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光存儲技術的發展趨勢和關鍵技術

國際光電產業資訊摘編


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隨著光學技術、鐳射技術、微電子技術、材料科學、細微加工技術、計算機與自動控制技術的發展，光存儲技術在記錄密度、容量、數據傳輸率、尋址時間等關鍵技術上將有巨大的發展潛力。在下一個世紀初，光盤存儲將在功能多樣化，操作智能化方面都會有顯著的進展。隨著光量子數據存儲技術、三維體存儲技術、近場光學技術、光學集成技術的發展，光存儲技術必將在下一世紀成為訊息產業中的支柱技術之一。

一、光存儲技術的發展趨勢

以光學、集成光學、光子效應、體全息技術、光感生或磁感生超分辨率等原理為基礎的新一代光存儲技術將朝著以下幾個方向發展︰

1.實現低價位DVD系列光盤及驅動器的規模生產

直徑為120mm的DVD光盤單面容量4.7GB，雙面容量9.4GB，如果改成雙面雙層，容量可達到18GB，組成了標稱容量為5GB、9GB、10GB、18GB的DVD-5、DVD-9、DVD-10、DVD-18的光盤系列，只要這種光盤及光盤機的生產成本能降低到當今CD-ROM或CD-R光盤及光盤機的價位，就足夠滿足一般資訊系統及家用電器的需求。由於DVD系列產品仍以道統的光盤製造技術為基礎，基本工作原理沒有改變，只是將訊息符坑點的尺寸從原來的0.83μm降低到0.4μm，信道間距從原來的1.6μm降低到0.74μm。這種光盤機的架構原理也沒有太大的變化，所用的半導體鐳射器的波長略有縮短，一旦形成規模，成本必將大幅度下降。目前，加工這種高密度光盤母盤及盤片注塑的設備及技術都已完全成熟。

2.進一步提升DVD光盤質量、成品率及功能

目前，DVD光盤的成品率，無論是母盤製作還是最終產品的成品率都低于普通CD光盤，從而也影響其生產成本。各種生產光盤的專用加工和測試設備還需要進一步更新，將深紫外超分辨率曝光技術、電子束曝光技術、多層光致抗蝕劑技術、無顯影曝光技術、4X或更高速的刻錄技術等引入母盤製作，以便進一步提升母盤質量和成品率。DVD光盤及光盤機將在功能上進行改進，首先是多功能化，包括光盤機和盤片的多功能化，即一台光盤機可用于只讀、一次寫入不可擦除及可直接改寫等不同盤片，而盤片也可能作成同時具有只讀和可擦寫功能。此外隨著編碼技術和積體電路技術的進步，光盤機的編碼及控制軟體功能還將進一步改進，將分散的視頻、音頻、編碼、解碼、調製、解調、通道控制、伺服控制重新整合成少數晶片甚至單一晶片，不僅能降低成本，還會大大提升系統的可靠性。為了使光盤機使用更方便，其另一改進方向是光盤機的智能，使人一機界面更加簡單，操作更為簡便。

3.在記錄密度不變的條件下提升系統性能

無論是VCD或DVD光盤都可以利用自動換盤系統，組成光盤庫、光盤塔、光盤陣列，實現提升整個系統的容量、數據傳輸率及多數據存儲的可靠性。如果將光盤庫、光盤塔及光盤陣列與自動換盤系統有機結合，可以大大提升系統容量、數據傳輸率和顯著改善存儲數據的可靠性。目前最大的光盤庫容量已可達到TB 量級（即1012位元組）。 4.綜合利用其它新技術開發下一代新產品高密度數據存儲技術始終是資訊技術和計算機技術發展中不可缺少的關鍵研究領域，預計到2005年，新型網路系統和第三代多媒體出現時，計算機外部存儲容量至少應為100GB，數據傳輸率至少為40Mbps，現有的各種光盤都不能滿足要求，即使上面提到的DVD-RAM光盤系統也與此目標相距甚遠。需要採用新技術和新材料，研究開發出新一代高密度、高速光存儲技術和系統。雖然目前所進行的研究尚處于實驗室階段。許多理論問題、實驗技術問題及工程問題還待深入研究，但從所取得的初步成果中能看出其發展方向包括︰

（1）利用光學非輻射場與光學超衍射極限分辨率的研究成果，進一步減小記錄訊息符尺寸。因光束照射到物體表面時，無論透射或反射都會形成傳播場（傳播波）和非輻射（隱失波）。傳播波攜帶著物體架構的低頻訊息，容易被探測器探測。隱失波攜帶描述物體精細架構的高頻訊息，沿物體表面傳播。只要把這一部分訊息撲捉到，就可提升系統的分辨率。

（2）採用近場光學原理設計超分辨率的光學系統，使數值孔徑超過1.0，相當于探測器進入介質的輻射場，從而能夠得到超精細架構訊息，突破衍射極限，獲得更高的分辨率，可使經典光學顯微鏡的分辨率提升兩個數量級，面密度提升4個數量級。

（3）以光量子效應代替目前的光熱效應實現數據的寫入與讀出，從原理上將存儲密度提升到分子量級甚至原子量級，而且由於量子效應沒有熱學過程，其回應速度可達到皮秒量級（1O-12秒），另外，由於記錄介質的回應與其吸收的光子數有關，可以使記錄模式從目前的二存儲變成多值存儲，使存儲容量提升許多倍。

（4）三維多重體全息存儲，利用某些光學晶體的光折變效應記錄全息圖形圖像，包括二值的或有灰階的圖像訊息，由於全息圖像對空間位置的敏感性，這種方法可以得到極高的存儲容量，並基于光閘極空間相位的變化，體全息存儲器還有可能進行選擇性擦除及重寫。

（5）利用當代物理學的其它成就，包括光子回波時域相干光子存儲原理、光子俘獲存儲原理、共振熒光、超熒光和光學雙穩態效應、光子誘發光致變色的光化學效應、雙光子三維體相光致變色效應，以及借助許多新的工具和技術，諸如掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）、光學集成技術及微光纖陣列技術等，提升存儲密度和構成多層、多重、多灰階、高速、並行讀寫海量存儲系統。實驗已證明目前的技術可使光存儲密度達到40-100Gbits／in2。

二、光存儲發展的關鍵技術

1.高密、高效、高速的母盤刻錄技術

採用短波鐳射和大數值孔徑的物鏡，可使道間距減小，比特長度減小，從而可提升光盤的刻錄密度；採用脈寬調製，可顯著提升記錄效率。

2.DVD單面盤的精密注塑及雙盤的封裝技術

將DVD母盤、模板生產線挑選出的合格模板，用精密注塑機注塑成形，製得的DVD半成品經適當冷卻，送入濺射室，根據不同要求，分別濺射金或鉛，然後進行粘合劑旋涂、封裝、紫外光固化、在線檢測、商標印刷等，製成DVD只讀光盤。

3.光盤記錄介質

DVD-RAM光盤是否穩定可靠，記錄介質是關鍵，而材料設計能否滿足高速存儲的要求，又取決于記錄介質能否在兩個穩定態之間實現快速可逆相變。國內外道統相變介質材料設計都是基于鐳射的熱效應，訊息寫入用液相快淬實現；訊息的擦除用晶核形成、晶粒長大來完成。由於熱效應是能量累積過程，寫入一個比特需較長時間，約幾十納秒，而且介質在經歷幾十萬次的寫／擦循環后會出現信噪比下降的熱疲勞。隨著記錄鐳射採用短波長，鐳射的熱效應逐漸減弱，而鐳射光子的激發作用變得突出；所以新的材料設計基于鐳射的光效應。對半導體類型介質來講，寫入一個比特只要幾十皮秒，使記錄速率獲得數量級的提升。這種基于非線性光學雙穩態變化效應的記錄介質稱為光雙穩態記錄介質，它可以是無機材料，也可以是有機材料或無機-有機複合材料。