光存儲，風景無限好……

施堅

隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進步，人們對信息的需求不斷增加，對信息數(shù)據(jù)存儲的要求也越來越高；特別是對存儲容量和速率無止境的需求，促進了各種存儲技術(shù)的發(fā)展，其中包括光存儲技術(shù)。

光存儲技術(shù)是用激光照射介質(zhì)，通過激光與介質(zhì)的相互作用使介質(zhì)發(fā)生物理、化學變化，將信息存儲下來的技術(shù)。其基本物理原理是：存儲介質(zhì)受到激光照射后，介質(zhì)的某種性質(zhì)（如反射率、反射光極化方向等）發(fā)生改變，介質(zhì)性質(zhì)的不同狀態(tài)映射為不同的存儲數(shù)據(jù)；存儲數(shù)據(jù)的讀出則通過識別存儲單元性質(zhì)的變化來實現(xiàn)。

光盤存儲

光盤存儲技術(shù)是通過光學的方法寫入和讀出數(shù)據(jù)的存儲技術(shù)，即用激光照射介質(zhì)，改變存儲單元的某種性質(zhì)，如反射率、反射光極化方向等，利用這種性質(zhì)的改變來存儲二進制數(shù)據(jù)，CD光盤即是利用了這一工作原理。

具體說，光盤存儲技術(shù)首先將數(shù)據(jù)經(jīng)光調(diào)制器轉(zhuǎn)換成二進制，使激光源輸出強度不同的光束。然后調(diào)制后的激光束通過光路系統(tǒng)，經(jīng)物鏡聚焦照射到介質(zhì)上將數(shù)據(jù)模式灼刻在具有反射能力的扁平盤片上。激光在盤片上刻出的小坑代表“1”，空白處代表“0”。讀取數(shù)據(jù)時，光檢測器檢測出光強和極化方向等的變化，觀察激光經(jīng)過的每一個點，以確定它是否反射激光。如果不反射激光，就表示“1”；如果激光被反射回來，就表示“0”，從而依次讀出存儲在光盤上的數(shù)據(jù)。由于激光光束可以聚焦到很小的直徑，因此它比磁、半導體等存儲介質(zhì)有較高的存儲容量，而這正是存儲大容量數(shù)據(jù)和多媒體信息所必需的。通常使用的CD光盤的容量一般為700M。近些年流行的藍光光盤采用的是接近藍色可見光的波長為405納米的藍紫光技術(shù)，HD DVD也采用藍紫光技術(shù)，容量可達50G以上，甚至幾百G。刻錄的激光波長就是這支“筆”的“筆尖”，“筆尖”更細，“字”也就寫得更多了。

無論上面提到的哪種光盤，由于存在面密度限制，面積成為不可逾越的物理極限。而且傳統(tǒng)光盤存儲受衍射分辨率極限的限制，即使采用數(shù)值孔徑更大的聚焦鏡和更短的波長，也很難大幅提高它們的存儲密度，而且光學頭和盤面之間有很近的距離，光學頭需要相對記錄介質(zhì)做機械運動，導致光機系統(tǒng)比較復雜，正逐漸接近其物理極限，存取時間只能限于毫秒量級。另外信息只能按位串行存取，因此傳輸速率有限。

全息存儲

20世紀60年代初，隨著激光器的出現(xiàn)，美國科學家范·希爾登提出了全息數(shù)據(jù)存儲的概念，即“三維立體存儲數(shù)據(jù)技術(shù)”。2005年，全息存儲被《福布斯》雜志評為未來十大“最酷”技術(shù)之一。

全息技術(shù)主要利用了激光技術(shù)，但與其他光存儲技術(shù)不同，全息存儲技術(shù)并不僅僅利用介質(zhì)表面，它以通過在整個存儲介質(zhì)內(nèi)記錄干涉圖案來存儲數(shù)據(jù)，而且會拍攝出完整的三維影像，真實反映被拍攝物體的全部信息，而不像過去只體現(xiàn)物體一面的二維數(shù)據(jù)。全息存儲與全息照相完全相同，同樣利用了光的干涉原理。在全息光存儲中，數(shù)據(jù)信息以全息圖的形式被記錄在存儲材料中。同時，全息存儲器在存儲和讀取數(shù)據(jù)時，都是以頁為單位。由于這種存儲方式可以實現(xiàn)信息的多重存儲： 一個晶體有無數(shù)個面，而且通過改變激光的角度、波長或相位，可在同一體積上存儲多個信息頁，這樣一塊晶體中便可存儲數(shù)量驚人的數(shù)據(jù)：一塊方糖大小的立方體就能存儲高達1TB（1TB=1024GB）的數(shù)據(jù)。

由此看來，全息存儲既實現(xiàn)了高品質(zhì)的三維影像數(shù)據(jù)存儲，又實現(xiàn)了整個存儲介質(zhì)幾乎是無間隙的整體存儲。事實上，全息存儲的優(yōu)點還體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的保存和讀寫上。全息存儲幾乎可以永久保存數(shù)據(jù)，在切斷電源供應的條件下，數(shù)據(jù)可在感光介質(zhì)中保存數(shù)百年之久，這一點也遠優(yōu)于硬盤。同時，由于全息存儲器以頁作為讀寫單位，不同頁面的數(shù)據(jù)可以同時并行讀寫，理論上，其存儲速度將相當迅速。據(jù)估算，未來全息存儲可以實現(xiàn)每秒1GB的傳輸速度，從網(wǎng)上傳輸一部電影，眨眼之間即可完成。

與傳統(tǒng)硬盤不一樣，全息存儲器因為不采用機械的方法操作光束移動，為非接觸式的，而且不需要任何移動部件即可實現(xiàn)利用激光束無慣性電子控制對數(shù)據(jù)進行并行讀寫，存儲材料使用壽命、數(shù)據(jù)可靠性、安全性都達到理想的狀況。與目前的存儲技術(shù)相比，全息存儲在容量、速度和可靠性方面都極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

玻璃存儲

不知大家是否還記得《超人》系列影片中的這樣一個場景，在北極冰原，年輕的克拉克·肯特發(fā)現(xiàn)了一塊水晶玻璃，其中儲存著超人父母喬·艾爾及拉拉的全息影像和聲音記錄。通過將一個玻璃記憶棒插入該水晶玻璃管，超人便獲取了這些信息。

不久前，英國科學家首次研發(fā)出一種類似于科幻電影《超人》中的“記憶晶體”的玻璃存儲器（如題圖所示）。這種存儲器塊頭小，存儲能力強，一塊比手機屏幕還小的玻璃存儲器便可存儲50GB的數(shù)據(jù)，與一張藍光光盤的存儲量相當。

英國科學家使用激光讓玻璃塊中的原子重新排列，讓玻璃“變身”為新式存儲器。他們首先讓一束激光聚焦，隨后將名為三維像素（voxels）的小點銘刻進純凈的石英玻璃內(nèi)，使玻璃變得有點模糊，光通過玻璃時會發(fā)生極化（偏振）。極化過程改變了光通過玻璃的方式及路徑，制造出了極光漩渦，以此將信息記錄于玻璃內(nèi)。玻璃存儲器內(nèi)的信息閱讀方式與光纖內(nèi)的數(shù)據(jù)一樣，可以利用光學解碼器讀取這些三維像素包含的信息，而且，其中存儲的數(shù)據(jù)也可以利用激光進行清除、重寫等操作，就像使用普通硬盤一樣。

相比于普通硬盤存儲器，玻璃存儲器更穩(wěn)定，更耐用。現(xiàn)在的硬盤存儲器的壽命僅為幾十年，且很容易被高溫和濕氣破壞。而這種玻璃存儲器能耐受983℃的高溫，即使在水中也不會受到任何破壞，信息可以在里面安全存儲幾千年，“玻璃存儲器有望變成一種非常穩(wěn)定、安全的便攜式存儲方式”。而且我們可以預見“玻璃存儲器將讓博物館和諸如國家檔案中心這樣的機構(gòu)大大受益”，足以滿足這些組織和機構(gòu)每隔5～10年就必須為其龐大的數(shù)據(jù)備份的需求，大大突破了現(xiàn)有硬盤存儲器壽命較短的瓶頸。

隨著科技的不斷進步，也許在不久的將來，普通電腦用戶便可將數(shù)據(jù)存儲到玻璃制造的硬盤上。

【責任編輯】趙 菲endprint