摘要:扼要介紹了光子儲存原理及不同型別光資訊儲存的物理機制;同時對儲存型別進行分類敘述.
關鍵詞:光子學;光資訊儲存;儲存分類.
1.光子學與光子技術簡介
光子學的悄然崛起在國內外引起了廣泛地關注.光子學的正式誕生應追溯到2023年世界上第一台雷射器的發明.光子學(photonics)這個概念是由荷蘭科學家在2023年第九屆國際高速攝影會議上首次提出的.
光子學是一門與電子學平行的學科,它是研究作為資訊和能量載體的光子的行為及其應用的科學.在理論上,它主要研究光子的量子特性及其在與物質(包括分子、原子、電子及光子自身)的相互作用**現的各類效應及規律等;在應用方面,主要研究光子的產生、運動、傳輸以及控制和探測方法等.實際上,光子學是乙個具有極強應用背景的學科,因而形成了一系列的光子技術,諸如光子發生技術(雷射技術)、光子傳輸技術、光子調製與開關技術、光子儲存技術、光子探測技術、光子顯示技術等等.
光子技術的基礎是光子學.光子技術作為資訊科學的支柱之一將與電子技術相互滲透、補充,並發揮越來越重要的作用.光子學的崛起之所以倍受人們的關注,其主要原因在於,光子學與光子技術、電子學與電子技術雖同為資訊科學的兩大基礎技術,但前者已越來越顯示出極大的優越性.
光子技術在資訊的傳輸、儲存、顯示等領域具有巨大的發展潛力.光子與電子相比具有許多優越的特性,主要表現在:
(1)光子具有極高的資訊容量和效率.作為資訊載體,光子與電子相比資訊容量大幾個量級.例如,一般可見光的頻率為5×1014hz,而電子技術中微波的頻率僅為1010hz量級,即光子可承載資訊的容量起碼比電子高出3～4個量級;光子還可在光纖中能夠直接傳播100km以上.
人們把乙個載子可承載的資訊量稱為資訊效率.如果考慮到光子的數字編碼與光子的統計特性等,光子的資訊效率遠遠高出電子.例如,在光子學中如果使用所謂光的壓縮態、光子數態等作為光子源,則量子雜訊有可能減小到極小值,光子的資訊效率自然也將成量級地提高.
(2)光子具有極快的響應能力.資訊載體的響應能力是決定資訊速率與容量的主要因素.在電子技術中,電子脈衝寬度最窄在ns(10-9s)量級,因此在電子通訊中資訊速率被限定在gb/s(109 bits/s)量級.
對於光子技術來說,由於光子是玻色子,沒有電荷,而且能在自由空間傳播,因此,光子脈衝很容易做到脈寬為ps(10-12s)量級.實際上,現在實驗室的光子脈衝寬度已達到小於10fs(10-15s)量級.而且,近兩年有望實現2～3fs,即相當乙個光學週期的寬度.
因此使用光子為資訊載體,資訊速度達到100gb/s,甚至10tb/s(1012bits/s)是可能的.如果使用具有巨大頻寬的光纖作資訊的傳輸媒質,就能夠以如此高的速率,通過光纖將資訊傳輸到幾千公里或更遠的距離.這樣,獲得資訊位元率與傳輸距離之積是非常可觀的.
顯然,這對於電子技術絕對是望塵莫及的.
(3)光子具有極強的互連能力與並行能力.如上所述,電子有電荷,因此電子與電子之間存在庫侖作用力,這就使得它們彼此間無法交連.例如,在電子技術中,兩根導線如果交連,就會形成短路.
在電路中為了實現互連,就只能像搭「立交橋」那樣,將其執行路線彼此隔離,顯然這就使互連受限,成為限制電子資訊速率與容量的乙個重要因素.另外,在電子技術中,電子訊號也只能是序列提取、傳輸和處理的.對於兩維以上的訊號,如圖象訊號等,則只能依靠掃瞄一類的手段將其轉換為一維序列訊號來處理.
這是另乙個限制電子資訊速率和容量的主要因素.對於光子來說,在這些方面恰恰顯示出特有的優勢.光子無電荷,彼此間不存在排斥和吸引力,具有良好的空間相容性等.
這些似乎都是光子的「天賜秉性」.因此,光子具有極強的互連能力與並行能力,可極大提高計算機等訊號的運算速率.
(4)光子具有極大的儲存能力.不同於電子儲存,光子除能進行一維、二維儲存外,還能完成三維儲存.因此光子具有極大儲存能力.
乙個儲存器的容量極限是由單位資訊(bit)所需最小儲存介質體積決定的.對於光子,這個量為其波長(λ)量級.因此,它的三維儲存容量為(1/λ)3量級.
如果使用可見光(λ≈500nm),光子的儲存能力則可1012bits/cm3量級.除三維儲存除容量大外,另外乙個顯著特點是並行訪問,即資訊寫入和讀出都是「逐頁」進行的,並能與運算並行連線,由此速度很快.加之光子無電荷,既能防電磁干擾,讀取準確,又不產生電磁干擾,具有保密性.
這些優點,都是電子無法與之相媲美的.此外,由於光在時間與空間上的特性,可形成反演共軛波,在自適應控制等資訊處理領域有獨到應用.
隨著光子學和光子技術的發展,基礎光子學已形成許多學科分支,如量子光學、分子光學、非線性光學、超快光子學等.光子學涉及光子的產生、傳輸、探測、變換、控制、儲存、顯示等,由此形成諸多相關的器件,即各種光子器件.光子器件既是維繫基礎光子學與技術光子學的紐帶,又是光子學應用的基礎.
在資訊光子學領域,纖維光子學與技術、光通訊技術、光子資訊處理技術、光子儲存技術及顯示技術等在促進資訊科學的發展中越來越顯示出不可替代的重要作用.
2.光資訊儲存原理
在當今資訊化的時代,資訊的儲存與處理已成為人們日常生活中不可缺少的一部分.從60年代起計算機資訊儲存的快速推廣,促進了磁儲存介質的發展.這類儲存介質具有隨機存放、可擦寫等優點,現今人們仍在普遍使用.
但是,隨著社會各個領域資訊量的急劇增加,原有的資訊記錄材料和記錄方式已不能滿足日益增長的資訊儲存的需要.雷射光碟是繼縮微技術(始於40年代)和磁性儲存介質之後所發展起來的一種嶄新的資訊儲存系統.它是通過用雷射束照射旋轉的記錄介質層來改變記錄介質對光的反射和透射強度,從而進行二進位制資訊的記錄.
雷射光碟具有儲存容量大、高畫質晰度高保真圖象、數字式訊號讀取方式、讀出速度快、儲存時間長、**低廉等特徵,其誕生和發展無疑是資訊革命的重大成就.依據其功能的不同,光碟可分為三大型別:唯讀型(read only memory, rom);一次寫多次讀型(write once read many, worm)和可擦寫型(erasable direct read afterwrite, edraw).
光子儲存尤其是可擦寫型光子儲存是當前國內外競相研究的熱點.其基本原理是基於光子同物質之間的直接相互作用,導致記錄介質產生能夠識別的物理和化學等性質的變化,從而達到資訊記錄的目的.光儲存的型別有多種多樣,其主要的儲存機制有:
(1)磁光儲存.其原理是由記錄介質上各微磁化元的正反面來區分二進位制的1和0兩個狀態.首先,對介質進行初始磁化,使各磁元具有相同的磁化方向;然後,將雷射聚焦到某一微元上使其公升溫,該磁元的嬌磁力迅速下降,此時由讀寫頭中的線圈加一反偏磁場,則該磁元的磁化方向與原方向相反,從而實現了反差記錄.
由一定數量的微元可實現乙個完整的資訊記錄.微元的大小與雷射波長有關,波長越短則微元越小,從而單位面積的資訊密度越大.
(2)光致變色儲存.光致變色是指一種物質在適當的光子作用下發生光化學反應導致材料吸收光譜的變化.這種變化在另一種光子或其它力(如熱)的作用下,又可返回到起始狀態,如下面變換式所示:
光致變色前後的狀態a和b通過分子和材料的設計,可以實現不同時間刻度的雙穩態.從資訊儲存的角度來看,合適能量的光子作用到a上使其變為b即可完成儲存過程,在另一種能量的光子或熱的作用下所記錄的資訊可以被擦除.由此可見,光致變色材料非常適合於可擦重寫型光儲存.
(3)光子燒孔儲存.將光反應性分子以單分子形式分散在介質中,在低溫環境中通過雷射誘導可發生具有位置選擇性的光化學反應,引起在非均勻加寬吸收光譜上有選擇性地產生乙個光譜孔(凹陷),實現資訊記錄.這是一種高密度儲存方式,因為在二維儲存中增加乙個頻率維度,即在乙個微元處通過調諧雷射頻率可在非均勻增寬譜線上燒出多個孔,從而提高了光儲存的密度.
(4)光折變儲存.無機光折變效應自60年代發現以來有了長足的發展,許多無機光折變材料已商品化,並已應用於多種領域.有機光折變材料的研究僅僅開始於2023年,卻發展非常迅速,是目前國際上研究的熱門課題.
有機光折變材料的潛在應用非常廣泛,包括高密度光資訊資料儲存,多種影像加工以及神經網路和聯想儲存器的模擬等.光折變效應的產生是基於介質的光物理和光化學過程.強度空間調製的光束使介質某處的電荷激發和再分布,電荷的再分布產生乙個內部空間電荷電場,在該電場的作用下,介質的折射率發生改變,結果產生一種相位光柵效應,達到光資訊儲存的目的.
(5)熱光儲存.其原理是利用雷射束來破壞區域性液晶分子取向,並使之凍結在玻璃態中,以達到儲存資訊的目的,即利用雷射的熱效應使記錄介質在晶態和玻璃態之間發生可逆變化.所儲存的資訊可通過電場或公升溫方法來擦除.
(6)四波混頻儲存.四波混頻是在介質中有四個光波相互作用所引起的非線性光學過程.一般而言,它**於介質的三階非線性極化.
在簡併的情況下(即相互作用的四個光波頻率相同),四波混頻訊號光是其中一入射光波的相位共軛光波,這非常實用於自適應光學中的波前再現.通過四波混頻可在介質中產生實時和永久性光柵,實現資訊的光儲存.
(7)全息儲存.全息儲存是利用干涉記錄,衍射再現的原理來實現資訊的儲存和再現,記錄的全息圖本身就是乙個光柵.這種儲存方法尤其適合於圖象的儲存和記錄,不僅可記錄儲存圖象的振幅資訊,而且記錄了儲存圖象相位資訊.
再現的儲存圖象具有明顯的三維特性.全息儲存作為一種高密度儲存方式已被人們研究多年,並在許多領域得到了廣泛地應用.其潛在的儲存密度理論上可達1012～1013bits/cm3.
全息儲存的早期工作多集中於無機材料(如鹵化銀膠體等).其最大的困難在於必須濕法顯影和放大,因此就限制了它的推廣和應用. 80年代有機全息材料的發現為全息儲存的應用帶來了廣闊的前景.
(8)光電儲存.這是一種光電協同作用的儲存技術.寫入過程是利用掃瞄隧道顯微鏡(scanning tunneling microscopy,stm)探針對介質施加區域性電場,同時大範圍照光,在光電同時作用的區域光生載流子在運動過程中被材料的深能級俘獲,介質內部發生永久性極化.
這就是資訊的儲存過程.讀出過程是在光照情況下,依靠stm探針在短路或反偏壓下掃瞄,在已記錄的區域將出現放電現象,表現為短路電流.由於記錄斑點的大小是由stm探針施加電場的面積大小決定,這種光電儲存技術的最高儲存密度可達8×1010bits/ j bard等人用液晶卟琳作為儲存介質對這種光電儲存技術進行了詳細的研究.
由於樣品內部存在深能級捕獲位,載流子可被這些深陷井位長時間的捕獲,捕獲後的載流子在樣品內形成內電場,使介質產生極化現象,只有在光照條件下才能發生放電和中和.電荷的捕獲和中和過程則對應於資訊的儲存和擦除過程.
(9)光致分子取向儲存.利用偶氮類介質的光敏特性,在偏振光作用下使偶氮生色團重新取向可實現光資訊的儲存.偶氮化合物是一類重要的染料,它作為一種新型光資訊儲存介質,具有超高儲存密度和非破壞性資訊讀出等特性已為人們所證實.
它具有光致變色特性,在光致變色儲存方面已開展了許多研究.偶氮苯體系的光致變色性是由於其中的- n= n-在光作用下發生順反異構化而引起的.光致分子取向儲存的機制是**偏振雷射作用下,偶氮生色團分子通過可逆的順反異構化迴圈過程達到其取向的統一.
這樣含偶氮的介質中將出現了偏振各向異性,介質表現出雙折射現象.通過區域性地寫入光致各向異性或區域性地擦除光致各向異性,可實現光資訊的儲存.
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