光学数据存储

石海

【摘要】光盘作为一种可用于长期存档数据的存储介质，光盘存储技术在信息社会中发挥着越来越重要的作用。但也面临着不小的挑战，现就简单介绍光盘存储技术的发展并对其新技术前景进行展望。

【关键词】光盘；CD；DVD；BD；全息存储

信息技术本于物理技术密不可分，物理学是计算机硬件的基础，计算机技术是人类最杰出的科学成就之一，计算机的诞生是物理学理论发展的必然结果，计算机技术的高速发展又为物理学提供了强有力的支持，计算机技术与物理学相辅相成，相互促进。回顾计算机的发展史，我们发现每一个阶段都是以物理学的发展变革作为前提的，再看近代物理学的历史，计算机扮演着一个不可替代的角色。

其中存储设备是用于储存信息的设备，是计算机的重要组成部分，通常是将信息数字化后再以利用物理电、磁或光学等方式的媒体加以存储。

常见的存储设备有：

1、利用电能方式存储信息的设备如：各式存储器，如RAM（随机存储器）、ROM（只读内存）等。

2、利用磁能方式存储信息的设备如：硬盘、软盘（已经淘汰）、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器（磁泡存储器在1970年代出现，但是在1980年代硬盘价格急剧下降的情况下未能获得商业上的成功。）、U盘。

3、利用光学方式存储信息的设备如：CD或DVD等。

4、利用磁光方式存储信息的设备如：MO（磁光盘）。

5、利用其他物理物如纸卡、纸带等存储信息的设备如：打孔卡、打孔带、绳结等。

6、专用存储系统：用于数据备份或容灾的专用信息系统，利用高速网络进行大数据量存储信息的设备。

其中光盘作为一种可用于长期存档数据的存储介质，光盘存储技术在信息社会中发挥重要的作用。

一、CD-ROM

这是我们最先接触的光盘存储技术，CD-ROM其实是从CD演变出来的，CD是将模拟数据通过光刻机（进行批量生产的大型CD压制机），在光盘上刻出一个个小坑，这些坑很小，用肉眼是看不到的，然后在另一面涂上反光材料，就制成了CD（数据CD或音乐CD），而音乐CD和数据CD区别就是音乐CD仍要把数字信号转变成模拟信号输出，而电脑用的数据CD仍是输出数字信号。从CD-ROM光头射出来的激光照到盘片平的地方和小坑的地方反射率不同，这时在激光头旁边的光敏元件感应到有强有弱的反射光，就产生高低电平输出到光驱的数字电路，而高电平和低电平在计算机中分别代表0和1，这就是CD-ROM把数据光盘转换成数据输出的原理和过程，如果光盘在刻录工艺、盘片材料和反射膜工艺上不过关，会经常读不出盘上刻录数据。

自从个人多媒体计算机标准MPC1 （Multimedia Personal Computer Level 1） 1990年诞生以来，CD-ROM已逐步取代磁盘而成为新一代的软件载体。随着产品的不断推出，CD-ROM驱动器的性能价格比更高，已成为多媒体计算机机不可缺少的配置。

二、DVD

DVD是CD的发展和延续。DVD是Digital Video Disc-Read Only Memory的缩写，译成中文就是数字视盘。从严格分类角度上讲，这种DVD应该叫作DVD-Video （简称是DVD），是一种只读型DVD视盘，必须由专用的视盘机播放。随着技术的不断发展及革新，DVD如今又有了更为广泛的内涵，已不在只局限于Digital Video Disc这个范畴，而演变成为Digital Versatile Disc（数字万用光盘）。和CD不同，DVD于一开始已被设计为多用途的光盘。原始的DVD规格里共有五种规格，用作储存音乐被称为DVD-ROM。

DVD是以MPEG-2为标准，每张光盘可储存容量达到4.7GB（大约可储存133分钟的视频高压缩比的节目，还包括六个数字化杜比数字声音轨道），其容量不仅是CD-ROM（650MB）光盘的7倍左右，而且更以超群出众的播放质量使CD-ROM相形见绌。如此大的容量，如此高的性能，无论是对影视、电脑游戏领域，还是数据储存方面都产生着巨大的影响，使之成为现代计算机设备的标准配置。

三、蓝光光碟

Blu-ray Disc，中文译为蓝光光碟（简称BD），即蓝光DVD是DVD光碟的下一世代光碟格式。在人类对于多媒体的品质要求日趋严格的情况下，用以储存高画质的影音以及高容量的资料储存。

蓝光光碟的命名是由于其采用波长405纳米（nm）的蓝色激光光束来进行读写操作（DVD采用650纳米波长的红光读写器，CD则是采用780纳米波长）。一个单层的蓝光光碟的容量为25或是27GB，足够录制一个长达4小时的高解析影片。

2010年6月制定的BDXL规格，支持100GB和128GB的蓝光光盘。

但目前昂贵的价格和闪存盘是蓝光光碟普及的最大障碍，自朗科公司1999年发明全球首款闪存盘以来，在过去的时间里闪存盘顺利地取代了软盘软驱，将移动存储带入了一个全新境界，并日益呈现出一种“超越存储”的多元化应用的特征。

四、全息存储

全息存储（holographic memories） DVD一种DVD般大小但存储容量是其60倍的电脑光盘。这种光盘通过光干涉来存储信息———光干涉是全息存储的一种技术。全息存储技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术。其第一步是利用干涉原理记录物体光波信息，此即拍摄过程：被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束；另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。全息数据存储在光敏光学材料上通过非光学相干图样来记录信息。一束激光首先被分成两部分，产生暗像素和亮像素。通过调整参考光的角度、波长和介质的位置，理论上可以在同一个空间记录下数千比特张全息图像。数据存储密度的极限是几十TB/立方厘米。

美国科罗拉多州InPhase科技研发出的这种光盘，可以存储300GB的数据，并且读写速度是普通DVD的10倍。这种光盘，直径是13厘米，比普通的光盘稍微宽一些，也稍微厚一些。全息影像是通过激光的干涉把信息储存在光感结晶材料上。利用这种技术理论上可以把1000千兆数据存储到一张光盘上，并且能以每秒120兆的速度读取数据。容量是普通DVD光盘的340倍，速度是20倍。据悉，著名公司日立-Maxell开发出了一种类似于胶片状的光存储产品，这种新产品称作Stacked Volumetic Optical Discs（SVOD），每片都是由2个92μm的碟片组合而成，组成双面9.4G容量。通过这样的方式，最多可以将100张碟片组合在一起使用，形成940GB的超大容量。该产品外形类似于普通光盘，容量最大可以达到1TB。

目前，全息存储技术还停留在实验室阶段。但该技术将很快走向市场，初期主要针对电影公司、电视台、医疗机构等，用于存储超高清电影原始拷贝、大脑扫描图像等大容量数据，不过很快也会迈向更广阔的消费市场。据悉，该技术初期上市时，每GB的成本约在0.1美元左右，折合每张500GB全息光盘约50美元，此后自然会随着产量的提高而逐年下降。全息光盘其高容量存储快速处理数据的能力满足了市场的需要相信经过不久的将来人们对全息光盘材料的研究可以降低成本甚至可替代现有的U盘和磁盘。

不管怎样发展，都是为了使用者能更好更多更快捷方便的存储数据，虽然现在光盘存储技术面临着种种困难，但相信随着科技的不断发展，光盘存储技术能在将来的数据存储中发挥更加重要的作用。