施堅(jiān)

隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)信息的需求不斷增加，對(duì)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求也越來(lái)越高；特別是對(duì)存儲(chǔ)容量和速率無(wú)止境的需求，促進(jìn)了各種存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，其中包括光存儲(chǔ)技術(shù)。

光存儲(chǔ)技術(shù)是用激光照射介質(zhì)，通過(guò)激光與介質(zhì)的相互作用使介質(zhì)發(fā)生物理、化學(xué)變化，將信息存儲(chǔ)下來(lái)的技術(shù)。其基本物理原理是：存儲(chǔ)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(chǔ)數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀出則通過(guò)識(shí)別存儲(chǔ)單元性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。

光盤存儲(chǔ)

光盤存儲(chǔ)技術(shù)是通過(guò)光學(xué)的方法寫(xiě)入和讀出數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)技術(shù)，即用激光照射介質(zhì)，改變存儲(chǔ)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(lái)存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)，CD光盤即是利用了這一工作原理。

具體說(shuō)，光盤存儲(chǔ)技術(shù)首先將數(shù)據(jù)經(jīng)光調(diào)制器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，使激光源輸出強(qiáng)度不同的光束。然后調(diào)制后的激光束通過(guò)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(shí)，光檢測(cè)器檢測(cè)出光強(qiáng)和極化方向等的變化，觀察激光經(jīng)過(guò)的每一個(gè)點(diǎn)，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(lái)，就表示“0”，從而依次讀出存儲(chǔ)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(dǎo)體等存儲(chǔ)介質(zhì)有較高的存儲(chǔ)容量，而這正是存儲(chǔ)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(lán)光光盤采用的是接近藍(lán)色可見(jiàn)光的波長(zhǎng)為405納米的藍(lán)紫光技術(shù)，HD DVD也采用藍(lán)紫光技術(shù)，容量可達(dá)50G以上，甚至幾百G?？啼浀募す獠ㄩL(zhǎng)就是這支“筆”的“筆尖”，“筆尖”更細(xì)，“字”也就寫(xiě)得更多了。

無(wú)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(chǔ)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(zhǎng)，也很難大幅提高它們的存儲(chǔ)密度，而且光學(xué)頭和盤面之間有很近的距離，光學(xué)頭需要相對(duì)記錄介質(zhì)做機(jī)械運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致光機(jī)系統(tǒng)比較復(fù)雜，正逐漸接近其物理極限，存取時(shí)間只能限于毫秒量級(jí)。另外信息只能按位串行存取，因此傳輸速率有限。

全息存儲(chǔ)

20世紀(jì)60年代初，隨著激光器的出現(xiàn)，美國(guó)科學(xué)家范·希爾登提出了全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的概念，即“三維立體存儲(chǔ)數(shù)據(jù)技術(shù)”。2005年，全息存儲(chǔ)被《福布斯》雜志評(píng)為未來(lái)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(chǔ)技術(shù)不同，全息存儲(chǔ)技術(shù)并不僅僅利用介質(zhì)表面，它以通過(guò)在整個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)內(nèi)記錄干涉圖案來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而且會(huì)拍攝出完整的三維影像，真實(shí)反映被拍攝物體的全部信息，而不像過(guò)去只體現(xiàn)物體一面的二維數(shù)據(jù)。全息存儲(chǔ)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(chǔ)中，數(shù)據(jù)信息以全息圖的形式被記錄在存儲(chǔ)材料中。同時(shí)，全息存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)和讀取數(shù)據(jù)時(shí)，都是以頁(yè)為單位。由于這種存儲(chǔ)方式可以實(shí)現(xiàn)信息的多重存儲(chǔ)： 一個(gè)晶體有無(wú)數(shù)個(gè)面，而且通過(guò)改變激光的角度、波長(zhǎng)或相位，可在同一體積上存儲(chǔ)多個(gè)信息頁(yè)，這樣一塊晶體中便可存儲(chǔ)數(shù)量驚人的數(shù)據(jù)：一塊方糖大小的立方體就能存儲(chǔ)高達(dá)1TB（1TB=1024GB）的數(shù)據(jù)。

由此看來(lái)，全息存儲(chǔ)既實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)的三維影像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，又實(shí)現(xiàn)了整個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)幾乎是無(wú)間隙的整體存儲(chǔ)。事實(shí)上，全息存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)還體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的保存和讀寫(xiě)上。全息存儲(chǔ)幾乎可以永久保存數(shù)據(jù)，在切斷電源供應(yīng)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(diǎn)也遠(yuǎn)優(yōu)于硬盤。同時(shí)，由于全息存儲(chǔ)器以頁(yè)作為讀寫(xiě)單位，不同頁(yè)面的數(shù)據(jù)可以同時(shí)并行讀寫(xiě)，理論上，其存儲(chǔ)速度將相當(dāng)迅速。據(jù)估算，未來(lái)全息存儲(chǔ)可以實(shí)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(chǔ)器因?yàn)椴徊捎脵C(jī)械的方法操作光束移動(dòng)，為非接觸式的，而且不需要任何移動(dòng)部件即可實(shí)現(xiàn)利用激光束無(wú)慣性電子控制對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行并行讀寫(xiě)，存儲(chǔ)材料使用壽命、數(shù)據(jù)可靠性、安全性都達(dá)到理想的狀況。與目前的存儲(chǔ)技術(shù)相比，全息存儲(chǔ)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(chǔ)

不知大家是否還記得《超人》系列影片中的這樣一個(gè)場(chǎng)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(chǔ)存著超人父母喬·艾爾及拉拉的全息影像和聲音記錄。通過(guò)將一個(gè)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(guó)科學(xué)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(chǔ)器（如題圖所示）。這種存儲(chǔ)器塊頭小，存儲(chǔ)能力強(qiáng)，一塊比手機(jī)屏幕還小的玻璃存儲(chǔ)器便可存儲(chǔ)50GB的數(shù)據(jù)，與一張藍(lán)光光盤的存儲(chǔ)量相當(dāng)。

英國(guó)科學(xué)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(chǔ)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(diǎn)銘刻進(jìn)純凈的石英玻璃內(nèi)，使玻璃變得有點(diǎn)模糊，光通過(guò)玻璃時(shí)會(huì)發(fā)生極化（偏振）。極化過(guò)程改變了光通過(guò)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(chǔ)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(xué)解碼器讀取這些三維像素包含的信息，而且，其中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也可以利用激光進(jìn)行清除、重寫(xiě)等操作，就像使用普通硬盤一樣。

相比于普通硬盤存儲(chǔ)器，玻璃存儲(chǔ)器更穩(wěn)定，更耐用?，F(xiàn)在的硬盤存儲(chǔ)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(chǔ)器能耐受983℃的高溫，即使在水中也不會(huì)受到任何破壞，信息可以在里面安全存儲(chǔ)幾千年，“玻璃存儲(chǔ)器有望變成一種非常穩(wěn)定、安全的便攜式存儲(chǔ)方式”。而且我們可以預(yù)見(jiàn)“玻璃存儲(chǔ)器將讓博物館和諸如國(guó)家檔案中心這樣的機(jī)構(gòu)大大受益”，足以滿足這些組織和機(jī)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(chǔ)器壽命較短的瓶頸。

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

【責(zé)任編輯】趙 菲endprint