光存储技术及其发展
光存储技术是采用激光照射介质，激光与介质相互作用，导致介质的性质发生变化而将信息存储下来的。读出信息是用激光扫描介质，识别出存储单元性质的变化。在实际操作中，通常都是以二进制数据形式存储信息的，所以首先要将信息转化为二进制数据。写入时，将主机送来的数据编码，然后送入光调制器，这样激光源就输出强度不同的光束。
一、光存储技术原理
伴随信息资源的数字化和信息量的迅猛增长，对存储器的存储密度、存取速率及存储寿命的要求不断提高。在这种情况下，光存储技术应运而生。光存储技术具有存储密度高、存储寿命长、非接触式读写和檫出、信息的信噪比高、信息位的价格低等优点。
此激光束经光路系统、物镜聚焦后照射到介质上（焦点处记录斑直径正比于波长λ，反比于聚焦系统的数值孔径NA）,其中一种存储方法是介质被激光烧蚀出小凹坑。介质上被烧蚀和未烧蚀的两种状态对应着两种不同的二进制数据。识别存储单元这些性质变化，即读出被存储的数据。
二、光存储技术的发展
1.MO: 仍在继续成长
1990年中期，5.25英寸磁光盘（即MO，3.5英寸的MO只出现在日本）系统取代了12英寸写一次可读多次 (WORM) 光盘的统治地位，并且把这种地位一直保持到最近。在MO驱动器中有一个电磁头来极化记录层上的磁点，它只有在温度很高时才会改变。所以MO磁盘的工作方式是：MO磁盘的一面上有一个激光二极管把极点加热到临界温度（称为“居里点”），而在另一面的磁头把该点极化。当该极点“旋离”激光头后，该点会迅速冷却下来，并保持了极性，除非对它再次加热和加磁。一般的磁铁摩擦，甚至核磁共振扫描仪都对MO磁盘没有影响。
MO最可怕的竞争来自可读写压缩光碟（CD-R，1990年出现）。MO的制造商通过在不提升价格的同时显著增加容量的方式回击CD-R的挑战。所有MO制造商都统一了标准，并且采取了一致的发展“路线”：每隔18个月把容量提高一倍。MO的容量从1.3GB、2.6GB、5.2GB、一直发展到现在的
9.4GB(4.7GB/面)。并且每种新型的MO驱动器仍可以读取以前三代MO媒质，同时至少能写前两代的MO盘。MO的用户和存储管理员把这种投资保护特点看作是MO的最大优势，并且对MO非常忠心。但是MO生产商知道，9.4GB可能是5.25英寸MO盘的极限了。因为如果进一步缩小或密排记录点，那
么就会导致无法接受的高错误率；而如果把激光二极管的波长从红光一端转到蓝光一端，虽可提高容量（可提高4倍），但制造商现在无法生产足够小、足够便宜和使用寿命足够长的蓝光激光二极管。
2.CD: 燃烧的渴望
当第一批可读写CD系统上市时，这种系统的驱动器价格高达5000多美元，盘片价格也有20多美元。但是这种光盘可以在任何CD-ROM驱动器或CD-音频播放机中使用。这种技术在出现后就被迅速标准化，并且十几家制造商开始制造这种系统。飞利浦和索尼还推出了一种可读写的 (CD-RW) 光盘，并鼓动所有只读驱动器的制造商在其产品中安装这种“多次读写”芯片。今天，标准的CD-RW驱动器(“CD 刻录机”) 的零售价格不超过200美元，而可读写光盘的价格在1美元左右，一次写入的光盘价格低于0.50美元。最近出现了另外一种标准规格的可读写光盘。用于高速记录（即由12倍速以上的新驱动器写入）的CD-RW光盘不能用于8倍速以下的老式光盘驱动器。所以在升级之前，请检查您驱动器的规格。 Eastman Kodak 推出了一种极具诱惑力的混合CD（CD-PROM），它综合了“只读”和“可记录”两种特点。用户可用CD-PROM为特定收件人定制发行光盘，用户则可以更改某些文件，但是不能更改其他文件。即便如此，说它是一种杀手锏还为时过早。
3.DVD: 下一阶段
六年以前，在业界第一个标准组织——光存储技术协会中有过一次争论，争论的一方是索尼和飞利浦，另一方是东芝、日立和Matsushita。他们所争论的问题是关于一种新型的、高容量的、与CD媒质采用相同形式的光盘系统。争论的结果是东芝联盟一方“赢了”，他们把这种新格式命名为DVD。
DVD记录采用了相变技术。这种技术已经存在多年，其原理是：激光二极管发出的热量使记录点呈现高反射（“水晶”）状态或另外一种状态（“非晶体”），而第二个激光二极管在读取这两种不同状态时把它们分别标识为“1”或“0”。（相比之下， CD-R只写一次，因为它使用“烧蚀”技术在记录层中产生一种永久性的、物理的标记。）MO制造商多年来一直批评相变记录技术，他们声称这种媒质的写入次数只能达到MO的十分之一。但这种数字是“几十万次”与“几百万次”的比较。对于普通的存储应用来说，这种比较根本没有什么实际意义。需要记住的是，DVD的容量不是由数据存储业设置的，而是由好莱坞制定的。一张DVD光碟需要容纳两个小时的全动作片，并能提供广播电视级的图像大小和质量。最终，DVD采用相当紧密的压缩算法 (MPEG-2)，每个记录层的最低容量是4.7GB。现在这个
数字已经成了标准。先锋、Matsushita、东芝、日立等厂家都把他们的最新式DVD录制机制成多功能的：先锋增加了一种称为DVD-RW格式的可重写能力，Matsushita集团采用了只写入一次的DVD-R。你可能会猜到，不同厂家的可重写媒质是不兼容的，而只有DVD-R光盘是通用的。现在出现了一种更专用的可读写格式。索尼、飞利浦以及其他四个厂商都在宣传DVD+RW 格式。但是DVD+RW驱动器和介质才刚刚上市。惠普推出了第一个商业品牌的DVD+RW，而戴尔是支持它的第一个PC制造商。现在，苹果公司也OEM了先锋的DVD-R驱动器。
用户：选择适用的
在采用光碟存储方法之前，我们还应该问问是否有更新的、更好的存储技术出现。从长远的观点来看，当然有。可IT企业不希望在短期内系统的存储能力有巨大提高。比如，DVD每面可以有两个数据层，但还不能实现在每面上提供两个可记录层。在一两年之内，这种改进恐怕无法实现。
今年可能要出现一种称为“DataPlay”的一次写入格式。它可在四分之一的普通盘片面积上存储500MB数据。Samsung 和 Imation将推出第一批DataPlay驱动器和盘片。据说这种格式的物理大小和容量可能更适合于“娱乐”而不是用于“数据”。
不要相信一些“虚幻”的未来许诺。蓝光激光二极管仍然没有任何明显进展。几年以前，Quinta 和TeraStor曾经极力鼓吹称为“近场”和“远场”记录的光磁混合技术，结果是这两种方案到现在也没有投入实际生产。只有在材料科学发生重大突破后，全息系统才有可能在一块方糖大小的空间上存储他们曾经吹嘘过的TB级数据。
三、光存储技术的分类及最新进展
只读式光盘
记录介质为涂有光刻胶的玻璃盘基。在调制后的激光束的照射下，再经过曝光、显影、脱胶等过程，正像母盘上就出现凹凸的信号结构。之后利用蒸发和电镀技术，得金属负像母盘，最后用注塑法或光聚合法在金属母盘上复制光盘。读出信息：激光照射在凹坑上，利用凹坑与周围介质反射率差别读出信息。
1.CD-R 光盘
记录信息：利用热效应。用聚焦激光束照射CD-R 光盘中的有机染料记录层，照射点的染料发生汽化，形成与记录信息对应的坑点，完成信息的记录。读出信息：利用坑点与周围介质反射率的区别。
2.可檫写光盘
相变型存储材料的光盘 记录信息：高功率调制后的激光束照射记录介质，形成非晶相记录点。非晶相记录点的反射率与未被照射的晶态部分有明显的差异。读出信息：用低功率激光照射存储单元，利用反射光的差异读出信息。信息的擦除：相记录点在低功率、宽脉冲激光照射下，又变回到晶态。
磁光存储材料的光盘 记录信息：记录介质为磁化方向单向规则排列的垂直磁光膜。在聚焦激光束照射下，发生热磁效应，记录点的磁化方向发生变化，进而完成信息记录。读出信息：利用法拉第效应和克尔效应。信息的擦出：在激光的作用下，改变偏磁场的方向，删出了记录信息。 第一代、第二代光盘技术
多媒体信息时代的第一次数字化革命是以直径为12cm 的高音质CD
（Compact disc）光盘取代直径为30cm 的密纹唱片。这其中包括CD-ROM, CD-R 和CD-RW 类型。CD 光盘使用的激光波长为780nm，数值孔径为0.45，道间距为1.6um，存储容量为650MB。第二代数字多用光盘DVD(Digital Versatile Disk)使用的激光波长为635/650nm，数值孔径为0.6，道间距为0.74um，单面存储容量为4.7GB，双面双层结构的为17GB。DVD光盘系列有DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW, DVD+RW 等多种类型。目前DVD-Multi 已兼容了。DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM 三种光盘。上述这些产品的问世，对包括音频、视频信息在内的数据的记录都发挥过巨大的作用。
蓝光存储及近场光存储
高清晰度电视HDTV(High-Definition)的投入使用，要求研发出更高存储密度的光盘，蓝光存储、近场光存储等应运而生。
多阶光存储技术
多阶光存储是目前国内外光存储研究的重点之一，缘于它可以大大地提高存储容量和数据传输率。在传统的光存储系统中，二元数据序列存储在记录介质中，记录符只有两种不同的物理状态，例如只读光盘中交替变化的坑岸形貌。多阶光存储是读出信号呈现多阶特性，或者直接采用多阶记录介质。多阶光存储分为信号多阶光存储和介质多阶光存储。
从技术上讲，蓝光光盘的下一代存储技术是相当先进的，不过由于蓝光光盘格式本身与现存的红光DVD格式并不兼容，所以如果采用蓝光光盘格式的厂商必须大动干戈的更换整条生产线，这大大增加了生产厂商的生产成本，使得其价格普遍偏高，从很大程度上阻碍了蓝光光盘格式的普及。
所以虽然蓝光技术得到了很多大厂得支持，但价格是蓝光技术的致命伤。不过还是有很多有实力的大厂如三星、飞利铺 、LG、三菱、索尼等表示他们已经或很快将要推出其支持蓝光技术的产品。
10计本班 曹宾辉
2011.9.29
光存储技术及其发展
光存储技术是采用激光照射介质，激光与介质相互作用，导致介质的性质发生变化而将信息存储下来的。读出信息是用激光扫描介质，识别出存储单元性质的变化。在实际操作中，通常都是以二进制数据形式存储信息的，所以首先要将信息转化为二进制数据。写入时，将主机送来的数据编码，然后送入光调制器，这样激光源就输出强度不同的光束。
一、光存储技术原理
伴随信息资源的数字化和信息量的迅猛增长，对存储器的存储密度、存取速率及存储寿命的要求不断提高。在这种情况下，光存储技术应运而生。光存储技术具有存储密度高、存储寿命长、非接触式读写和檫出、信息的信噪比高、信息位的价格低等优点。
此激光束经光路系统、物镜聚焦后照射到介质上（焦点处记录斑直径正比于波长λ，反比于聚焦系统的数值孔径NA）,其中一种存储方法是介质被激光烧蚀出小凹坑。介质上被烧蚀和未烧蚀的两种状态对应着两种不同的二进制数据。识别存储单元这些性质变化，即读出被存储的数据。
二、光存储技术的发展
1.MO: 仍在继续成长
1990年中期，5.25英寸磁光盘（即MO，3.5英寸的MO只出现在日本）系统取代了12英寸写一次可读多次 (WORM) 光盘的统治地位，并且把这种地位一直保持到最近。在MO驱动器中有一个电磁头来极化记录层上的磁点，它只有在温度很高时才会改变。所以MO磁盘的工作方式是：MO磁盘的一面上有一个激光二极管把极点加热到临界温度（称为“居里点”），而在另一面的磁头把该点极化。当该极点“旋离”激光头后，该点会迅速冷却下来，并保持了极性，除非对它再次加热和加磁。一般的磁铁摩擦，甚至核磁共振扫描仪都对MO磁盘没有影响。
MO最可怕的竞争来自可读写压缩光碟（CD-R，1990年出现）。MO的制造商通过在不提升价格的同时显著增加容量的方式回击CD-R的挑战。所有MO制造商都统一了标准，并且采取了一致的发展“路线”：每隔18个月把容量提高一倍。MO的容量从1.3GB、2.6GB、5.2GB、一直发展到现在的
9.4GB(4.7GB/面)。并且每种新型的MO驱动器仍可以读取以前三代MO媒质，同时至少能写前两代的MO盘。MO的用户和存储管理员把这种投资保护特点看作是MO的最大优势，并且对MO非常忠心。但是MO生产商知道，9.4GB可能是5.25英寸MO盘的极限了。因为如果进一步缩小或密排记录点，那
么就会导致无法接受的高错误率；而如果把激光二极管的波长从红光一端转到蓝光一端，虽可提高容量（可提高4倍），但制造商现在无法生产足够小、足够便宜和使用寿命足够长的蓝光激光二极管。
2.CD: 燃烧的渴望
当第一批可读写CD系统上市时，这种系统的驱动器价格高达5000多美元，盘片价格也有20多美元。但是这种光盘可以在任何CD-ROM驱动器或CD-音频播放机中使用。这种技术在出现后就被迅速标准化，并且十几家制造商开始制造这种系统。飞利浦和索尼还推出了一种可读写的 (CD-RW) 光盘，并鼓动所有只读驱动器的制造商在其产品中安装这种“多次读写”芯片。今天，标准的CD-RW驱动器(“CD 刻录机”) 的零售价格不超过200美元，而可读写光盘的价格在1美元左右，一次写入的光盘价格低于0.50美元。最近出现了另外一种标准规格的可读写光盘。用于高速记录（即由12倍速以上的新驱动器写入）的CD-RW光盘不能用于8倍速以下的老式光盘驱动器。所以在升级之前，请检查您驱动器的规格。 Eastman Kodak 推出了一种极具诱惑力的混合CD（CD-PROM），它综合了“只读”和“可记录”两种特点。用户可用CD-PROM为特定收件人定制发行光盘，用户则可以更改某些文件，但是不能更改其他文件。即便如此，说它是一种杀手锏还为时过早。
3.DVD: 下一阶段
六年以前，在业界第一个标准组织——光存储技术协会中有过一次争论，争论的一方是索尼和飞利浦，另一方是东芝、日立和Matsushita。他们所争论的问题是关于一种新型的、高容量的、与CD媒质采用相同形式的光盘系统。争论的结果是东芝联盟一方“赢了”，他们把这种新格式命名为DVD。
DVD记录采用了相变技术。这种技术已经存在多年，其原理是：激光二极管发出的热量使记录点呈现高反射（“水晶”）状态或另外一种状态（“非晶体”），而第二个激光二极管在读取这两种不同状态时把它们分别标识为“1”或“0”。（相比之下， CD-R只写一次，因为它使用“烧蚀”技术在记录层中产生一种永久性的、物理的标记。）MO制造商多年来一直批评相变记录技术，他们声称这种媒质的写入次数只能达到MO的十分之一。但这种数字是“几十万次”与“几百万次”的比较。对于普通的存储应用来说，这种比较根本没有什么实际意义。需要记住的是，DVD的容量不是由数据存储业设置的，而是由好莱坞制定的。一张DVD光碟需要容纳两个小时的全动作片，并能提供广播电视级的图像大小和质量。最终，DVD采用相当紧密的压缩算法 (MPEG-2)，每个记录层的最低容量是4.7GB。现在这个
数字已经成了标准。先锋、Matsushita、东芝、日立等厂家都把他们的最新式DVD录制机制成多功能的：先锋增加了一种称为DVD-RW格式的可重写能力，Matsushita集团采用了只写入一次的DVD-R。你可能会猜到，不同厂家的可重写媒质是不兼容的，而只有DVD-R光盘是通用的。现在出现了一种更专用的可读写格式。索尼、飞利浦以及其他四个厂商都在宣传DVD+RW 格式。但是DVD+RW驱动器和介质才刚刚上市。惠普推出了第一个商业品牌的DVD+RW，而戴尔是支持它的第一个PC制造商。现在，苹果公司也OEM了先锋的DVD-R驱动器。
用户：选择适用的
在采用光碟存储方法之前，我们还应该问问是否有更新的、更好的存储技术出现。从长远的观点来看，当然有。可IT企业不希望在短期内系统的存储能力有巨大提高。比如，DVD每面可以有两个数据层，但还不能实现在每面上提供两个可记录层。在一两年之内，这种改进恐怕无法实现。
今年可能要出现一种称为“DataPlay”的一次写入格式。它可在四分之一的普通盘片面积上存储500MB数据。Samsung 和 Imation将推出第一批DataPlay驱动器和盘片。据说这种格式的物理大小和容量可能更适合于“娱乐”而不是用于“数据”。
不要相信一些“虚幻”的未来许诺。蓝光激光二极管仍然没有任何明显进展。几年以前，Quinta 和TeraStor曾经极力鼓吹称为“近场”和“远场”记录的光磁混合技术，结果是这两种方案到现在也没有投入实际生产。只有在材料科学发生重大突破后，全息系统才有可能在一块方糖大小的空间上存储他们曾经吹嘘过的TB级数据。
三、光存储技术的分类及最新进展
只读式光盘
记录介质为涂有光刻胶的玻璃盘基。在调制后的激光束的照射下，再经过曝光、显影、脱胶等过程，正像母盘上就出现凹凸的信号结构。之后利用蒸发和电镀技术，得金属负像母盘，最后用注塑法或光聚合法在金属母盘上复制光盘。读出信息：激光照射在凹坑上，利用凹坑与周围介质反射率差别读出信息。
1.CD-R 光盘
记录信息：利用热效应。用聚焦激光束照射CD-R 光盘中的有机染料记录层，照射点的染料发生汽化，形成与记录信息对应的坑点，完成信息的记录。读出信息：利用坑点与周围介质反射率的区别。
2.可檫写光盘
相变型存储材料的光盘 记录信息：高功率调制后的激光束照射记录介质，形成非晶相记录点。非晶相记录点的反射率与未被照射的晶态部分有明显的差异。读出信息：用低功率激光照射存储单元，利用反射光的差异读出信息。信息的擦除：相记录点在低功率、宽脉冲激光照射下，又变回到晶态。
磁光存储材料的光盘 记录信息：记录介质为磁化方向单向规则排列的垂直磁光膜。在聚焦激光束照射下，发生热磁效应，记录点的磁化方向发生变化，进而完成信息记录。读出信息：利用法拉第效应和克尔效应。信息的擦出：在激光的作用下，改变偏磁场的方向，删出了记录信息。 第一代、第二代光盘技术
多媒体信息时代的第一次数字化革命是以直径为12cm 的高音质CD
（Compact disc）光盘取代直径为30cm 的密纹唱片。这其中包括CD-ROM, CD-R 和CD-RW 类型。CD 光盘使用的激光波长为780nm，数值孔径为0.45，道间距为1.6um，存储容量为650MB。第二代数字多用光盘DVD(Digital Versatile Disk)使用的激光波长为635/650nm，数值孔径为0.6，道间距为0.74um，单面存储容量为4.7GB，双面双层结构的为17GB。DVD光盘系列有DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW, DVD+RW 等多种类型。目前DVD-Multi 已兼容了。DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM 三种光盘。上述这些产品的问世，对包括音频、视频信息在内的数据的记录都发挥过巨大的作用。
蓝光存储及近场光存储
高清晰度电视HDTV(High-Definition)的投入使用，要求研发出更高存储密度的光盘，蓝光存储、近场光存储等应运而生。
多阶光存储技术
多阶光存储是目前国内外光存储研究的重点之一，缘于它可以大大地提高存储容量和数据传输率。在传统的光存储系统中，二元数据序列存储在记录介质中，记录符只有两种不同的物理状态，例如只读光盘中交替变化的坑岸形貌。多阶光存储是读出信号呈现多阶特性，或者直接采用多阶记录介质。多阶光存储分为信号多阶光存储和介质多阶光存储。
从技术上讲，蓝光光盘的下一代存储技术是相当先进的，不过由于蓝光光盘格式本身与现存的红光DVD格式并不兼容，所以如果采用蓝光光盘格式的厂商必须大动干戈的更换整条生产线，这大大增加了生产厂商的生产成本，使得其价格普遍偏高，从很大程度上阻碍了蓝光光盘格式的普及。
所以虽然蓝光技术得到了很多大厂得支持，但价格是蓝光技术的致命伤。不过还是有很多有实力的大厂如三星、飞利铺 、LG、三菱、索尼等表示他们已经或很快将要推出其支持蓝光技术的产品。
10计本班 曹宾辉
2011.9.29