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微全息存储技术的发展 时间:2017-07-12   点击:  栏目:全息新闻

  从记录材料方面来看,目前已有文献报道的微全息存储的记录材料主要有光热塑料、光折变晶体和光致聚合物.2005年,美国通用电气的Dubois等在光热塑料中进行微全息存储研究,实验结果表明,在掺染料的光热塑材料中进行微全息存储是可能的,全息图的反射率可以达到3%,但微全息图的维度(尺寸)比利用高斯光束的束腰值计算出来的大得多,会导致复用度下降,从而降低存储密度.2003年,Tverdokhleb等提出了再掺铁铌酸锂晶体中进行多层微全息存储,采用同轴多阶相移(Multilevel Phase Shift)和多层记录的方法来提高存储密度,在8mm×8mm×0.9mm的晶体材料中记录50层透射式的微全息图,相邻层间隔为12um,每层全息图用八阶相移编码进行复用,材料的最大折射率调制幅度为3×10-³.2007年,Steinberg等采用双光子记录技术在钽酸锂晶体(LiTaO3)中记录透射式的微全息图,实现了3×3×3阵列的微全息记录图,每个全息图尺寸为1.0um×1.4um×10×um,材料的折射率调制幅度△n=1.07×10-³.光折变晶体作为记录材料,噪声低,材料无收缩,但是记录信息对写入和读出光敏感,易于被擦除,即使是在暗保存条件下,信息的存储寿命也比较短.与铌酸锂晶体相比,钽酸锂晶体内存储的信息暗保存时间长,采用双光子记录的技术可以实现非易失性的读出,但是其可实现的折射率调制范围又比铌酸锂晶体低.从综合性能来看,适用于大容量高密度微全息存储,并有望走出实用化的材料仍然是光致聚合物.

  微全息存储技术提出伊始是在杜邦的光致聚合物(HRF-800型)材料中进行的实验研究,随后在几种不同类型的光致聚合物中(如杜邦的自由基聚合物和Aprils阳离子开环聚合物等)分别进行了微全息存储特性研究.用于微全息存储的光致聚合物材料主要要求几方面的性能:材料对记录光的响应阈值、材料灵敏度、折射率调制范围.这里所指的“灵敏度”定义为单位能流在材料中产生的折射率变化,它决定了要达到目标折射率调制幅度或目标衍射效率所需必要的光强,从而影响全息图记录的曝光时间、记录速率等.材料的折射率调制范围△n直接和写入的全息图衍射效率相关.材料性能所要达到的具体指标根据实际全息存储系统的目标存储密度、数据记录或读取的速率等参数来确定.根据美国通用电气全球研究中心的报道,如果要求微全息存储盘单层面存储容量达25GB/层,记录速率为4.5Mbit/s,存储20层数据,全息图目标反射率不小于0.1%的情形下所要求的光致聚合物材料的灵敏度约为0.004cm²/J(记录光强度为150mW/cm²),最大折射率调制幅度0.02.目前,通用电气已开发出了满足这一要求的光致聚合物材料.

  除了材料的性能,为实现高密度大容量的微全息存储,还要利用不同的复用技术.由于微全息存储记录的仍然是体积全息图,所以可以利用体全息图的布拉格选择性进行波长复用和角度复用或者是两者组合的复用技术来实现高密度大容量的信息存储.2006年Yang等将高斯光斑尺寸减小到1um,焦深20um,实验验证了利用两台激光器和窄带光源在(400~650nm)可实现单点15bit的复用度.2010年,日本NEC的Katayama等对波长与角度组合复用技术进行了实验研究,实验给出了单点10bit的复用度,其中包含两个波长复用,对应于每个波长记录时,采用了5个角度复用.Katayama等还提出了采用页面式体全息存储中的调制码(如2:4码,9:16码)对波长和角度进行编码,可充分利用材料的动态范围,增加存储的密度和容量.如果将上述技术与位移复用技术组合,有望在适当减少记录层数的情形下,实现微全息存储太字节量级的存储容量.

  在微全息技术发展的进程中,对于驱动系统的研究一直受到了颇多关注.2005年Rob-ertR.McLeod等提出了一种微全息多层存储盘的系统构型,在标准的光盘读写驱动系统内增加一个额外的反射单元(置于记录材料下方)和共焦针孔(置于数据探测器前),可以在快速旋转的全息光致聚合物盘中实现微全息图的多层记录和读出,实验证明微全息存储可以达到与页面式存储相同量级的读出速率,同时预言约在1mm厚的材料中实现1TB的存储容量.2007年Orlic等参数一个没有伺服装置的准动态微全息记录系统,存储材料采用Aprilis的光致聚合物,微全息图可以缩小到200~300nm,记录光波长可采用532nm或405nm,轨道间距减小到500nm,相邻信息层间距为2um.2009年,GE(美国通用电气研究中心)的微全息存储研究组宣布在自行开发实验系统上,利用新开发的光致聚合物材料,以405nm的脉冲激光器作为记录光源,在120cm大小的光盘上实现500GB的存储容量,其静态实验测试系统原理图所示.系统采用405nm的脉冲激光器作为记录光源,利用两束相向传播的光束干涉实现全息图的记录,用于聚焦信号光束的透镜和存储材料都置于三维调节台(3-axis stage)上以实现信息的复用存储,数据接收采用共焦探测的方式.

  Sony公司的Miyamoto等也提出了一种微全息存储系统的构型,系统也采用405nm激光器和两束相向传播高斯光束干涉的形式,但是其轨道寻址和自动聚焦控制等伺服装置实现了系统在全息图写入和读出过程中的动态控制.系统的数值孔径为0.51,可实现的轨道间距为1.1um,每层可以实现1.9GB的存储容量,层间距为25um.尽管其轨道间寻址的线速度还比较小,层间距也较大,但是该系统有可能实现10层存储.该系统主要的优势体现在再现信息的探测精度上.

  综上所述,微全息存储技术值得肯定的优势是其驱动技术与系统组件和传统的光学存储系统相似,所以与现有的CD、DVD等存储系统兼容性强.然而,微全息存储技术也有其固有的缺陷.由于是按位式的串行存储,使该技术难以达到很高的数据传输速率;用于该系统的存储材料要求是光学非线性的,所以材料的制备技术须额外考虑.记录过程中由于参与干涉的两束光须动态聚焦到介质的同一体积内,所以微全息存储系统的伺服系统相对复杂.在进行多层存储时会引起光束的畸变,因而显著地限制了实际可以达到的存储密度.由此看来,微全息存储技术要走向实用,还须对上述缺陷进行技术攻关,已完善存储系统的整体性能.

  体全息存储技术作为最有潜力海量信息存储技术,发展至今无论是“页面式”存储还是“位式”体全息存储技术都有应用型的系统面世,但是其性能还不够完善.体全息存储器由于技术和系统成本的原因目前还智能应用于某些专业的海量存储领域.在未来的发展中,体全息存储技术还须在存储材料和驱动系统上进一步突破,提高和完善整体性能,同时减小体全息存储器的尺寸,降低其成本.如果能在上述方面有所突破,体全息存储技术也必将打开其他应用领域的大门.

微全息存储技术的发展


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