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Brief Introduction to Optical Information Storage 光学信息存储简介 第一讲

Brief Introduction to Optical Information Storage 光学信息存储简介 第一讲. 黄明举 河南大学物理与信息光电子学院 2005.12. Outline 本讲的主要内容. 信息的基本问题 信号的分类 模拟信号、模拟信号的缺点 数字信号、为何要用二进制编码 数字信息的存储方式、传统的光学信息存储、我们的需求 CD 和 DVD 的基本格式 正在开发的光信息存储技术 数字全息存储技术. Base of the information 信息的基本问题.

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Presentation Transcript

  1. Brief Introduction to Optical Information Storage光学信息存储简介第一讲 黄明举 河南大学物理与信息光电子学院 2005.12

  2. Outline本讲的主要内容 • 信息的基本问题 • 信号的分类 • 模拟信号、模拟信号的缺点 • 数字信号、为何要用二进制编码 • 数字信息的存储方式、传统的光学信息存储、我们的需求 • CD和DVD的基本格式 • 正在开发的光信息存储技术 • 数字全息存储技术

  3. Base of the information 信息的基本问题 • Definition of information 信息的定义----人们从外部客体获得的情况、情报、消息等。 • Quantity of information信息的量化----I=log2 1/p • Length of information信息的长度----bit-byte • Method of information acquirement人们获得信息的方式----Watching, Listening, Feeling. • Original Method of information storage信息的原始记录方式----Voice, Picture, Sign.

  4. Category of signal信号的分类 • Analog signal模拟信号----未经过编码的实际物理信号no coding physical signal • Digital signal数字信号----经过二进制编码的信号binary coding signal • Electrical signal 电信号 • Optical signal 光信号

  5. Analog signal模拟信号 • Amplitudemodulating & frequency modulating signal 调幅和调频收音机信号 • Classical transistor signal 传统的无线电信号 • Actual TV signal目前的电视信号 • Classical audio and video signal 传统的录音和录象信号

  6. Deficiency of analog signal模拟信号的缺点 • 容易受到干扰----Noise • 存在截止频率容易失真----Distortion • 对存储方法和技术要求高

  7. Digital signal数字信号 • Binary coding 二进制编码 • 质量与采样频率有关----Sampling frequency • 与信息编码的长度有关----Coding length • 缺点是占用存储空间大----Too large

  8. 简单方便快捷----Easy 对器件要求底----Limit of the element Binary coding ---- Why?为何要用二进制编码

  9. Storage of the digital data数字信息的存储方式 • 半导体存储器Semiconductor----MOS et al. RAM(SRAM, DRAM)----1-100MB • 磁存储器Magnetic----HD(Hard disk)----1-100GB • 光存储器Optical----CD, CD-ROM, CD-R(W), DVD-ROM, DVD-R(W), HDDVD, HoloD----650MB-100GB-1Tb • 磁光存储器Magnet-Optical----MO

  10. Classical Method of Optical Storage传统的光学信息存储 • CD-ROM只读式光盘----650-700MB • CD-R(WORM)可写式光盘----650-700MB • CD-RW可擦重写式光盘----650-700MB • DVD-ROM----4.3GB • DVD-R----4.3GB • DVD-RW?----4.3GB • HDDVD?----20GB

  11. Our necessity我们的需求 • High density to super high density高密度到超高密度----600nm-200nm-40nm；５bit—100bit/um2 • Super large capacity超大容量----1GB-100GB-10TB • Super fast(High speed)超高传输速率----1-10-100MB/s[目前光缆的传输速度100-1000MB/s]

  12. Example in our life • One page text一页文本----40KB • One page normal color picture一张普通彩色图片----50KB(JPG)-1MB(BMP) • One MP3一首MP3 ----3MB • One CD level song一首CD级歌曲----30MB • One VCD level movie一个VCD级电影----1GB • One DVD level movie一个DVD级电影----8GB

  13. Basic Format of CD or DVD（1）CD和DVD的基本格式

  14. Basic Format of CD or DVD（2）

  15. Basic Format of CD or DVD（3）

  16. What are developing now (1)? • Improving the data recording density增加存储密度----缩小光斑（Super resolution超分辨)+减小波长----瑞利判据: D=1.22/NA=1.22 f/D+增加存储维度如三维存储（Digital holographic storage数字全息存储，Bi-photon absorbing storage双光子吸收存储，PSHB持续光谱烧孔存储) • Improving the data rate增加信息的传输速率----Parallel Access并行读写(Digital holographic storage)

  17. What are developing now (2)? • Developing new principle and method研究新原理和新方法----Bi-photon absorbing storage双光子吸收存储，PSHB持续光谱烧孔存储，Digital holographic storage数字全息存储，Nanometer storage纳米存储 • Developing new material发展新材料----与上述各种存储方法对应的新材料

  18. Solid Immerge Lens(SIL)固体浸没透镜技术 • 固体浸没透镜(SIL)是根据瑞利衍射分辨极限的公式为了减小记录光斑的大小，由G.S.Kino[5]等人在1990年制成的旨在使光学读写头的数值孔径大于理论极限值“1”的光学信息读写头，它包括一个物镜L1和一个SIL,SIL是一个平切的半球形透镜，如图1-1所示。

  19. Super Resolution Structure(SRS)超分辨近场结构 • 超分辨近场结构主要由可写光盘及孔径层组成，孔径层通过透明介质层与可写DVD连成一体，如图所示，孔径层实际上是具有三阶非线性双稳态开关特性的薄膜，当激光脉冲上升沿来到时，微区薄膜处于高透射的开态，类似于照相机的快门开启，光脉冲通过该透明孔径对光盘进行记录，光脉冲撤离，孔径处于低透射的关态。这种孔径探针与可写光盘组成一体，可确保探针飞行高度一定，这高度实际就是介质层的厚度。适当选择激光波长、功率和脉宽，可获得超微孔径以达到超分辨记录的目的。200nm-70b/um2.

  20. NSOM近场扫描光学显微镜技术 • 近场扫描光学显微镜技术以光纤锥尖探针取代通常光学头的物镜，直接将激光用锥尖形光纤或光导管引向被测物，在极近的距离内（亚微米量级）形成分辨率为几十个纳米的光点，作为信息存储的一个位，然后用扫描的方式形成显微图象来实现信息的读出，如图。利用磁光Kerr效应进行信息记录的磁扫描近场光学显微镜记录点尺寸可达10nm。显然这种技术突破了瑞利衍射极限的制约，大大的减小了信息存储位的物理线度，提高信息的存储密度。

  21. BPA双光子吸收三维存储 • 双光子存储是基于材料的双光子过程进行信息的记录与擦除的，双光子过程是指：介质中的分子同时吸收两个不同光束中的两个光子而被激发到高的电子能态。两个光子的波长可以相同也可以不相同。必须同时吸收两个光子才能被激发到激发态。当两束光沿不同方向照射并会聚到材料的同一区域，确定了一个微小的重叠区域。在此区域中发生双光子过程后分子发生了改变，使材料的理化特性改变，从而记录了一个信息位。需要强调的是，双光子过程中两个光子中任何一个的波长都不能单独的被吸收，只有两个波长的组合才能与分子的跃迁相谐振，故两个光子必须在时间上和空间上都相互重叠，才能引起双光子过程；另一方面，可用来存储信息位的材料局部性质变化包括折射率、吸收率、荧光特性或材料电特性等方面的改变。双光子技术的介质通常是散布在聚合物基质中的双光子光致变色材料。已经研究了许多种光致变色材料和聚合物的系统。如初期的工作多用螺吡喃（SP）/聚甲基丙烯酸甲酯系统（SP/PMMA）

  22. Principle and Technique 原理与技术

  23. PSHB持续光谱烧孔光学存储

  24. DHS（HVD）数字全息存储技术 • Holographic principle全息的原理----recording--interference & reading--diffraction干涉记录和衍射读出 • Digital technique 数字化技术 • 3D&parallel technique三维并行技术

  25. Principle

  26. Technique • Angular multiplexing角度复用技术 • Wavelength multiplexing波长复用技术 • Phase multiplexing位相复用技术 • Spatial multiplexing空间复用技术 • Hybrid multiplexing 上述各种技术的复合

  27. Holographic material? • Online dry processing 干法在线处理 • High exposure sensitivity高曝光灵敏度 • High diffraction efficiency高衍射效率 • High resolution高分辨率 • High optical quality高光学质量 • To be thick enough and cheap足够厚且便宜

  28. Modern holographic material • Photorefrective crystal光折变晶体 • Photorefrective Polymer光折变聚合物 • Photopolymer 光致聚合物 • Photochrometic polymer光致变色聚合物 • 。。。。。。

  29. What can we do? Thank you!

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