摘 要: 由于光在空间中不相互干扰且相互不屏蔽，使得三维光存储成为可能。本文就三维光存储的理论基础和发展状况进行研究。就其中两种技术，即基于双光子吸收的分层读取技术和全息存储技术，进行了详细的分析及讨论。

关键字：三维存储，光子吸收，全息存储，数字光存储

Abstract: Due to the fact that light does not interfere with and shield each other, it makes 3-dimension storage possible. In this paper, the principle and development of 3-dimension is researched. Two main technology, multi-layers based photon-absorption and holographic memory, is analyzed and discussed.

Key words: 3-dimension storage, photon-absorption, holographic memory, digital optical memory

1概述

随着计算机技术，特别是多媒体技术的发展，需要处理和存储的数据量大幅度增加。例如，一部通常长度的电影没有压缩的数据量将超过10TB。大型探测器，如哈勃望远镜所传回的数据量达到每天10TB；医学及大地遥感图数据量巨大。显然现在基于二维方式的光存储器已难于满足这种日益增长的要求了。现行的CD、磁光和相变的光盘的容量在650MB左右，即使新兴的DVD光盘，单面单层的DVD-5的容量也只达到4.7GB，因此发展三维存储十分必要。

传统的光存储是存储在光盘或全息膜等二维存储介质上，而三维存储则是像一摞二维光存储介质，故存储容量很大，从原理上讲，三维存储有着巨大的理论存储能量。在理论上说，在三维存储中，一个记录点可存储于λ3的体积内，也就是说，对于一个体积为V的存储体来说，如使用的存储波长为λ，则其存储量可达到V/λ3。例如，如选用波长为CD中使用的780nm时，一个1cm3的存储体可存储2×1012位，即2.5×1011字节。相当于300张CD-ROM盘的存储量。可见，三维存储可在不改变激光波长的情况下，极大的提高存储密度。而且，由于从理论上说，其密度与波长的三次方成反比，因此缩短波长在三维存储中会获得较之二维更大的收益。

2三维存储容量

在光存储中，光束通过透镜聚焦在记录介质上。但由于衍射的影响，聚焦点光斑的直径为，其中λ是波长，NA是数值孔径。由于数值孔径一般在0.3到0.7之间。故实际光斑直径约为λ。在二维光存储，其记录单位大小极限为λ2。 在逐点记录三维存储中，考虑到三维上的衍射影响，每个记录斑点的大小极限为λ3。

此外在三维存储中，我们也可以记录图像的傅立叶（Fourier）变换的全息图作为记录。在读取时，只要使用与记录时相同的参考光照射，便可获得原始的图象。图象是通过傅立叶变换透镜实现。在一个平面上，其最小记录斑点是λ×λ。在立体全息存储中，存储量扩大了（d/λ）倍。存储密度仍为V/λ3。

所以在三维存储中，不管是逐点记录方式还是全息记录方式，其记录密度为1/λ3。

3 基于光子吸收的多层存储

具有双光子吸收的光致变材料的发现，为逐点三维存储提供了实现的可能。以光致变色为基础的数字存储技术，利用光子作用下发生的化学变化实现信息存储，是一种光子吸收的存储技术，它的反应时间极短（皮秒或飞秒），能够实现高速存储；此外，由于这种反应建立在分子尺度上，因此理论上可将单个信息符尺度缩小到分子量级，从而有利于大幅度提高介质的存储密度，实现高密度存储。由于其反应时间短和分子量级上的尺度突破了传统热效应存储在时间和空间上的极限。