《光學(xué)存儲(chǔ)器》課件

光學(xué)存儲(chǔ)器課程目標(biāo)1掌握光學(xué)存儲(chǔ)基本原理理解激光讀寫(xiě)和數(shù)據(jù)編碼方法2了解不同類(lèi)型光學(xué)存儲(chǔ)器CD、DVD、藍(lán)光等關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)3認(rèn)識(shí)前沿光存儲(chǔ)技術(shù)全息存儲(chǔ)、近場(chǎng)光存儲(chǔ)等新技術(shù)探索應(yīng)用場(chǎng)景光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展歷程11982年CD技術(shù)商業(yè)化21995年DVD技術(shù)推出32006年藍(lán)光光盤(pán)正式發(fā)布42015年后全息存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展光學(xué)存儲(chǔ)的基本原理激光發(fā)射特定波長(zhǎng)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(qiáng)度變化轉(zhuǎn)為電信號(hào)數(shù)據(jù)解碼將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)光學(xué)存儲(chǔ)器的類(lèi)型只讀型CD-ROMDVD-ROMBD-ROM可刻錄型CD-RDVD-R/+RBD-R可重寫(xiě)型CD-RWDVD-RW/+RWBD-RE只讀型光盤(pán)（CD-ROM）容量650-700MB標(biāo)準(zhǔn)容量速度最高52倍速讀取只讀特性工廠預(yù)制，不可修改壽命理論使用壽命30年以上CD-ROM的物理結(jié)構(gòu)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(hù)層防刮擦涂層4標(biāo)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(cè)光電二極管接收信號(hào)處理解碼為數(shù)字信號(hào)CD-ROM的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)成本低廉標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一兼容性好存儲(chǔ)穩(wěn)定缺點(diǎn)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(pán)（CD-R）1一次性寫(xiě)入刻錄后不可修改700MB標(biāo)準(zhǔn)容量與CD-ROM相同52X最高讀取速度兼容CD-ROM驅(qū)動(dòng)器48X最高刻錄速度約3分鐘刻滿一張CD-R的物理結(jié)構(gòu)1標(biāo)簽層印刷標(biāo)識(shí)面2保護(hù)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(jī)染料層5聚碳酸酯基板預(yù)制導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)CD-R的記錄原理激光加熱高功率激光照射染料變化有機(jī)染料發(fā)生化學(xué)變化形成暗點(diǎn)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(diǎn)可寫(xiě)入允許用戶(hù)自行刻錄兼容性好大多數(shù)CD播放器可讀成本低單片價(jià)格經(jīng)濟(jì)實(shí)惠不可修改一次寫(xiě)入后無(wú)法更改壽命有限染料層會(huì)隨時(shí)間退化可重寫(xiě)光盤(pán)（CD-RW）可重寫(xiě)支持1000次以上重寫(xiě)容量標(biāo)準(zhǔn)650-700MB速度讀寫(xiě)速度低于CD-R兼容性部分老設(shè)備無(wú)法讀取CD-RW的物理結(jié)構(gòu)聚碳酸酯基板提供物理支撐和預(yù)制導(dǎo)槽相變記錄層特殊合金材料可在結(jié)晶和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換反射層和保護(hù)層提供反射功能并保護(hù)記錄層CD-RW的記錄和擦除原理初始結(jié)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(fù)結(jié)晶態(tài)4CD-RW的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)可多次重寫(xiě)節(jié)約成本減少?gòu)U棄物適合頻繁更新的數(shù)據(jù)缺點(diǎn)價(jià)格高于CD-R讀寫(xiě)速度較慢兼容性較差重寫(xiě)次數(shù)有限反射率低于CD-RDVD技術(shù)概述4.7GB單層容量是CD的7倍8.5GB雙層容量單面雙層結(jié)構(gòu)650nm激光波長(zhǎng)紅色激光1995發(fā)布年份由索尼、飛利浦等聯(lián)合開(kāi)發(fā)DVD的物理結(jié)構(gòu)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(gè)半厚基板標(biāo)簽層印刷表面DVD的容量擴(kuò)展技術(shù)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(shù)半透明第一層允許激光穿透到第二層4雙面技術(shù)兩面都可記錄數(shù)據(jù)DVD的應(yīng)用領(lǐng)域DVD廣泛應(yīng)用于電影發(fā)行、游戲分發(fā)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和教育培訓(xùn)等領(lǐng)域。藍(lán)光光盤(pán)（Blu-rayDisc）大容量單層25GB，雙層50GB藍(lán)紫激光405nm波長(zhǎng)高清視頻支持1080p及4K視頻抗刮擦涂層表面硬度高藍(lán)光光盤(pán)的特點(diǎn)更短的激光波長(zhǎng)405nm藍(lán)紫激光比紅色激光波長(zhǎng)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(jìn)的編碼技術(shù)采用17PP（17位調(diào)制碼）比DVD的8/16調(diào)制更高效藍(lán)光光盤(pán)與DVD的比較特性DVD藍(lán)光光盤(pán)激光波長(zhǎng)650nm(紅)405nm(藍(lán)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(hù)層厚度0.6mm0.1mm多層藍(lán)光存儲(chǔ)技術(shù)1三層100GB專(zhuān)業(yè)存儲(chǔ)應(yīng)用2雙層50GB高清電影存儲(chǔ)3單層25GB基礎(chǔ)應(yīng)用4BDXL128GB四層專(zhuān)業(yè)存儲(chǔ)規(guī)格全息存儲(chǔ)技術(shù)原理激光分束分為參考光與信號(hào)光數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)光通過(guò)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(chǔ)數(shù)據(jù)全息存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)超大容量理論上可達(dá)TB級(jí)別/單盤(pán)高速訪問(wèn)可并行讀取整頁(yè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期保存存儲(chǔ)壽命可達(dá)50年以上三維存儲(chǔ)利用介質(zhì)整個(gè)體積而非表面全息存儲(chǔ)的挑戰(zhàn)25成本高昂設(shè)備復(fù)雜昂貴穩(wěn)定性問(wèn)題對(duì)環(huán)境條件敏感材料限制需要特殊光敏材料體積大設(shè)備難以小型化技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)面臨其他存儲(chǔ)技術(shù)挑戰(zhàn)近場(chǎng)光存儲(chǔ)技術(shù)突破衍射極限實(shí)現(xiàn)納米級(jí)數(shù)據(jù)記錄2超高密度理論密度可提高10倍以上近場(chǎng)探針使用特殊探針與介質(zhì)極近距離相互作用近場(chǎng)光存儲(chǔ)的原理傳統(tǒng)光學(xué)限制衍射極限約為光波長(zhǎng)的一半藍(lán)光約為200nm分辨率下限近場(chǎng)光學(xué)突破利用光的近場(chǎng)效應(yīng)探針與介質(zhì)距離控制在波長(zhǎng)的幾分之一分辨率可達(dá)幾十納米近場(chǎng)光存儲(chǔ)的潛力10TB單碟容量理論容量預(yù)測(cè)10nm記錄精度數(shù)據(jù)點(diǎn)大小1Gb/s傳輸速率理論讀寫(xiě)速度光學(xué)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)頭技術(shù)光學(xué)拾取頭負(fù)責(zé)聚焦激光并檢測(cè)反射信號(hào)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(diǎn)位置跟蹤系統(tǒng)確保激光沿軌道精確移動(dòng)激光二極管在光存儲(chǔ)中的應(yīng)用1紅外激光780nm，用于CD2紅色激光650nm，用于DVD3藍(lán)紫激光405nm，用于藍(lán)光光盤(pán)4更短波長(zhǎng)紫外激光，未來(lái)發(fā)展方向光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)光源激光二極管發(fā)射準(zhǔn)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(cè)器接收反射信號(hào)伺服控制系統(tǒng)跟蹤伺服控制光束沿軌道精確移動(dòng)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(pán)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速信號(hào)處理技術(shù)模擬處理放大和濾波光電信號(hào)二值化轉(zhuǎn)換為數(shù)字方波信號(hào)2時(shí)鐘恢復(fù)提取同步時(shí)鐘解調(diào)解碼恢復(fù)原始數(shù)據(jù)4糾錯(cuò)編碼技術(shù)交織編碼打散相鄰數(shù)據(jù)位置，分散連續(xù)錯(cuò)誤里德所羅門(mén)碼添加校驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢測(cè)和修復(fù)錯(cuò)誤CIRC碼CD使用的交叉交織里德所羅門(mén)碼光學(xué)存儲(chǔ)介質(zhì)材料金屬層鋁、銀、金等反射層材料有機(jī)染料CD-R介質(zhì)專(zhuān)用光敏材料相變材料可重寫(xiě)盤(pán)的關(guān)鍵材料聚合物基板和保護(hù)層材料相變材料在光存儲(chǔ)中的應(yīng)用結(jié)晶態(tài)原子排列有序，高反射率1非晶態(tài)原子排列無(wú)序，低反射率2相變過(guò)程通過(guò)激光加熱實(shí)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(chǔ)中的應(yīng)用磁化基于稀土過(guò)渡金屬合金激光加熱溫度達(dá)到居里點(diǎn)附近磁場(chǎng)定向在高溫下重新排列磁矩克爾效應(yīng)通過(guò)偏振變化檢測(cè)磁化方向多層光盤(pán)技術(shù)半透明反射層允許激光部分穿透到下層激光焦點(diǎn)調(diào)節(jié)通過(guò)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(chǔ)技術(shù)1PB級(jí)存儲(chǔ)未來(lái)理論極限2TB級(jí)存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)室階段3全息體積存儲(chǔ)利用介質(zhì)整個(gè)體積4多光子吸收超小數(shù)據(jù)點(diǎn)5雙光子聚合三維精確記錄光存儲(chǔ)器的容量演進(jìn)光存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)速度演進(jìn)CD(MB/s)DVD(MB/s)藍(lán)光(MB/s)光存儲(chǔ)器在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用冷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)長(zhǎng)期歸檔，訪問(wèn)頻率低的數(shù)據(jù)災(zāi)備系統(tǒng)提供離線備份，防止網(wǎng)絡(luò)攻擊綠色存儲(chǔ)低能耗，碳排放少自動(dòng)化光盤(pán)庫(kù)機(jī)械手自動(dòng)管理PB級(jí)數(shù)據(jù)光存儲(chǔ)器在個(gè)人電腦中的應(yīng)用1982CD-ROM驅(qū)動(dòng)器最早的PC光存儲(chǔ)設(shè)備1995DVD驅(qū)動(dòng)器多媒體應(yīng)用普及2006藍(lán)光驅(qū)動(dòng)器高清內(nèi)容需求2020+外置光驅(qū)輕薄筆記本外設(shè)光存儲(chǔ)器在消費(fèi)電子中的應(yīng)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(shè)備DVD、藍(lán)光播放器和游戲機(jī)游戲主機(jī)PlayStation、Xbox等游戲平臺(tái)車(chē)載系統(tǒng)汽車(chē)導(dǎo)航和娛樂(lè)系統(tǒng)光存儲(chǔ)器在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)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(zhǎng)期保存信息分發(fā)醫(yī)學(xué)教育和培訓(xùn)資料光存儲(chǔ)器在檔案存儲(chǔ)中的應(yīng)用長(zhǎng)期保存50-100年壽命1經(jīng)濟(jì)性低成本長(zhǎng)期存儲(chǔ)離線存儲(chǔ)防黑客攻擊標(biāo)準(zhǔn)化國(guó)際認(rèn)可的存檔媒介4光存儲(chǔ)與磁存儲(chǔ)的比較光存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)數(shù)據(jù)壽命長(zhǎng)不受磁場(chǎng)影響成本低廉便于攜帶只讀性保障數(shù)據(jù)安全磁存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)讀寫(xiě)速度快隨機(jī)訪問(wèn)性能好可多次重寫(xiě)單位體積容量大技術(shù)更新迭代快光存儲(chǔ)與固態(tài)存儲(chǔ)的比較特性光存儲(chǔ)固態(tài)存儲(chǔ)讀寫(xiě)速度較慢極快容量單盤(pán)幾十GB-百GB單盤(pán)可達(dá)數(shù)TB壽命30-100年寫(xiě)入次數(shù)有限價(jià)格/GB極低較高能耗僅讀寫(xiě)時(shí)消耗能量持續(xù)需要供電光存儲(chǔ)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)壽命可達(dá)50-100年低能耗不讀寫(xiě)時(shí)零能耗低成本每GB存儲(chǔ)成本低于其他技術(shù)數(shù)據(jù)安全物理隔離，防篡改光存儲(chǔ)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)讀寫(xiě)速度較固態(tài)存儲(chǔ)慢隨機(jī)訪問(wèn)尋道時(shí)間長(zhǎng)體積大不適合小型設(shè)備技術(shù)瓶頸衍射極限制約市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)面臨其他存儲(chǔ)技術(shù)挑戰(zhàn)5光存儲(chǔ)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)全息技術(shù)TB級(jí)容量光盤(pán)超多層百層光盤(pán)技術(shù)近場(chǎng)光學(xué)納米級(jí)記錄精度混合存儲(chǔ)結(jié)合其他存儲(chǔ)技術(shù)優(yōu)勢(shì)量子存儲(chǔ)技術(shù)簡(jiǎn)介量子比特利用量子態(tài)存儲(chǔ)信息超高密度理論突破傳統(tǒng)物理極限量子糾纏實(shí)現(xiàn)信息的安全傳輸技術(shù)挑戰(zhàn)量子相干性保持困難DNA存儲(chǔ)技術(shù)簡(jiǎn)介1EB理論容量1克DNA可存儲(chǔ)1艾字節(jié)10K數(shù)據(jù)壽命潛在保存超過(guò)萬(wàn)年4堿基編碼A、T、C、G四種堿基2023研究進(jìn)展已實(shí)現(xiàn)兆字節(jié)級(jí)別存儲(chǔ)光學(xué)存儲(chǔ)在大數(shù)據(jù)時(shí)代的角色1熱數(shù)據(jù)固態(tài)存儲(chǔ)、內(nèi)存2溫?cái)?shù)據(jù)磁盤(pán)存儲(chǔ)