三維光信息存儲(chǔ)的方法

寧夏育才中學(xué) 張小明

隨著信息科學(xué)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度和存儲(chǔ)容量的要求也在不斷提高。對(duì)超高密度、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法的研究是當(dāng)前信息科學(xué)重要的研究熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)的三維光存儲(chǔ)有：將體空間的Z軸作為第三維的雙光子吸收光存儲(chǔ)，飛秒脈沖激光體存儲(chǔ)，將頻率作為附加的第三維的光譜燒孔存儲(chǔ)，將參考光的入射角度和相位作為第三維的光存儲(chǔ)等。光存儲(chǔ)由二維到三維，存儲(chǔ)密度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)也帶來了許多問題，如雙光子吸收的室溫下保存時(shí)間只有幾小時(shí)，飛秒脈沖體存儲(chǔ)的寫入速度等問題。

一、三維關(guān)信息存儲(chǔ)的方法

1.雙光子吸收存儲(chǔ)

雙光子吸收體存儲(chǔ)原理是介質(zhì)中的分子同時(shí)吸收兩個(gè)光子而被激發(fā)到較高能級(jí)上。在吸收過程中，任何一個(gè)波長(zhǎng)的光子都不能使分子激發(fā)躍遷。兩束光必須在時(shí)間空間相互重疊，波長(zhǎng)可以相同也可以不同。利用雙光子吸收的光存儲(chǔ)能夠提高層與層的抗干擾能力，能夠?qū)⑿畔懙浇蛊矫嫔隙粫?huì)對(duì)超出瑞利范圍的鄰近層產(chǎn)生干擾。雙光子吸收光存儲(chǔ)是基于分子能級(jí)的躍遷，材料響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到皮秒量級(jí)，能夠?qū)崿F(xiàn)告密度體存儲(chǔ)，理論上的分辨極限可以達(dá)到分子尺度。

2.光譜燒孔存儲(chǔ)

光譜燒孔存儲(chǔ)技術(shù)的基本原理是將頻率作為存儲(chǔ)的第三維。分子對(duì)不同頻率光線的吸收是不同的，不同分子組團(tuán)有不同頻率的吸收光帶，每一光帶的半寬度叫做均勻線寬。各組團(tuán)的吸收的吸收光帶疊加而成的展寬光帶稱為材料的非均勻吸收光帶，他的物理機(jī)制是，基態(tài)E1粒子在激光照射下會(huì)被激發(fā)到激發(fā)態(tài)E2，粒子從E1到E2會(huì)出現(xiàn)吸收飽和現(xiàn)象。若用激光掃描吸收線，在吸收譜線上出現(xiàn)凹陷即“孔”。為防止信息讀出時(shí)，讀出光束使頻率Vi處未寫入的分子組團(tuán)發(fā)生光物化反應(yīng)，發(fā)生信息串?dāng)_。

3.激光全息存儲(chǔ)

激光全息存儲(chǔ)將參考光的入射角度和相位作為第三維存儲(chǔ)。其基本原理是物光和參考光相疊加形成干涉圖象。參考光為數(shù)據(jù)讀出設(shè)計(jì)，物光攜帶欲寫入的數(shù)據(jù)信息。由于干涉條紋的強(qiáng)光分布包含著物光振幅和相位信息，因而稱為全息圖。

為了在有限的空間存儲(chǔ)更多的信息，最簡(jiǎn)單的是角度復(fù)用，在波長(zhǎng)一定的情況下，固定的物光束方向，依次改變參考光束方向。這樣記錄的光柵矢量，他的方向和長(zhǎng)度都不同，可用于角度尋址。今年又發(fā)展了波長(zhǎng)-角度復(fù)用技術(shù)、空間-角度技術(shù)等。空間-角度復(fù)用指全息圖之間即不完全分開，也不完全重疊，只是部分重疊。

4.飛秒脈沖體存儲(chǔ)

飛秒脈沖體存儲(chǔ)是利用飛秒脈沖激光對(duì)光學(xué)介質(zhì)的非線性作用，從而引起透明介質(zhì)內(nèi)某空間位置上結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致介質(zhì)折射率發(fā)生較大變化。用這種辦法在介質(zhì)中記錄多層逐位式二進(jìn)制數(shù)據(jù)。將高功率飛秒脈沖聚焦到物質(zhì)中，通過單光子或多光子電離過程能迅速在局部產(chǎn)生一個(gè)高溫、高密度的等離子體結(jié)構(gòu)，從而吸收大部分后續(xù)激光能量，在透明介質(zhì)體內(nèi)聚焦點(diǎn)附近將物質(zhì)消融，直接通過汽化改變物質(zhì)的局部結(jié)構(gòu)形成一個(gè)微小的空腔，超短激光脈沖相對(duì)于長(zhǎng)脈沖和連續(xù)脈沖來說，不會(huì)產(chǎn)生熱作用區(qū)域和熱損傷，更能精密地改變介質(zhì)的局部物理化學(xué)結(jié)構(gòu)。

二、三維光存儲(chǔ)的特點(diǎn)

1.三維光存儲(chǔ)都是在傳統(tǒng)二維基礎(chǔ)上附加第三維。以空間Z軸為第三維的雙光子吸收光存儲(chǔ)。光譜燒孔又將入射頻率作為第三維。而全息存儲(chǔ)的第三維是光束入射角度和頻率。方法不一各有千秋，但都是三維的，具有高密、大容量的特點(diǎn)。

2.四種存儲(chǔ)方式雖然理論都是完好的，但存在技術(shù)應(yīng)用缺陷。溫度的控制、材料的選擇及讀/寫速度等問題，制約了三維光存儲(chǔ)的大眾化、商業(yè)化。

3.推進(jìn)三維光存儲(chǔ)的使用化，全息存儲(chǔ)最有希望。其存儲(chǔ)密度可大于1Tb/cm3，而且全息圖以頁面方式記錄再現(xiàn)。具有高存取速度和數(shù)據(jù)傳輸速率，最主要是全息本身包括了振幅和相位，具有高保真度。

4.光存儲(chǔ)載體由電子變成光子，存儲(chǔ)尺度進(jìn)入了分子大小，因而光存儲(chǔ)的依賴性很大。

三、21世紀(jì)光數(shù)字存儲(chǔ)展望

21世紀(jì)光數(shù)字存儲(chǔ)勢(shì)必向著超高密和超快速方向發(fā)展。深入研究激光與介質(zhì)相互作用的光物理化學(xué)過程，用光子效應(yīng)取代光熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)皮秒，亞皮秒數(shù)量級(jí)的光響應(yīng)過程，以提高光數(shù)據(jù)記錄速率。另一方面實(shí)現(xiàn)并行寫入/讀出，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，還有推進(jìn)三維光存儲(chǔ)實(shí)用化。

[1]戎藹倫,陳強(qiáng).光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)展[J].物理,2001,30(1).

[2]劉青,劉卜,程光華,陳國夫.三維光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)[J].寧夏大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,12.

[3]劉青,程光華,王屹山,趙衛(wèi),陳國夫.飛秒脈沖在透明材料中的三維光存儲(chǔ)及其機(jī)理[J].光子學(xué)報(bào),2003,3.

[4]姚啟鈞.光學(xué)教程[M].高等教育出版社,1989,10.