将频率作为存储的第三维。分子对不同频率光线的吸收是不同的，不同分子组团有不同频率的吸收光带，每一光带的半宽度叫做均匀线宽。各组团的吸收的吸收光带叠加而成的展宽光带称为材料的非均匀吸收光带，他的物理机制是，基态E1粒子在激光照射下会被激发到激发态E2，粒子从E1到E2会出现吸收饱和现象。若用激光扫描吸收线，在吸收谱线上出现凹陷即“孔”。为防止信息读出时，读出光束使频率Vi处未写入的分子组团发生光物化反应，发生信息串扰。
3.激光全息存储
激光全息存储将参考光的入射角度和相位作为第三维存储。其基本原理是物光和参考光相叠加形成干涉图象。参考光为数据读出设计，物光携带欲写入的数据信息。由于干涉条纹的强光分布包含着物光振幅和相位信息，因而称为全息图。
为了在有限的空间存储更多的信息，最简单的是角度复用，在波长一定的情况下，固定的物光束方向，依次改变参考光束方向。这样记录的光栅矢量，他的方向和长度都不同，可用于角度寻址。今年又发展了波长-角度复用技术、空间-角度技术等。空间-角度复用指全息图之间即不完全分开，也不完全重叠，只是部分重叠。
4.飞秒脉冲体存储
飞秒脉冲体存储是利用飞秒脉冲激光对光学介质的非线性作用，从而引起透明介质内某空间位置上结构的改变，导致介质折射率发生较大变化。用这种办法在介质中记录多层逐位式二进制数据。将高功率飞秒脉冲聚焦到物质中，通过单光子或多光子电离过程能迅速在局部产生一个高温、高密度的等离子体结构，从而吸收大部分后续激光能量，在透明介质体内聚焦点附近将物质消融，直接通过汽化改变物质的局部结构形成一个微小的空腔，超短激光脉冲相对于长脉冲和连续脉冲来说，不会产生热作用区域和热损伤，更能精密地改变介质的局部物理化学结构。
二、三维光存储的特点
1.三维光存储都是在传统二维基础上附加第三维。以空间Z轴为第三维的双光子吸收光存储。光谱烧孔又将入射频率作为第三维。而全息存储的第三维是光束入射角度和频率。方法不一各有千秋，但都是三维的，具有高密、大容量的特点。
2.四种存储方式虽然理论都是完好的，但存在技术应用缺陷。温度的控制、材料的选择及读/写速度等问题，制约了三维光存储的大众化、商业化。
3.推进三维光存储的使用化，全息存储最有希望。其存储密度可大于1Tb/cm3，而且全息图以页面方式记录再现。具有高存取速度和数据传输速率，最主要是全息本身包括了振幅和相位，具有高保真度。
4.光存储载体由电子变成光子，存储尺度进入了分子大小，因而光存储的依赖性很大。 三、21世纪光数字存储展望
21世纪光数字存储势必向着超高密和超快速方向发展。深入研究激光与介质相互作用的光物理化学过程，用光子效应取代光热效应，实现皮秒，亚皮秒数量级的光响应过程，以提高光数据记录速率。另一方面实现并行写入/读出，提高数据传输速率，还有推进三维光存储实用化。