信息技术论文-超分辨光存储多维读出方法的研究

信息技术论文-超分辨光存储多维读出方法的研究

当今社会是一个飞速发展的信息社会，在各行各业中，人们对于信息传输的速度和信息存储的容量的要求越来越高。目前，磁盘存储已经达到技术瓶颈，存储密度难以突破1TB/in2，并且存储稳定性不高，逐渐不能满足人们的需要。半导体存储受半导体加工工艺的限制，继续发展的难度和成本都较高。光盘存储由于其低成本、低能耗、易于保存、寿命长等优点，在大数据存储领域具有一定优势。但是，由于“衍射极限”的存在，极大地限制了光存储的存储容量。同时，光存储的单比特读出方式也制约了其应用空间。目前，伴随着超分辨显微成像技术和多路复用技术在光存储领域中的应用，光存储的存储容量得到了显著提高。

因此，该课题拟在将测量薄膜厚度的光学方法应用于光存储读出中，增加单次读出的光学信息量，提高光存储读出速率。该读出方法的关键点在于，伴随着单次读出的信息量增加，需要对相应的光学信号解码得到多个信息。目前，干涉辅助光谱拟合方法是通过测量由于光程差引起的干涉现象，并通过光谱测量表征，精确确定薄膜厚度。将该技术进行优化改进并应用于光存储领域，有着非常广阔的应用前景。

本文研究了一种利用干涉辅助光谱拟合的多维光存储信息读出方法，成功地同时读出了2比特和3比特的光学信息，将光存储读出速率提高了2-3倍。本文详细介绍了用于该实验的多层介质膜光盘，包括利用传输矩阵法设计光盘结构、光盘对待测薄膜厚度的灵敏度、多比特光存储读出理论等。然后介绍了超分辨光存储多维读出系统的设计、搭建，包括系统的设计思路、光路的搭建、光斑的调节，以及超连续光谱的产生。之后介绍了超分辨光存储多维读出实验结果，并将实验结果与模拟结果对照解码，成功读出所写入的光学信息，证明该读出方法也适用于超分辨光存储。最后本文对目前的工作进展进行了总结，并提出下一步的发展方向。

但是，随着每个存储单元中信息数量的增加，在读出时所需要同时区分的光谱数量也在成倍增加。这就需要设计出干涉效果更加良好的光盘结构，以及精度更高的测量设备。同时，受限于实验室现有的精度较低的光存储信息写入方法，因此，本文仅仅进行了演示性实验，验证了该读出方法的可行性。在下一步的实验中，需要针对超分辨光存储记录点进行二进制编码，确保可以让读出信号互不干扰，降低误码率，优化现有的读出方法。此外，由于本文使用的读出方法是进行光谱测量，在一个存储单元中的不同信息记录点的位置信息被忽略了。如果能以成像的方式进行信息读出，就可以增加光学信息的位置这一维度，不仅可以实现同时读出多个比特的光学信息，还可以进一步增加光存储的容量。

当今社会是一个飞速发展的信息社会，在人们的生活、学习、工作、娱乐各个方面，对于信息传输速度和信息存储容量的要求越来越高。目前主要的存储方式可以分为磁存储，半导体存储和光存储。磁盘存储是利用磁性介质作为存储媒介，利用通入一定大小和方向电流的磁芯移动扫描磁性介质，实现信息的读写[1-2]，其内部结构如图1-1所示。由于磁盘具有存储容量大、读写速度快以及性价比高等优点，迅速在信息存储领域占据了一席之地[3]。磁盘存储的存储密度受磁芯大小的限制，目前只能达到1TB/in2。近年来研究人员提出，将热辅助磁记录和二维存储技术或点阵式磁记录技术相结合，理论上可以将存储密度分别提高到5TB/in2和10TB/in2 [4]。除了存储密度已经达到极限外，由于磁盘是磁存储，容易在外力或温度的影响下发生消磁现象，导致存储信息不稳定。目前，主要通过廉价磁盘冗余阵列来提高磁盘的稳定性，同时还可以提高读写速率[5]。但是，与半导体存储和光存储相比，磁盘存储的稳定性仍然有待提高。

为克服磁盘存储带来的不便，上世纪六十年代，一种没有机械结构的存储器——半导体存储芯片问世[3]，由于其存储密度高、读写速度快以及轻巧便携的优势迅速被应用于计算机存储领域，冲击了磁盘存储的市场。根据半导体存储器的功能可以将其分为两类。第一类是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)，它所存储的信息在生产过程中就已经确定，用户只能读取，而不能进行自主编辑。为了方便用户使用，后来出现了如可编程只读存储器(Programmable ROM, PROM)，用户可以编程一次、电编程存储器(Erasable Programmable ROM, EPROM)，用户可以擦除并重写存储信息[6]等允许用户自主编辑的ROM。另一类半导体存储器是随机存取存储器(Random-Access Memory, RAM)。这是一种利用晶体管中的电容带电与否来表示二进制编码“0”和“1”的存储器。最初的RAM分为动态RAM(Dynamic RAM, DRAM)和静态RAM(Static RAM, SRAM)。DRAM具有易失性，即使用时需要保持通电状态，否则存储内容会丢失，SRAM则可以在断电条件下保存数据，其读写速度更快，但是电路结构复杂，价格较高[3]。近年来，RAM一直朝着非易失性的方向不断发展，并取得了一定的成功。目前主要的非易失性RAM包括磁RAM(Magnetic RAM, MRAM)，通过磁场极化而不是电荷来存储数据。由于材料的磁性不会因为断电而消失，因此MRAM具有非易失性。理论上由于磁体的磁性是永久存在的，因此其读写次数也是无限的[7]。相变RAM(Phase-change RAM)由含有硫化物的玻璃制成[8]。该玻璃会因为温度变化而形成晶体或非晶体，从而影响其电阻值，由此来存储不同的信息。该技术复杂性高，很多研究组仍然在研究中。半导体存储的容量与晶体管的尺寸及集成度息息相关，受半导体加工工艺的限制，要有进一步的突破面临着巨大的技术难度和成本压力。

光存储是二十世纪七十年代出现的一种存储技术[9-12]。这是一种以光盘作为存储器，以光信号作为存储介质，利用激光原理进行光学信息的读写。光存储是通过在光盘表面的信息记录层上进行光化学反应，产生若干光学信息记录点。信息读出过程中，将读出光束聚焦照射并扫描光盘表面，有无光学信息记录点处所产生的反射光信息是不同的，因此，可以将其规定为二进制编码“0”和“1”，实现光学信息的读写。

光盘的发展是不断减小读写波长和提高光学信息存储密度的过程。根据光盘所使用的读写波长及信息存储密度，可以将其分为三类，分别是小型镭射光盘(Compact Disk, CD)、高密度数字视频光盘(Digital Versatile Disk, DVD)和蓝光光盘(Blu-Ray Disc, BD)。CD最早出现于1982年，当时的人们主要用它来发行音乐。1985年，人们首次使用CD-ROM存储数字信息，这正式标志着光盘不仅仅是一种音乐唱片，还是一种通用数字存储器。当时的CD光盘盘面直径为120mm，单面存储容量为650MB，数字传输速率为1.2Mbps。1995年，DVD光盘诞生。与CD类似，DVD也是从视频存储器开始，推广成为数字信息存储器。同样大小的DVD光盘单面存储容量为4.7GB，数字传输速率为11.08Mbps，与CD相比已经得到了明显的提升。2002年，Blu-ray Disc问世。其单面存储容量可以达到25GB，数字传输速率最大可达36Mbps。图1-3为CD、DVD和BD的表面结构及其读出过程的示意图。其详细参数见表1-1。根据表1-1可知，光盘所用的读写波长不断减小，从最初的红光到现在的蓝光，波长减小了近一半，这直接导致了读写光斑的尺寸也得到相应的减小。同时，读写过程所用物镜的数值孔径(Numerical Aperture, NA)，使得光束聚焦得到的光斑更小。这样就可以获得更小的光学信息记录点的尺寸及点间距，提高光盘的存储容量。