《光學存儲器》課件

光學存儲器課程目標1掌握光學存儲基本原理理解激光讀寫和數(shù)據(jù)編碼方法2了解不同類型光學存儲器CD、DVD、藍光等關鍵技術特點3認識前沿光存儲技術全息存儲、近場光存儲等新技術探索應用場景光學存儲技術的發(fā)展歷程11982年CD技術商業(yè)化21995年DVD技術推出32006年藍光光盤正式發(fā)布42015年后全息存儲技術發(fā)展光學存儲的基本原理激光發(fā)射特定波長激光束照射介質(zhì)記錄信息光介質(zhì)表面形成微小坑槽反射讀取激光反射強度變化轉(zhuǎn)為電信號數(shù)據(jù)解碼將光信號轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)光學存儲器的類型只讀型CD-ROMDVD-ROMBD-ROM可刻錄型CD-RDVD-R/+RBD-R可重寫型CD-RWDVD-RW/+RWBD-RE只讀型光盤（CD-ROM）容量650-700MB標準容量速度最高52倍速讀取只讀特性工廠預制，不可修改壽命理論使用壽命30年以上CD-ROM的物理結構1聚碳酸酯基板提供物理支撐2反射層鋁質(zhì)反射層3保護層防刮擦涂層4標簽層印刷信息層CD-ROM的工作原理激光照射780nm紅外激光凹坑反射坑槽產(chǎn)生不同反射光電檢測光電二極管接收信號處理解碼為數(shù)字信號CD-ROM的優(yōu)缺點優(yōu)點成本低廉標準統(tǒng)一兼容性好存儲穩(wěn)定缺點容量有限讀取速度較慢不可修改易受刮擦損壞可刻錄光盤（CD-R）1一次性寫入刻錄后不可修改700MB標準容量與CD-ROM相同52X最高讀取速度兼容CD-ROM驅(qū)動器48X最高刻錄速度約3分鐘刻滿一張CD-R的物理結構1標簽層印刷標識面2保護層防止氧化和損傷3反射層金屬反射面4染料記錄層有機染料層5聚碳酸酯基板預制導槽結構CD-R的記錄原理激光加熱高功率激光照射染料變化有機染料發(fā)生化學變化形成暗點變色區(qū)域反射率下降永久記錄變化不可逆轉(zhuǎn)CD-R的優(yōu)缺點可寫入允許用戶自行刻錄兼容性好大多數(shù)CD播放器可讀成本低單片價格經(jīng)濟實惠不可修改一次寫入后無法更改壽命有限染料層會隨時間退化可重寫光盤（CD-RW）可重寫支持1000次以上重寫容量標準650-700MB速度讀寫速度低于CD-R兼容性部分老設備無法讀取CD-RW的物理結構聚碳酸酯基板提供物理支撐和預制導槽相變記錄層特殊合金材料可在結晶和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換反射層和保護層提供反射功能并保護記錄層CD-RW的記錄和擦除原理初始結晶態(tài)高反射率1高溫記錄激光加熱至500-700°C2非晶態(tài)低反射率區(qū)域形成數(shù)據(jù)位3中溫擦除200°C左右恢復結晶態(tài)4CD-RW的優(yōu)缺點優(yōu)點可多次重寫節(jié)約成本減少廢棄物適合頻繁更新的數(shù)據(jù)缺點價格高于CD-R讀寫速度較慢兼容性較差重寫次數(shù)有限反射率低于CD-RDVD技術概述4.7GB單層容量是CD的7倍8.5GB雙層容量單面雙層結構650nm激光波長紅色激光1995發(fā)布年份由索尼、飛利浦等聯(lián)合開發(fā)DVD的物理結構基板層0.6mm厚聚碳酸酯2數(shù)據(jù)層金屬反射坑槽粘合層連接兩個半厚基板標簽層印刷表面DVD的容量擴展技術更小的凹坑坑槽尺寸減小至CD的一半軌道間距減小從CD的1.6μm減至0.74μm雙層技術半透明第一層允許激光穿透到第二層4雙面技術兩面都可記錄數(shù)據(jù)DVD的應用領域DVD廣泛應用于電影發(fā)行、游戲分發(fā)、數(shù)據(jù)存儲和教育培訓等領域。藍光光盤（Blu-rayDisc）大容量單層25GB，雙層50GB藍紫激光405nm波長高清視頻支持1080p及4K視頻抗刮擦涂層表面硬度高藍光光盤的特點更短的激光波長405nm藍紫激光比紅色激光波長短，可讀取更小的坑槽更高的數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑0.85比DVD的0.6大，聚焦更精確更先進的編碼技術采用17PP（17位調(diào)制碼）比DVD的8/16調(diào)制更高效藍光光盤與DVD的比較特性DVD藍光光盤激光波長650nm(紅)405nm(藍紫)單層容量4.7GB25GB雙層容量8.5GB50GB視頻分辨率最高480p支持4K保護層厚度0.6mm0.1mm多層藍光存儲技術1三層100GB專業(yè)存儲應用2雙層50GB高清電影存儲3單層25GB基礎應用4BDXL128GB四層專業(yè)存儲規(guī)格全息存儲技術原理激光分束分為參考光與信號光數(shù)據(jù)調(diào)制信號光通過空間光調(diào)制器干涉圖形兩束光產(chǎn)生干涉條紋3體積記錄在介質(zhì)體積內(nèi)存儲數(shù)據(jù)全息存儲的優(yōu)勢超大容量理論上可達TB級別/單盤高速訪問可并行讀取整頁數(shù)據(jù)長期保存存儲壽命可達50年以上三維存儲利用介質(zhì)整個體積而非表面全息存儲的挑戰(zhàn)25成本高昂設備復雜昂貴穩(wěn)定性問題對環(huán)境條件敏感材料限制需要特殊光敏材料體積大設備難以小型化技術競爭面臨其他存儲技術挑戰(zhàn)近場光存儲技術突破衍射極限實現(xiàn)納米級數(shù)據(jù)記錄2超高密度理論密度可提高10倍以上近場探針使用特殊探針與介質(zhì)極近距離相互作用近場光存儲的原理傳統(tǒng)光學限制衍射極限約為光波長的一半藍光約為200nm分辨率下限近場光學突破利用光的近場效應探針與介質(zhì)距離控制在波長的幾分之一分辨率可達幾十納米近場光存儲的潛力10TB單碟容量理論容量預測10nm記錄精度數(shù)據(jù)點大小1Gb/s傳輸速率理論讀寫速度光學存儲器的讀寫頭技術光學拾取頭負責聚焦激光并檢測反射信號光束分離器分離入射光和反射光聚焦系統(tǒng)精確控制激光聚焦點位置跟蹤系統(tǒng)確保激光沿軌道精確移動激光二極管在光存儲中的應用1紅外激光780nm，用于CD2紅色激光650nm，用于DVD3藍紫激光405nm，用于藍光光盤4更短波長紫外激光，未來發(fā)展方向光學系統(tǒng)設計光源激光二極管發(fā)射準直系統(tǒng)將發(fā)散光變?yōu)槠叫泄馕镧R聚焦到記錄層光電檢測器接收反射信號伺服控制系統(tǒng)跟蹤伺服控制光束沿軌道精確移動聚焦伺服保持激光在記錄層上精確聚焦旋轉(zhuǎn)控制維持光盤穩(wěn)定轉(zhuǎn)速信號處理技術模擬處理放大和濾波光電信號二值化轉(zhuǎn)換為數(shù)字方波信號2時鐘恢復提取同步時鐘解調(diào)解碼恢復原始數(shù)據(jù)4糾錯編碼技術交織編碼打散相鄰數(shù)據(jù)位置，分散連續(xù)錯誤里德所羅門碼添加校驗數(shù)據(jù)，檢測和修復錯誤CIRC碼CD使用的交叉交織里德所羅門碼光學存儲介質(zhì)材料金屬層鋁、銀、金等反射層材料有機染料CD-R介質(zhì)專用光敏材料相變材料可重寫盤的關鍵材料聚合物基板和保護層材料相變材料在光存儲中的應用結晶態(tài)原子排列有序，高反射率1非晶態(tài)原子排列無序，低反射率2相變過程通過激光加熱實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換3Ge-Sb-Te合金常用相變材料成分4磁光材料在光存儲中的應用磁化基于稀土過渡金屬合金激光加熱溫度達到居里點附近磁場定向在高溫下重新排列磁矩克爾效應通過偏振變化檢測磁化方向多層光盤技術半透明反射層允許激光部分穿透到下層激光焦點調(diào)節(jié)通過調(diào)整物鏡位置讀取不同層層間間隔需保持足夠距離避免層間干擾容量提升每增加一層，容量幾乎成倍增加3D光存儲技術1PB級存儲未來理論極限2TB級存儲實驗室階段3全息體積存儲利用介質(zhì)整個體積4多光子吸收超小數(shù)據(jù)點5雙光子聚合三維精確記錄光存儲器的容量演進光存儲器的讀寫速度演進CD(MB/s)DVD(MB/s)藍光(MB/s)光存儲器在數(shù)據(jù)中心的應用冷數(shù)據(jù)存儲長期歸檔，訪問頻率低的數(shù)據(jù)災備系統(tǒng)提供離線備份，防止網(wǎng)絡攻擊綠色存儲低能耗，碳排放少自動化光盤庫機械手自動管理PB級數(shù)據(jù)光存儲器在個人電腦中的應用1982CD-ROM驅(qū)動器最早的PC光存儲設備1995DVD驅(qū)動器多媒體應用普及2006藍光驅(qū)動器高清內(nèi)容需求2020+外置光驅(qū)輕薄筆記本外設光存儲器在消費電子中的應用音頻播放器從CD播放器到高保真音響系統(tǒng)視頻播放設備DVD、藍光播放器和游戲機游戲主機PlayStation、Xbox等游戲平臺車載系統(tǒng)汽車導航和娛樂系統(tǒng)光存儲器在醫(yī)療領域的應用醫(yī)學影像存儲CT、MRI等大型影像數(shù)據(jù)病歷檔案患者歷史醫(yī)療記錄數(shù)據(jù)備份醫(yī)療數(shù)據(jù)安全長期保存信息分發(fā)醫(yī)學教育和培訓資料光存儲器在檔案存儲中的應用長期保存50-100年壽命1經(jīng)濟性低成本長期存儲離線存儲防黑客攻擊標準化國際認可的存檔媒介4光存儲與磁存儲的比較光存儲優(yōu)勢數(shù)據(jù)壽命長不受磁場影響成本低廉便于攜帶只讀性保障數(shù)據(jù)安全磁存儲優(yōu)勢讀寫速度快隨機訪問性能好可多次重寫單位體積容量大技術更新迭代快光存儲與固態(tài)存儲的比較特性光存儲固態(tài)存儲讀寫速度較慢極快容量單盤幾十GB-百GB單盤可達數(shù)TB壽命30-100年寫入次數(shù)有限價格/GB極低較高能耗僅讀寫時消耗能量持續(xù)需要供電光存儲技術的優(yōu)勢長期保存數(shù)據(jù)壽命可達50-100年低能耗不讀寫時零能耗低成本每GB存儲成本低于其他技術數(shù)據(jù)安全物理隔離，防篡改光存儲技術面臨的挑戰(zhàn)讀寫速度較固態(tài)存儲慢隨機訪問尋道時間長體積大不適合小型設備技術瓶頸衍射極限制約市場競爭面臨其他存儲技術挑戰(zhàn)5光存儲技術的未來發(fā)展趨勢全息技術TB級容量光盤超多層百層光盤技術近場光學納米級記錄精度混合存儲結合其他存儲技術優(yōu)勢量子存儲技術簡介量子比特利用量子態(tài)存儲信息超高密度理論突破傳統(tǒng)物理極限量子糾纏實現(xiàn)信息的安全傳輸技術挑戰(zhàn)量子相干性保持困難DNA存儲技術簡介1EB理論容量1克DNA可存儲1艾字節(jié)10K數(shù)據(jù)壽命潛在保存超過萬年4堿基編碼A、T、C、G四種堿基2023研究進展已實現(xiàn)兆字節(jié)級別存儲光學存儲在大數(shù)據(jù)時代的角色1熱數(shù)據(jù)固態(tài)存儲、內(nèi)存2溫數(shù)據(jù)磁盤存儲