摘要：当光存储发展到DVD级时，其记录符尺寸已接近了光学记录极限。突破这一存储极限，实现更高密度的存储成为目前新一代光存储技术研究的主要内容。为了实现更高密度的存储，目前主要有三维体存储和超分辨存储两个主要的研究方向。本文将介绍目前这两个方向的主要内容和对未来光存储的预测。

关键字： 高密度存储，三维存储，超分辨存储

1．提高密度的传统方法及其极限

提高光盘存储密度的传统方法，是减小读写光斑的尺寸。通常聚焦光斑的尺寸受激光束衍射效应的限制，其光斑半径R与激光波长l成正比，与光学头物镜数值孔径NA成反比：

(1)

目前，CD光盘激光波长为780nm、物镜数值孔径为0.45，轨道间距为1.6mm、最短信息坑长度约0.8mm，容量为650MB；发展到最新的DVD光盘，激光波长减小到635/650nm、物镜数值孔径增加到0.6，轨道间距为0.74mm，最短信息坑长度约0.4mm，物理密度比CD光盘提高了4倍以上，实现单面单层4.7GB。下一代主流光盘将进一步沿着这一传统方式发展。目前的目标是进一步缩短激光器波长而增大数值孔径。其波长缩短至蓝光段（400nm左右）而数值孔径加大至0.8~0.9，最终实现120mm盘的单面单层容量在20G左右。这一代存储光盘在实验室基本完成，但尚未商品化推向市场，故目前尚无统一的名称，通常被统称为高密度DVD(HD-DVD)。Philips公司推出的这一代产品取名为DVR，其波长为400nm，数值孔径为0.85，轨道间距为0.3mm、最短信息坑长度约0.168mm、容量为22G。图1显示了CD，DVD和DVR盘片坑点尺寸。

CD光盘坑纹 DVD光盘坑纹 DVR光盘坑纹

在HD-DVD之后，传统的提高密度的方法将变得非常困难。首先波长的减小毕竟有限，这不仅是由于器件本身的研制比较困难，而且当波长达到紫外时，塑料盘基对光的传输性能可能减弱，从而给应用带来困难。另一个传统方法是增大数值孔径，但用于光存储系统中的大数值孔径的非球面透镜的制作在工艺上比较困难；同时，根据象差分析，即使在物镜很好地校正了象差的情况下，盘片厚度的变化也将引起光程变化，这一变化可以用球差表示为：

(2)

其中，Δt是盘片厚度的变化，n是盘基折射率。由（2）知，随着数值孔径的增加，这一光程差将迅速增大，从而使得读出信号质量下降。此外在远场记录的情况下，数值孔径有理论极限，其最大值为1。

在传统的光学系统和二维存储模式下，光存储的密度已经接近由物镜的数值孔径和激光波长所确定的衍射极限，所以存储密度的提高受到极大的制约。为了突破这一极限并进一步提高存储密度，目前主要有三维光存储技术和超分辨率存储技术两个方面的研究方向。前者将传统的二维面存储发展到三维体存储。考虑到由于衍射的影响，二维的记录单位大小极限约为l2，而在三维存储中，考虑到三维上的衍射的影响，每个记录斑点的极限为l3。这样三维存储将理论的记录容量由S/l2提高到V/l3, 其理论存储容量扩大了d/l倍（以上表达式中，S为存储体面积，V为存储体体积，d为存储体高度，l为记录波长）。而后者则是利用光学技术和存储介质的性质等方法，在二维存储上实现突破衍射极限的光斑尺寸，实现高密度的存储。

2 三维光存储技术

由于光相互之间不会被屏蔽，所以光存储较之磁存储更为容易实现三维存储。三维存储是指利用双波长、多波长、多偏振态光波和光波干涉等方法在存储体上实现体存储的方法。三维存储主要包括页面存储、多层存储、多色存储和全息存储几个方面。 页面存储是三维存储中应用较早的方法，主要采用具有双光子吸收特性的光致变色材料作为存储体。目前美国加州大学的三维存储的研究就是基于这种存储模式，其原理如图2所示。一个平面光用于选择工作面，而另一激光束则照射在已选择的面上实现读写。两束光通过不同的光路和控制系统。当要读写某一位置的时侯，先移动平面光到相应的平面，再由另一束激光垂直于此平面照射。写入时对入射光进行调制，并在两束光的交点处完成记录。而读取时，入射光作为激励光，在平面光所选择的平面上发生荧光效应，在输出处采用CCD摄像实现页面记录。这种方法原理相对简单，由于由平面光束来选择操作页面，避免了层间的串扰，同时数据是以页面形式存储，可以实现整页并行数据写入和读出。由于平面光移动的速度的限制以及平面图像数据的处理等问题，在速度上的提高受到制约。此外这种方法需要两维上定位，因此读写设备需安置于精度较高的XYZ三维工作台上，由于目前这种设备体积庞大且昂贵，所以具体实现还有许多工作要做。