CN105719669A - 使用双光子吸收书写和擦除及光学相干断层扫描阅读的光学六维多层存储术 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用双光子吸收书写和擦除以及光学相干断层扫描阅读的六维光学多层存储的方法和基于该方法而设计的装置。本发明是通过将三个空间维度与光波长、光强度和光偏振三个物理维度相结合的方法去增加存储容量和改进存储性能的。本发明装置的每片DVD尺寸的光盘具有超过32兆兆字节的大存储容量，以及分别为每秒25千兆比特和每秒10千兆比特的超快阅读和书写/擦除速度，本发明系统在数据书写和擦除时光噪声很小，在数据阅读时的信号噪声比也高达76分贝。此外，本发明装置的每片DVD尺寸光盘的存储容量还具有超过1千兆兆字节的潜力。本发明的系统装置和光盘具有相对简单的光学结构，并易于对快速旋转光盘中的存储单元进行光寻址，还与CD和DVD光盘具有高兼容性。本发明的方法和装置是一个实际可行的光学大容量存储技术。

Description

使用双光子吸收书写和擦除及光学相干断层扫描阅读的光学六维多层存储术

技术领域

本发明涉及光学多维数据存储技术，更具体地说，是涉及使用双光子吸收书写和擦除以及光学相干断层扫描阅读的光学六维多层存储的方法和基于该方法而设计的装置。

背景技术

实现光学大容量存储的传统方法是将数据分离地存储在介质三维空间的细小局域里，即所谓的多层存储，或将数据混合弥漫式地存储在大块整体的介质中，即所谓的全息存储。对于传统的多层或全息存储，其主要问题是众多的数据层引起的层间干扰噪声或光盘旋转引起的全息记录模糊，这些问题分别造成了有效记录层数的减少或全息记录质量的降低。

实现光学大容量存储的另一种方法是多维存储，这种方法是利用一些额外的“维度”，例如波长、强度、偏振、相位、甚至光子的角动量等这些物理维度与空间的三维维度相结合而增加存储的容量和提高系统的性能，已有人提出了几个四维和两个五维的光学存储技术。两年前，柳尚青提出了六维的光学存储技术(ShangqingLiu，“Six-dimensionalopticalstoragemethodandapparatus”，美国专利号：8503279，申请日期：2012年11月13日，授权日期：2013年8月6日)，该技术是将三个空间维度与波长、强度和偏振三个物理维度相结合去增加存储容量和改进系统性能。理论研究结果表明，每片DVD尺寸光盘的存储容量将超过10兆兆字节(10Tbytes)。

该六维存储技术的特殊优点是其装置结构相对简单和易于实现的对快速旋转光盘中存储单元的光寻址，并极大地提高了数据书写、擦除和阅读的速度，从而它使大容量(每片DVD尺寸的光盘超过10兆兆字节)的光学存储系统的实用化成为可能。

事实上，确有几个已提出的光学存储方法显示出更大的存储容量，一个典型例子是利用超分辨书写的多层存储术。该技术是受无衍射极限限制的远场成像法(S.W.HellandJ.Wichmann.“Breakingthediffractionresolutionlimitbystimulatedemission：stimulated-emission-depletionfluorescencemicroscopy，”Opt.Lett.Vol.19，pp.780-782，1994)启示提出的。这个超分辨书写存储术允许所产生的存储单元的尺寸小到纳米量级，这在理论上相当于每片DVD尺寸的光盘可存储1千兆兆位(1Pbyte，1Pbyte＝1024Tbytes)到1兆兆兆位(1Ebyte，1Ebyte＝1024Pbytes)的数据。但是由于超分辨书写光盘是以比特位为基础的，它的每一个存储单元只存储1比特位的数据，也就是说，其超高的存储容量是基于其超小的存储单元尺寸，这将导致若干严重的技术障碍阻止该技术的实现。这些技术障碍包括：(1)由于衍射限制而导致的极其困难的对存储在纳米尺度单元内的数据的光学阅读；(2)由于在该类光盘中对数据的书写和阅读是按一比特位一比特位的方式进行，这导致无法接受的低数据传输速度和超高存储容量之间的矛盾，甚止造成阅读一片光盘需要一到几年时间；(3)由于即使是在1毫米厚的该类光盘内，数据层数也会高达1千到20万，这将导致可怕的层间干扰噪声而使数据的书写、擦除和阅读根本无法进行；(4)过于艰难的在快速旋转光盘的三维空间中对纳米尺度的存储单元的光寻址。因此经过约20年的研究和开发，超分辨书写光盘现在仍然无法实现。

两年前提出的六维存储技术也有一个不足，就是它在数据书写和擦除时层间干扰噪声比较大，在数据阅读时层间干扰噪声也不是足够地小，这是因为它的数据书写和擦除是基于直接的光学线性吸收，也即直接的单光子吸收，并且其数据的阅读也是只通过共焦显微成像滤波，这降低了系统的数据记录和阅读的质量。另外，也希望它的存储容量能进一步提高。

发明内容

为了保持已提出的六维存储技术的优点和改进其不足，一种新型的六维光学存储技术现已被发明。它的数据书写和擦除是基于不同的物理机制，它的数据阅读也采用了不同的噪声滤波方法，具体来说，它的数据书写和擦除是通过双光子吸收，它的数据阅读是通过光学相干断层扫描加上共焦显微成像，它的装置结构也有显著变化。双光子吸收是一种非线性过程，它使得激光束与介质在光束焦点外不相互作用，因此极大地降低了在数据书写和擦除时的层间干扰噪声。三维的双光子吸收存储实验已经实现了在1毫米厚的光盘内形成200层的存储层和达到1兆兆字节的存储容量，以及每秒25兆比特(25Mbits/s)的书写速度(E.WalkerandP.Rentzepis，“Twophotontechnology：anewdimension，”NaturePhotonicsVol.7，pp.406-408，2008)。三维的光学相干断层扫描可以通过相干选通而选择性地接收从所需的存储单元反射回来的光信号(A.F.Fercher，W.Drexler，C.K.HitzenbergerandT.Lasser，“Opticalcoherencetomography-principlesandapplications，”Rep.Prog.Phys.Vol.66，pp.239-303，2003)。在光学相干断层扫描的基础上再同时使用共焦显微成像，数据阅读时的层间干扰噪声将可进一步减少。

本发明的技术可行性已被严谨的理论研究所证实。计算结果表明，本发明系统的每片DVD尺寸的光盘将具有超过32兆兆字节的大存储容量，以及分别为每秒25千兆比特(25Gbits/s)和每秒10千兆比特(10Gbits/s)的超快阅读和书写/擦除速度，本发明系统在数据阅读时的信号噪声比高达76分贝。此外，本发明系统的每片DVD尺寸光盘的存储容量还具有超过1千兆兆字节(1Pbyte)的潜力。因为本发明系统的存储是不基于比特位的(详述见下)，并且它的每个存储单元是由多个平面布拉格反射光栅所组成，因此本发明系统对每个存储单元的光寻址，也即瞄准和追迹，以及对光盘的转动具有很高的宽容性，这些优异的综合性特点将消除目前迈向大容量光学存储的主要障碍。本发明的系统装置和其光盘的结构也比较简单，它的驱动器也是易与普通CD和DVD光盘兼容的。

所说的本发明方法是这样实现的：使用多个具有不同波长的线性偏振光束在每一个短小时间内在介质中产生由多个驻波重叠而成的驻波组，所说的多个线性偏振光束的波长、强度和偏振方向是按照一个彩色亮度和偏振方向编码的规则在每一个短小时间内与一个数据组相对应；并通过双光子吸收在介质中的每一个小立体体积内生成由多个反射光栅所组成的存储单元；然后使用多个线性偏振光束或多个非偏振光束照明所需的存储单元而产生具有与该存储单元中各光栅相共振的波长、相对应的强度和相匹配的偏振方向的反射光束组；可以分别地利用光学相干断层扫描或共焦显微成像，或同时地利用光学相干断层扫描和共焦显微成像接收从所需的存储单元反射回来的光束组；最后通过一个彩色亮度和偏振方向解码的程序而将接收到的反射光束组的波长、强度和偏振方向的组合状态解码回原来的数据组。

根据本发明方法而设计的光学存储装置包含有：一层或多层的双光子吸收光致折射和偏振敏感的存储介质，存储介质内含有多层由同心圆形或螺旋形数据轨迹而组成的数据层；可发射多个具有不同波长的线性偏振光束或多个具有不同波长的线性偏振和非偏振光束的激光器阵列或激光器阵列和超发光二极管阵列；所说的多个线性偏振光束或多个线性偏振和非偏振光束被引导成为平行、同轴和会聚的并具有最小焦深区直径的光束组用于数据的书写、阅读和擦除；一个用于在每一个短小期间内对所说的多个线性偏振光束的波长、强度和偏振方向进行所说的编码的电子处理器；测量从所需的存储单元反射回来的光束的波长、强度和偏振方向的光电探测器阵列；以及一个在每一个短小期间内对所说的反射回来的光束组的波长、强度和偏振方向的组合状态进行解码以重建每一个数据组的电子处理器；一个光学自动定位机构，其使所说的多个线性偏振光束或者所说的多个线性偏振和非偏振光束的焦深区保持在存储介质中所需的数据层中；一个光学自动追迹机构，其使所说的多个线性偏振光束或者所说的多个线性偏振和非偏振光束的焦深区光斑中心保持在所说的同心圆形或螺旋形轨迹内；一个选择性地接收从所需的存储单元反射回来的光束组的光学机构；以及也可以含有一个使本发明的装置与CD和DVD光盘相兼容的光学机构。

附图说明

本发明方法将结合用于实施本发明方法的装置的优选实施例在下面予以描述，显然，该优选实施例并不是基于本发明方法而能设计出的唯一的装置。基于本发明方法的核心思想并利用现有公知的光学设计知识，所说的本发明方法和装置的实施例可以被变换或修改，因此本发明专利的申请人保留所有的将在下面描述的本发明方法和装置的实施例的变换和修改的权利(因为装置中各部件的尺寸差别很大，为了显示必要的细节，这些部件在图中未按实际比例画出)。

从以下的本发明的装置的优选实施例和附图的说明中可理解本发明的上述内容和优点，其中：

图1是根据本发明方法设计的六维光学多层存储系统的一个优选实施例的光学结构示意图。

图2是在图1中由36所示光盘的部分光学结构示意图，该光盘是被安装在一个可旋转轴上。

图3是在图1中由82所示的对反射光束的波长、强度和偏振方向进行测量的探测系统的光学结构示意图。

具体实施方式

图1是根据本发明方法设计的六维光学存储系统的一个优选实施例的光学结构示意图。它可以被看作是一个标准的光盘驱动器再加上一个放置于光盘下的同步移动反射单元，并且分别使用激光器阵列和超发光二极管阵列作为数据书写/擦除和阅读的光源，以及使用光探测器阵列作为信号探测器。

书写/擦除光源10包含M个固定频率的分布反馈(FF-DFB)半导体激光器阵列，因而构成一个波长可选择光源。每一个激光器阵列内含有N个FF-DFB激光器，N的数量一般是从30至70。制造时使每一个FF-DFB激光器都依次产生一个4纳米到13纳米的波长差偏移，因此每一个激光器阵列的波长分布是λ_W1、λ_W2、λ_W3、…、λ_WN，且波长分布的范围是Δλ_W。M个激光器阵列的内部结构是相同的，它们的光束的波长分布也是相同的，Δλ_W在通常情况下是在可见和近红外区域，但也可以延伸到紫外区域。在每一个激光器阵列内，N个激光束通过N个S形弯曲波导而进入一个多模干涉光学耦合器，然后再通过一个宽带波导而输出。

在每一个激光器阵列前放置一个线性起偏振器片，从而使M个激光器阵列出射的光束都变成线性偏振光，并且M个阵列的偏振方向依次有偏转角为δα的方向递变。因此，从M个激光器阵列出射的光束的偏振方向角分别为α₁、α₂＝α₁+δα、α₃＝α₂+δα、…、α_M＝α_M-1+δα，并且α_M＝α₁+90°。然后，这些偏振光束通过M个波导进入一个宽带和偏振维持的光耦合器，并最终通过一个宽带波导而输出。激光器阵列的数目一般是3至16个，所有的FF-DFB激光器输出的光束都是高斯光束。

包括NEC在内的数个厂家已能制造这类波长可选择光源(装置内不含线性起偏振器片)。NEC的装置(N.Natakeyama，K.Naniwae，K.Kudo，N.Suzuki，S.Sudo，S.Ae，Y.Muroya，K.Yashiki，S.Satoh，T.Morimoto，K.MoriandT.Sasaki，“Wavelength-selectablemicroarraylightsourcesforS-，C-，andL-bandWDMsystems，”IEEEPhoton.Technol.Lett.Vol.15，pp.903-905，2003)包含6个激光器阵列，每个阵列由8个FF-DFB激光器组成。6个激光器阵列共提供135个可选择的波长(同时也通过改变温度来变频)和一个宽度约为120纳米的总变化波长范围。每个激光器阵列的尺寸为0.4×2.15平方毫米。这类波长可选择光源的波长变换时间已由实验证实可短为1.5纳秒(R.Phelan，W.H.Guo，Q.Lu，D.Byrne，B.Roycroft，P.Lambkin，B.Corbett，F.Smyth，L.P.Barry，B.Kelly，J.O’GormanandJ.F.Donegan，“Anoveltwo-sectiontunablediscretemodelaserexhibitingnanosecondwavelengthswitching，”IEEEJ.QuantumElectron.Vol.44，pp.331-337，2008)。半导体激光器是用光束和电子束刻蚀技术制造，可以数量众多地集成，因此含有几十个激光器的激光器阵列可具有可接受的尺寸。

阅读光源12是由两个超发光二极管阵列所组成，每一个二极管阵列含有N个超发光二极管。每一个超发光二极管阵列的(中心)波长分布是λ_R1、λ_R2、λ_R3、…和λ_RN，该波长分布的范围是Δλ_R。两个超发光二极管阵列的内部结构和波长分布是相同的。目前，超发光二极管的波长不在蓝色和近紫外光区域，所以N个微型倍频器被分别放置在各超发光二极管的输出光路中以缩短它们的波长到λ′_R1、λ′_R2、λ′_R3、…和λ′_RN，这些波长分布的范围是Δλ′_R。随后，这些光束经由波导和多模干涉光学耦合器而最后从两个阵列中出射。可以使用有机聚合物倍频器来减小倍频器的尺寸，或者只使用两个宽带倍频器分别对两个超发光二极管阵列出射的所有光束进行倍频。

使用两个线性起偏振器片使两个超发光二极管阵列的光束的偏振方向变成相互正交，并使他们的偏振方向角分别成为α₁和α_M。从两个超发光二极管阵列输出的光束经由两个波导而进入一个宽带和偏振维持的光耦合器，并最终经由一个波导而从耦合器输出。超发光二极管也是半导体元件，所以含有几十个超发光二极管的二极管阵列仍可具有可接受的尺寸。所有的超发光二极管输出的光束也都是高斯光束。

通过开启施加到所选激光器阵列中所选FF-DFB激光器的驱动电流可产生具有所需波长和偏振方向的激光束，同时通过调整驱动电流的强度，可得到所需的激光束强度。所有这些操控都是直接施于FF-DFB激光器，所以波长，偏振方向和光束强度的变换速度可以达到纳秒量级。

在每一个短小时间内，来自于书写/擦除光源的多个线性偏振光束的波长、强度和偏振方向的数值是根据一个彩色亮度和偏振方向的编码规则而与一个数据组相对应。该彩色亮度和偏振方向的编码规则预先按下述方式确定：所说的多个线性偏振光束的波长、强度和偏振方向的每一个可能的组合状态都预先规定与一个适宜的数字编码系统中的某一个基本符号相对应，这样所选定的数字编码系统中的每一个基本符号都可以由一个相对应的组合状态来表达，因此，任何一个具有有限数据量的数据组便可以由一个书写/擦除光束的波长、强度和偏振方向的组合状态或组合状态组来表示。

书写/擦除光束被透镜14所会聚，然后它们进入一个非偏振低通光束分离器16。书写/擦除光束的波长是在这个分离器的传输范围内，因此这些光束能进入非偏振窄带反射光束分离器18。从阅读光源12输出的阅读光束被透镜20所会聚，然后它们被一个反射镜22反射并进入分离器16。阅读光束的波长在倍频后不在分离器16的传输范围内，因此这些光束被分离器16反射，然后变成与书写/擦除光束平行和共轴而也进入光束分离器18。书写/擦除和阅读光束的波长都不在分离器18的反射波长范围内，因此这些光束穿过此分离器进入致动器24。

在致动器24内，26是一个与光束分离器18具有相同的反射波长范围的非偏振窄带反射光束分离器，因此书写/擦除和阅读光束可以穿过这个分离器，再经一个反射镜28的反射而穿过会聚透镜30的中心圆孔(孔的尺寸仅仅能让书写/擦除和阅读光束通过)，然后这些光束进入非偏振低通分束器32。书写/擦除光束的波长不在光束分离器32的反射波长范围内，而阅读光束的波长是在这个光束分离器的反射波长范围内，并且分离器32的反射率对于所有的阅读光束都是50％。于是书写/擦除光束的全部光能和阅读光束的一半光能便进入会聚透镜34，并成为同轴和会聚的光束组。透镜34的数值孔径小于0.3，这远低于大多数的大容量光学存储系统的会聚透镜的数值孔径值(从0.6到0.85以上)。高数值孔径的会聚透镜会导致更精细的光学瞄准和追迹从而带来系统额外的复杂性。

允许使用低数值孔径的会聚透镜是因为所需要的书写/擦除光束的焦深区较长。透镜34是一个消色差透镜，它的光轴与透镜30的光轴平行并同心。使用消色差透镜是使所有的书写/擦除光束和所有的阅读光束的焦深区都位于一个可能的最薄的立体层内。ΔH_E是光盘中一个这样的立体层的厚度。因为每一个被书写光束组的“所有焦深区”所占居的小立体体积存储着一个数据组，ΔH_E也是存储单元的长度。

图2是图1中由36所示光盘的部分光学结构示意图，该光盘包括一个基片层40，一个光学存储介质层42，一个窄带反射滤波层44和两个覆盖层46、48。基片层上的凹槽50构成同心圆形或螺旋形的轨迹，并被台阶52分隔开。凹槽和台阶的宽度分别是d和h。基片层、窄带反射滤波层和两个覆盖层对于书写/擦除和阅读光束是透明的。覆盖层用于保护基片层和存储介质以防止划痕、污垢等，并帮助减少不必要的反射。该光盘的结构与很多光存储系统的光盘相比是非常简单的。当存储介质由廉价材料(比如光聚合物薄膜)制成时，光盘的成本会很低。

在装置工作时，致动器与光盘之间必须保持一个固定的距离，这是通过系统的自动对焦机构而实现的。一个来自自动对焦和追迹控制器60(见图1)的线性偏振光束被用作校准光束而使致动器24进行自动地对焦和追迹。在图1和2中，虚线代表校准光束光线而实线代表书写/擦除和阅读光束光线。校准光束的波长是这样选择的：它能被分离器18和26所反射。分离器26朝向校准光束的横截面为圆形且不大，因此除了中心部分外，校准光束的大部分能量可以到达反射镜28，然后通过透镜30会聚后，照射到光盘36上。

因为光盘基片的凹槽之下有一个窄带反射滤波层44，它具有与分离器18相同的反射波长范围，于是校准光束被反射回到自动对焦和追迹控制器60。该控制器内有一个对返回的校准光束的光场分布进行分析的分析器，它的工作原理与一般CD光盘驱动器中的光分析器原理(M.Bass，E.W.V.Stryland，D.R.WilliamsandW.L.Wolfe，eds.，HandbookofOptics，Vol.I，pp.31.13-31.18，McGraw-Hill，NewYork，1995)相同。控制器60输出控制信号到音圈马达62，从而使它推拉致动器去靠近或远离光盘而使校准光束的焦点保持在凹槽的表面，这种自动对焦可使由光盘旋转而引起的光盘轴向抖动偏差小于0.1微米。同时控制器60也输出控制信号给另一音圈马达64而使致动器沿光盘径方向来回移动。每一次步进电机66会首先根据预先写在数据轨迹中的指示标记而推动致动器到所期望的轨迹上，然后通过音圈马达64的自动追迹而使校准光束的焦点始终保持在所期望的某一凹槽内(中心)，因此在光盘转动时保持在所期望的数据轨迹内。校准光束与书写/擦除和阅读光束被引导成为平行和同轴，并且校准光束的焦深区中心和书写/擦除光束或阅读光束的“所有的焦深区”的上边缘之间保持一个可改变的距离ΔD。ΔD的改变是经由第三个音圈马达68。音圈马达68也是安装在致动器24内，并通过一刚性连接杆70而使透镜34沿X轴方向运动。这样，当校准光束的焦点位于一个给定的凹槽中心，书写/擦除或阅读光束便照射到同一数据轨迹上，并且书写/擦除或阅读光束的“所有的焦深区”都落在一个给定的立体存储层内。

一个小反射镜72被放置在光盘下，其通过刚性连接杆70的连接总是与透镜34同步运动(以避免频繁的校准)。一个光闸74被放置在反射镜72与光盘之间。当书写或擦除数据时，光闸74被移出光束光路，因而从光盘中出射的光束被反射回光盘。当阅读数据时，该光闸进入光束光路而阻断光束的返回。

该系统是易与CD和DVD光盘兼容的。通过仅开启一个FF-DFB激光器或在书写/擦除光源10中添加两个额外的半导体激光器(其波长应与CD或DVD光盘驱动器中使用的波长接近或相同)，CD或DVD光盘便可在该系统中直接播放和编辑。因为CD和DVD光盘具有与上述类似的数据层和数据轨迹，驱动器24可以将校准光束的焦点对准CD或DVD光盘内的数据层，并对所需的数据轨迹进行追迹。然后透镜34可以将某一个开启的FF-DFB激光器或额外添加的半导体激光器的光束聚焦到同一个数据轨迹上阅读所存储的数据。数据的编辑(即书写和擦除)可通过增大激光束的强度来实现。

当书写光束穿出光盘，它们由另一个其焦距与透镜34匹配的消色差透镜76变为平行光束，然后再被反射镜72垂直反射回存储介质。这些返回的光束将与后续入射的光束相互干涉。在干涉区域内，每一个返回的光束将只与具有相同的波长和相匹配的偏振的入射光束相干涉。因此，每一个书写光束在存储介质内都会形成一个驻波。在任何时候透镜34和透镜76之间的距离都通过连接杆70的连接而保持不变，该连接杆是很薄和很轻的因而不会影响致动器的响应速度。

存储介质42是能通过双光子吸收而引起介质折射率变化和偏振性质变化的材料。许多研究人员已报道了双光子吸收引起的介质的折射率变化(H.Guo，H.Jiang，L.Luo，C.Wu，H.Guo，X.Wang，H.Yang，Q.Gong，F.Wu，T.WangandM.Shi，“Two-photonpolymerizationofgratingsbyinterferenceofafemtosecondlaserpulse，”Chem.Phys.Lett.Vol.374，pp.381-384，2003；J-A.Reyes-Esqueda，L.Vabre，R.Lecaque，F.Ramaz，B.C.Forget，A.Dubois，B.Briat，C.Boccara，G.Roger，M.Canva，Y.Levy，F.ChaputandJ-P.Boilot，“Optical3D-storageinsol-gelmaterialswithareadingbyOpticalCoherenceTomography-technique，”Opt.Commun.Vol.220，pp.59-66，2003)和偏振性质变化(A.Kozanecka-Szmigiel，K.Switkowski，E.Schab-BalcerzakandE.Grabiec，“Two-photon-inducedbirefringenceinazo-dyebearingpolyimide；thebirefringencechangesversusthewritingpower，”Appl.Phys.B：LaserOpt.Vol.105，pp.851-855，2011；Y.Hu，Z.Zhang，Y.Chen，Q.ZhangandW.Huang，“Two-photon-inducedpolarization-multiplexedandmultilevelstorageinphotoisomericcopolymerfilm，”Opt.Lett.Vol.35，pp.46-48，2010)，这些介质包括光聚合物。由两个激光束干涉并经由双光子吸收而产生的光学周期性结构包括全息条纹和衍射光栅也已被观察到(H.Guo，H.Jiang，L.Luo，C.Wu，H.Guo，X.Wang，H.Yang，Q.Gong，F.Wu，T.WangandM.Shi，“Two-photonpolymerizationofgratingsbyinterferenceofafemtosecondlaserpulse，”Chem.Phys.Lett.Vol.374，pp.381-384，2003；A.Rebane，M.DrobizhevlandA.Karotki，“Frequency-domaingratingsbysimultaneousabsorptionoftwophotons，”J.Lumin.Vol.98，pp.341-353，2002)。所产生的介质折射率变化至少高达0.005，而所形成的立体光栅的衍射效率不小于57％。

在本发明装置的优选实施例里，光聚合物被选择作为存储介质，并具体地以偶氮染料基聚酰亚胺薄膜为例来对本发明作初步地论证说明。这种薄膜已显示出聚酰亚胺分子的两个(正交)方向轴可经高强度线性偏振光的照射而改变方向，从而产生双光子吸收引起的并依赖于书写光束功率的介质双折射变化(A.Kozanecka-Szmigiel，K.Switkowski，E.Schab-BalcerzakandE.Grabiec，“Two-photon-inducedbirefringenceinazo-dyebearingpolyimide；thebirefringencechangesversusthewritingpower，”Appl.Phys.B：LaserOpt.Vol.105，pp.851-855，2011)。也就是说，通过偏振光的照射，如果沿照射光偏振方向的介质折射率(命名为n_//)减少，则在同一平面内垂直于该偏振方向的介质的折射率(命名为n_T)将会相应地增加，所感生的双折射变化值Δn＝n_//-n_T取决于书写光强度和曝光时间，并且可以在书写光强度低于某一破坏性阈值时被圆偏振光(的照射)擦除为零。当书写光强度高于破坏性阈值时残留的双折射将被永久保留而不能被擦除。所需的感生双光子吸收双折射变化的平均书写光功率和曝光时间是50毫瓦和425秒。因为在实验中使用的是频率1千赫兹的100飞秒的脉冲，其对应的峰值书写光强度和有效照明时间是7.1千兆瓦/平方厘米和42.5纳秒。而当平均书写光功率和曝光时间是400毫瓦和425秒时(破坏性的书写光功率是700毫瓦)，所感生的可擦除双折射的变化是0.005(A.Kozanecka-Szmigiel，K.Switkowski，E.Schab-BalcerzakandE.Grabiec，“Two-photon-inducedbirefringenceinazo-dyebearingpolyimide；thebirefringencechangesversusthewritingpower，”Appl.Phys.B：LaserOpt.Vol.105，pp.851-855，2011)。之所以要求如此高的书写峰值光强度是因为所选用的偶氮染料基聚酰亚胺薄膜的双光子吸收截面很小。因此，如果书写光束焦深区的直径为1微米左右，由于7.1千兆瓦/平方厘米等于71瓦/平方微米，就需要使用峰值功率超过71瓦的激光器。目前，虽然半导体激光器可以产生如此高的峰值功率，例如准连续波半导体激光器(其输出功率可达250瓦以上，例如见http：//www.coherent.com/products/？1534/Diode-Lasers)，但它们的尺寸将会使系统的体积变得庞大。但是在不远的将来，系统装置的尺寸将不会是一个问题，因为具有大双光子吸收截面的新化合物的开发速度非常快。例如，通常的激光染料的双光子吸收截面是0.1-10GM(1GM＝10^-50厘米⁴·秒/每光子)(A.Rebane，M.DrobizhevlandA.Karotki，“Frequency-domaingratingsbysimultaneousabsorptionoftwophotons，”J.Lumin.Vol.98，pp.341-353，2002)，然而2010年报道的芘核人造分子的双光子吸收截面已高达25000GM(Y.Wang，L.Yan，Z.Zhao，X.Ma，Q.Guo，M.Jia，P.Lu，G.Ramos-Ortiz，JL.Maldonado，M.RodriguezandA.Xia，“Gigantictwo-photonabsorptioncrosssectionsandstrongtwo-photonexcitedfluorescenceinpyrenecoredendrimerswithfluorene/carbazoleasdendronsandacetyleneaslinkages，”J.Phys.Chem.BVol.114，pp.11737-11745，2010)。此外，半导体激光器的尺寸也在不断减小，因此本发明的系统装置将会有一个合理的尺寸。

在数据书写状态，在每一个短小时间内，书写光束(也即书写/擦除光束)组产生多个驻波重叠在介质中。在各光束的焦深区，无论是光的强度或者是光强度的梯度(从驻波的一个节点到相邻的反节点)都非常大。在焦深区外，光强度是按离焦深区中心的距离的平方成反比而迅速下降的。由于双光子吸收是一个依赖于光强度的平方的非线性过程，故双光子吸收几乎只发生在光束的焦深区内。由于驻波光强在干涉区域内是周期性空间变化的，其导致的分子轴取向的空间分布和折射率的空间变化也是空间周期性变化的。根据理论推导(A.Rebane，M.DrobizhevlandA.Karotki，“Frequency-domaingratingsbysimultaneousabsorptionoftwophotons，”J.Lumin.Vol.98，pp.341-353，2002)和实验观察(H.Guo，H.Jiang，L.Luo，C.Wu，H.Guo，X.Wang，H.Yang，Q.Gong，F.Wu，T.WangandM.Shi.“Two-photonpolymerizationofgratingsbyinterferenceofafemtosecondlaserpulse.”Chem.Phys.Lett.Vol.374，pp.381-384，2003；A.Rebane，M.DrobizhevlandA.Karotki，“Frequency-domaingratingsbysimultaneousabsorptionoftwophotons，”J.Lumin.Vol.98，pp.341-353，2002)，于是一个共振频率是书写光束频率两倍的共振光栅在书写光束的焦深区形成。因为每一个书写光束都是和垂直反射的光束相干涉，所形成的光栅是平面布拉格光栅。还因为每一个光栅内的每个折射率调制层都是和光盘的径方向平行，故光盘的转动不会影响光栅的清晰书写，从而不会降低光栅的衍射品质。在书写光束照明后，这些光栅将保留在介质中。

在数据擦除状态，在每一个短小时间内，具有所需波长的擦除光束(也即书写/擦除光束)的强度都被调整为具有一个相同的指定值，其偏振方向也被选定为一个相同的特定方向。因此所有期望被擦除的光栅都被重新书写为具有一个特定的反射率和特定的偏振方向的特殊光栅。在所说的彩色亮度和偏振方向编码和解码的规则中，规定所有的由该特别的光栅所反射的光束的强度、偏振方向和任意的波长所组成的组合状态都代表一个“无数据”状态。因此，通过选择擦除光束的波长和照射时间，所需要的光栅就被写入到“无数据”的状态，并因此可以擦除部分或全部的所存储的数据。数据的擦除也可以通过重写含有所需要光栅的整个存储单元而执行，也就是同时重写那些需要保留的光栅和擦除那些需要消除的光栅，这样可以避免精确瞄准需要擦除的光栅。

在数据阅读状态，阅读光源12中所有的超发光二极管都同时被开启而输出光束。因此阅读光束组便具有在Δλ′_R范围内的所有(中央)波长λ′_R1、λ′_R2、λ′_R3、…和λ′_RN，并且总有两束光束具有相同的(中心)波长和相互正交的偏振方向。这些光束的强度都是相同的并且低于能改变存储介质折射率和偏振性质的阈值。当这些阅读光束进入光束分离器32中，由于该分离器的反射率对所有的阅读光束都是50％，因此每一个阅读光束都被分成两部分，一部分穿过所说的分离器而成为“检测”光束，另一部分则被反射到一个反射镜78而成为“参考”光束。当检测光束照射光盘时，通过致动器的自动对焦和追迹，检测光束的所有焦深区都落在所期望的数据存储层中所期望的数据轨迹内。

由于在存储介质中所形成的光栅是由具有极化方向的分子所组成的立体衍射光栅，它们对于光波长和偏振方向都是敏感的。当这样的光栅被阅读光束照射时，它们会选择性地反射(通过衍射)具有共振的波长和匹配的偏振方向的光束。作为双光子吸收形成的光栅，其共振波长是其书写光束波长的一半，而其匹配偏振方向是其书写光束的偏振方向。此外，它的反射率是依赖于书写光束的光强度，因为光栅的衍射效率取决于介质折射率的调制振幅，也就是由书写光束的强度来确定的介质折射率的空间调制振幅。双光子吸收形成的光栅的波长选择性和其衍射效率对书写光强度的依赖性已经在实验中被观察到(H.Guo，H.Jiang，L.Luo，C.Wu，H.Guo，X.Wang，H.Yang，Q.Gong，F.Wu，T.WangandM.Shi，“Two-photonpolymerizationofgratingsbyinterferenceofafemtosecondlaserpulse，”Chem.Phys.Lett.Vol.374，pp.381-384，2003；A.Rebane，M.DrobizhevlandA.Karotki，“Frequency-domaingratingsbysimultaneousabsorptionoftwophotons，”J.Lumin.Vol.98，pp.341-353，2002；T.Katchalskia，S.Soriab，E.Teitelbauma，A.A.FriesemaandG.Marowskyc.“Twophotonfluorescencesensorsbasedonresonantgratingwaveguidestructures，”Sensor.Actuat.BVol.107，pp.121-125，2005)。由双光子激发而导致的介质的偏振各向异性也被观察到了(Y.Hu，Z.Zhang，Y.Chen，Q.ZhangandW.Huang.“Two-photon-inducedpolarization-multiplexedandmultilevelstorageinphotoisomericcopolymerfilm，”Opt.Lett.Vol.35，pp.46-48，2010)。

对于均匀相位光栅，H.Kogelnik已应用耦合波理论计算过其衍射特性(H.Kogelnik，“Coupledwavetheoryforthickhologramgratings，”TheBellSystemTech.J.Vol.48，pp.2909-2947，1969)。在一个非倾斜反射的光栅内，记录条纹平面的取向是或多或少与记录介质的表面平行的，并且信号是作为参考波的“反射”波出现的，大多数的立体布拉格光栅是低吸收的相位光栅。考虑一个厚度为D、折射率调制振幅为n_I的非倾斜反射光栅，其衍射效率η被定义为衍射光强度与入射光强度的比率，当不考虑吸收和界面菲涅耳反射并假定该介质的平均折射率远大于n_I时，该光栅的衍射效率为

$\mathrm{\η}=\frac{1}{[1+\frac{(1-\frac{{\mathrm{\ξ}}^2}{v^2})}{s{h}^2{(v^2-{\mathrm{\ξ}}^2)}^{\frac{1}{2}}}]},---\left(1\right)$

式中

$\mathrm{\ξ}=\frac{\mathrm{\δ\θ}\·\mathrm{KD}\·\sin ({\mathrm{\θ}}_0-\mathrm{\φ})}{2C_S}=\frac{\mathrm{\δ\λ}\·K^{2}D}{8\mathrm{\πn}{C}_s},---\left(2\right)$

$v=\frac{\mathrm{j\π}{n}_{I}D}{\mathrm{\λ}{\left(C_R{C}_S\right)}^{\frac{1}{2}}}.---\left(3\right)$

δθ和δλ分别是角度和波长偏差，K是光栅矢量，C_R和C_S分别是参考波和信号波的传播矢量的倾斜因子。对于非倾斜反射光栅，φ＝0，在布拉格入射时，C_R＝-C_S＝cosθ₀，式中θ₀是在折射率为n的介质内的入射角，而λ是参考波在自由空间中的波长。

通过选择2λ′_Ri＝λ_Wi(i＝1、2、3、…N)，任何所形成的光栅都将与一个检测光束相共振，并因此反射该光束。在检测光束中，由于总有两个偏振方向正交的光束具有相同的波长，因此不管一个光栅中的占主导地位的介质分子取向为何，具有与该光栅相共振波长的光束总会被部分地反射。没有遇到相共振光栅的检测光束将从光盘中射出，并被光闸74阻拦而不能再回到存储介质中。

当一个检测光束从某一个相共振的光栅反射返回，它将与从反射镜78返回的具有相同的波长和偏振的参考光束相遇，从而在分离器32的出口处形成干涉条纹。于是，被检测的光栅(构成样品臂)，反射镜78(构成参考臂)和分离器32组成一个迈克尔逊干涉仪。因为超发光二极管的频谱带宽很宽，它的光束的相干长度很短。于是只有当光束沿着两个臂行走了几乎“相等”的光学距离时，也就是当两个臂的光学行程差小于光束的相干长度时，干涉条纹才可能出现。在行程差大于相干长度时光束不会干涉，而且能反射回更多光线的区域能产生更强的干涉。因此，当检测光束被透镜34会聚到某一个含有多个光栅的存储单元时，通过使用音圈马达80而沿Z轴方向移动反射镜78到一个适当的位置，从一个所期望的光栅或存储单元所反射回来的阅读光束的光程差便可小于光束的相干长度，从而该反射光束便可通过相干选通而被选择性地接收。于是，光学相干断层扫描术(A.F.Fercher，W.Drexler，C.K.HitzenbergerandT.Lasser，“Opticalcoherencetomography-principlesandapplications，”Rep.Prog.Phys.Vol.66，pp.239-303，2003；Z.Yaqoob，J.WuandC.Yang.“Spectraldomainopticalcoherencetomography：abetterOCTimagingstrategy，”Bio.TechniquesVol.39，pp.S6-S13，2005)在这里被采用而对数据进行阅读。此外，每个被检测的光栅和与其对应的光探测器(这些光探测器检测从该光栅所反射的光束的强度、偏振方向和波长)位于共焦成像的位置并使用了共焦针孔(见下面进一步描述)，共焦显微成像术也在这里被同时采用对数据进行阅读。

会合后的检测光束和参考光束的一半光能量进入信号探测系统82，图3是该信号探测系统的光学结构示意图。90是一个反射率为30％的非偏振和非色彩选择的光束分离器，因此30％的进入信号探测系统的光束到达分光棱镜92被分光并由透镜94会聚。随后，每一对具有相同的波长和正交偏振方向的进入信号探测系统的光束的30％的光能量在通过放置在透镜94的焦平面的共焦针孔阵列(因为针孔阵列很薄而未在图中绘出)后，被位于光探测器阵列96中的的光强度探测器所接收。使用空间针孔阵列是为了更好地消除检测光束焦点外的光噪声。在阵列96中的光探测器数目是N，它与每个超发光二极管阵列中的二极管数目相等。这些光探测器按线形依次排列而位于不同的位置，因此被探测光束的波长可以通过相对应的光强度探测器的位置来确定。为了在图3中清楚地显示光束的路径，只绘出了三条光束的光线。

70％的进入信号探测系统的光束被偏振分束器98进一步分成两个偏振相互正交的光束组，在经两个色散棱镜100和102分束和两个透镜104和106会聚后，每一对具有相同波长和正交偏振方向的进入信号探测系统的光束的70％的光能量被分别位于光探测器阵列108和110中的两个光强度探测器所接收。两个共焦针孔阵列也被分别放置在两个光探测器阵列108和110之前并分别位于透镜104和106的焦平面上。每一对接收具有相同波长的两个光束强度的探测器构成一个差分检测元件。因为由探测器阵列108探测到的光束的偏振方向是与Y轴平行，因此其强度被称为I_//，由于同样的原因，由探测器阵列110探测到的光束的强度被称为I_T。I_//和I_T的值被送到一个信号分析器112(112中还包含一个电子处理器)以产生一个光信号差值ΔI＝I_//-I_T。于是，一个特定的取决于每一个光栅中占主导地位的分子取向并被命名为每一对进入信号探测系统的检测光束的“合成偏振方向(SPD)”便可被计算出来。例如，如果I_//＝0或I_T＝0，则SPD将垂直于或平行于Y轴。如果I_//＝I_T，SPD将与Y轴夹45°角。如果I_//＞I_T≠0或I_T＞I_//≠0，SPD将靠近Y轴或Z轴，并且具体的角度可以由ΔI＝I_//-I_T的值来计算。每一个SPD所对应的波长也可由每一个差分检测元件的所处位置来确定。最后，探测到的光强度、光波长和SPD的值由位于112中的电子处理器通过一个解码过程而被解码回原来的数据组。所说的解码过程是上述所说的颜色亮度和偏振编码过程的逆过程。

在信号探测时虽然使用了色散棱镜和线性排列的探测器阵列，所采用的仍然是时间域的光学相干断层扫描术(TDOCT)，它与频谱域的光学相干断层扫描术(FDOCT)是不同的(A.F.Fercher，W.Drexler，C.K.HitzenbergerandT.Lasser，“Opticalcoherencetomography-principlesandapplications，”Rep.Prog.Phys.Vol.66，pp.239-303，2003；Z.Yaqoob，J.WuandC.Yang，“Spectraldomainopticalcoherencetomography：abetterOCTimagingstrategy，”Bio.TechniquesVol.39，pp.S6-S13，2005)。在采用FDOCT时，沿X轴的纵向扫描是通过计算收集到的频谱(通过傅里叶变换)而完成，并且没有参考臂的运动。可是在这里必须移动反射镜78去选中所期望的存储单元(在每一个短小时间内检测光束的所有焦深区都落在该存储单元内不动)。如果每一个阅读光束都由若干个线形排列的光探测器来探测，那么信号探测就变成由N个独立的采用FDOCT的测量系统来完成，这会带来某些好处，但由于需要频谱计算而增加系统的复杂性。

目前大多数的数字数据都是以二进制的形式被储存。在二进制数字系统中，数据的单位是比特，它是储存在两个能被识别的状态中的数据量。因此一个比特位可以容纳最多两个数据值，而m个比特位可以容纳最多2^m个数据值。对于使用彩色亮度和偏振方向编码的存储系统，能在其中某个存储单元中储存的最大数据量取决于有多少个波长、光强度等级和偏振方向可被利用，也就是说，取决于可能得到的书写光束的波长，偏振方向和光强度的组合状态数目。由含有2个波长、2个强度等级和2个偏振方向的光束组的可能得到的组合状态在表A中示出。

表A2个具有不同波长的光束的可能的组合状态(每个光束具有2个可能的偏振方向和2个可能的强度等级)

在表A中，每个组合状态由WPI表示，其中W分别用1或2表示，它们分别代表着2个波长；P分别用A或者B表示，它们分别代表着2个偏振方向，I分别用a或者b表示，它们分别代表着2个光强度等级。可见，由W＝2、P＝2和I＝2的光束组生成的组合状态的最大数目是(2×2)²＝16。很容易证明由W＝3、P＝2和I＝2的光束组生成的组合状态的最大数目是(2×2)³＝64；由W＝3、P＝2和I＝3的光束组生成的组合状态的最大数目是(3×2)³＝216，并以此类推。因此如果一个光束组有N_W光束具有不同的波长，而每个光束有N_P个可能的偏振方向和N_I个可能的光强度等级，那么这个光束组的组合状态的最大数目将是可见，即使N_W、N_P和N_I的值是适中的，这样的一个存储单元的数据储存量也会很大。

为了增加存储密度，所形成的光栅的直径必须尽量小，而衍射光栅的直径是由光栅的长度决定的。因为在每一个存储单元中有多个重叠的光栅，只有当每一个光栅的反射带宽足够窄时这些光栅才可能被分离独立地识别(探测)，而这决定了光栅的长度。

对于一个给定的光栅长度，可能得到的光栅最小直径可计算如下。由于书写/擦除和阅读光束都是高斯光束，这些光束的沿光轴x方向的横截面半径变化由下式给出(M.Bass，E.W.V.Stryland，D.R.WilliamsandW.L.Wolfe，eds.，HandbookofOptics，Vol.I，pp.11.23-11.24，McGraw-Hill，NewYork，1995)。

$\mathrm{\ω}\left(x\right)={\mathrm{\ω}}_0{[1+{\left(\frac{\mathrm{\λx}}{\mathrm{n\π}{\mathrm{\ω}}_0^2}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}={\mathrm{\ω}}_0{[1+{\left(\frac{x}{x_0}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}},---\left(4\right)$

式中ω₀是光束最小束腰处，也即x＝0处的光束横截面半径，n是存储介质的折射率，λ是书写光束在自由空间中的波长。在x＝x₀处，光束横截面半径变为x₀由下式给出

$x_0=\frac{\mathrm{n\π}{\mathrm{\ω}}_0^2}{\mathrm{\λ}}.---\left(5\right)$

x₀被称为瑞利范围。因为光束强度在瑞利范围外将迅速下降，在光束横截面半径为的两点间的距离被称为光束的焦深区，也就是高斯光束的焦深区长度是

D＝2x₀。(6)

可以在许多出版物中找到光聚合物薄膜的折射率，它们一般是从1.4到1.99，对于双光子吸收光聚合物薄膜，其折射率至少可达1.7(T.Katchalskia，S.Soriab，E.Teitelbauma.A.A.FriesemaandG.Marowskyc，“Twophotonfluorescencesensorsbasedonresonantgratingwaveguidestructures，”Sensor.Actuat.BVol.107，pp.121-125，2005)。从等式(5)和(6)可知，当焦深区长度为D，介质折射率为n和光束波长为λ时，高斯光束的直径d为

$d=\sqrt{\frac{2\mathrm{D\λ}}{\mathrm{n\π}}}.---\left(7\right)$

由于偶氮染料基聚酰亚胺膜的双光子吸收的波长范围是从550纳米到240纳米以下(所对应的单光子吸收波长范围是从1100纳米到480纳米)，波长λ可取从250纳米到460纳米(间隔为10纳米)，然后取D＝8微米，n＝1.7或1.9，则计算得到的最小的光束直径d值示于表B。

表B也给出了光栅的反射率R和在折射率分别是1.7和1.9的两种介质中的长度为8微米的光栅的反射带宽δλ。光栅的反射率R(也即衍射效率η)和反射带宽δλ是由式(1)计算。反射带宽δλ的定义是：超出这个反射带宽(全宽度)时光束的反射率将小于1％。在表B不同行内的d、R、δλ和dλ是对应不同的折射率n，而在不同列内的d、R、δλ和dλ是对应不同的波长λ和η_I，η_I是折射率的空间调制幅度。d和D的单位是微米，而λ、δλ和dλ的单位是纳米。

在表B中，dλ是每一个阅读光束光谱分布的半最大值全宽度(FWHM)(所期望值)。dλ由相干长度l_C的表达式计算(A.F.Fercher，W.Drexler，C.K.HitzenbergerandT.Lasser，“Opticaicoherencetomography-principlesandapplications，”Rep.Prog.Phys.Vol.66.pp.239-303，2003)。

$l_C=\frac{2\ln 2}{\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{\mathrm{nd\λ}},---\left(8\right)$

式中λ₀是中心波长，而n是介质的折射率。在计算中，取l_C＝8微米，于是l_C与存储单元的长度相同。可见，虽然每一个阅读光束的带宽都较宽，但由于δλ＞dλ，他们仍然可被选择性地分别只由一个相共振的光栅所反射。事实上，可以选l_C的长度略大于存储单元的长度(例如几倍长)以使检测光束具有更好的波长选择性，虽然干扰噪声也会少许增加。

表B双光子吸收形成的布拉格光栅的直径、反射率和反射带宽

在表B中，我们也可以看到，当η_I是从0.0048到0.0089，λ是从250纳米到460纳米，n是1.7或1.9时，8微米长的光栅的反射率会超过20％，其反射带宽是从3.44纳米至13.0纳米。20％的反射率被用于分成5个以上的反射率等级是足够的(参见下述进一步讨论)。而从3.44纳米至13.0纳米的反射带宽将允许一个存储单元可容纳多达58或65个立体布拉格光栅(也参见下述进一步讨论)。

在每一个书写光束组内，具有最长波长的光束将决定存储单元的尺寸(直径和长度)。在该光盘中，数据是被记录在各数据轨迹内，因此存储一个数据组的最小所需面积是ΔS＝(d+h)²，式中h是台阶的宽度，而d是数据轨迹凹槽的宽度，d是由书写光束组中具有最大焦深区直径的光束所决定，而存储单元的体积是ΔS×ΔH_E。前面已述，当一个光束组具有N_W个波长，并且光束组中每一个光束具有N_P个可能的偏振和N_I个可能的强度时，该光束组可以提供个组合状态用于数据编码。在二维存储介质中，数据以二进制的形式被存储在一个薄平面内，并且如果一个面积为ΔS的区域的存储容量为m比特，则该区域可以提供2^m个不同的状态来存储数据。

对于任何两种数据存储系统，如果它们能提供相同数目的可分辩物理状态去储存数据，这两种系统就具有相同的存储容量。这些物理状态可以是电子双稳态线路的两个稳定状态、可分辩的电压等级、可分辩的电流强度等级、可分辩的磁场方向、可分辩的光波长数值、可分辩的光强度等级、可分辩的光偏振方向等。因此当一个使用多个波长、多个光强度等级和多个偏振方向的光学储存系统和一个仅使用一个波长和两个光强度等级(即零和一个大于零的固定值，CD、DVD和蓝光光盘皆如此)的光学储存系统具有相同数量的可分辩物理状态时，它们就具有相同的存储容量。因此，从

$2^m={(N_P\×N_I)}^{N_{\mathrm{I\Γ}}},---\left(9\right)$

可得到

$m={\log }_2\left[{(N_P\×N_I)}^{N_{\mathrm{I\Γ}}}\right].---\left(10\right)$

在式(10)中，m的单位是二进制计量单位比特。

考虑一个DVD尺寸的光盘，它的直径为120毫米，其中心安装和支撑用圆孔的直径是40毫米，其厚度为1.2毫米，设其存储介质的厚度Γ是1.1毫米。因此该种光盘的最大存储面积S和体积V是S＝π(60²-20²)平方毫米和V＝1.1S立方毫米。每一个存储单元的体积是ΔS×ΔH_E，如果每一个存储单元中最长的光栅长度是D_m，那么ΔH_E＝D_m。再如果在两个相邻的存储层之间增加厚度为ΔΛ的间隔，则每个存储层的厚度增大为ΔH_ER＝D_m+ΔΛ，于是，每一个存储层的存储容量ΔC是

$\mathrm{\ΔC}=m\×\left(\frac{S}{\mathrm{\ΔS}}\right).---\left(11\right)$

一个DVD尺寸的光盘的存储容量C_SD则是

$C_{\mathrm{SD}}=\mathrm{\ΔC}\left(\frac{\mathrm{\Γ}}{D_m+\mathrm{\Δ\Λ}}\right),---\left(12\right)$

对于具有和DVD光盘相同的直径和中心安装支撑孔但厚度变厚的光盘，其存储容量可以通过用增加的厚度为Γ值而计算。

表C六维光学存储光盘的存储容量

表C给出了本发明的DVD尺寸的光盘和两个更厚的光盘的存储容量。在计算中，D_m＝8微米，h＝50纳米，ΔΛ＝1微米，n是介质的折射率。书写光束的最长波长λ_m为460纳米。N_I和N_P分别是2和3，或5和9。此外作为参考，N_I和N_P也分别选为10和16以看潜在的存储能力。N_W是按下述方法计算：将从460纳米至250纳米的总波长范围划分成宽度Δλ为10纳米的21个区段，设δλ_mi(i＝1、2、3、…、21)为由各区段中光束所感生的光栅的反射带宽中的最宽者，则δλ_mi的值取自表B(即表中的δλ)。C_SD是每个DVD尺寸的光盘的存储容量，C_S2和C_S3是与DVD光盘具有相同的直径和中心孔，但其存储介质的厚度分别是2毫米和3毫米的光盘的存储容量。C_S2和C_S3的值是用作参考以了解可能的潜力。C_SD，C_S2和C_S3的计量单位是兆兆字节(即Tbyte，1Tbyte＝8Tbits或1Tbyte＝8×10¹²bits，即1兆兆字节等于8兆兆比特)。可以看出，本发明的存储系统具有非常大的存储容量，当N_I＝5和N_P＝9时，一片DVD尺寸的光盘的存储容量可达到32.66兆兆字节，即使当N_I＝2和N_P＝3，一片DVD尺寸的光盘的存储容量也可达到15.37兆兆字节。当每一个书写光束具有更多可能的偏振方向和光强度时，其光盘的容量会更大，例如，当N_I＝10和N_P＝16时，一片DVD尺寸的光盘的存储容量能达到43.54兆兆字节。此外，如果存储介质具有更高的折射率，存储容量也会更大。

因为数据的书写、擦除和阅读是同时使用多个光束并以多维方式进行，该系统具有超快的数据传输速度。当单片光盘的容量为32.66兆兆字节时，按式(10)可知其一个存储单元的容量是318.53比特。由于该存储单元的直径是1.174微米，当直径为120毫米的圆盘以每秒5400转或15000转的速度转动时，书写光束飞越一个存储单元的最短时间分别是34.6纳秒或12.5纳秒，因此阅读速度可达每秒9.21千兆比特或每秒25.57千兆比特。当光盘转速更高时阅读速度也会更快。

前面已述，书写光束的波长、偏振方向和光强度的变换速度可短止一纳秒，于是数据书写和擦除的速度主要取决于介质双光子激发的双折射变化的时间。对于偶氮染料基聚酰亚胺薄膜，在71瓦/平方微米的光强照射下产生所需要的双折射变化的时间是42.5纳秒(见前述)。由于当书写光功率大于71瓦时318.53比特的数据可以在42.5纳秒的时间内被书写到存储单元中，于是书写(也即擦除)的速度可以达到每秒7.49千兆比特≈每秒8千兆比特。对于具有更大的双光子吸收截面的存储介质，其书写/擦除速度将更快。

由表B和表C可知，当存储介质的双光子吸收波长变短时，系统的存储容量和数据传输速度将进一步提高。在上述的计算中，所选择的存储介质仅仅是用来作初步的技术可行性论证而没有更佳化。由于偶氮染料基聚酰亚胺膜所对应的单光子吸收范围终止于约480纳米，每个存储单元可容纳的布拉格光栅的数目就较少，从而限制了光盘的总存储容量。已知许多材料具有波长更短的双光子吸收范围，它们所对应的单光子吸收范围可低止约200纳米(A.Dragonmir，J.G.McInerneyandD.N.Nikogosyan，“Femtosecondmeasurementsoftwo-photonabsorptioncoefficientsatλ＝264nminglasses，crystals，andliquids，”Appl.Opt.Vol.41，pp.4365-4376，2002)。如果选用更短吸收波长的存储介质，系统的存储性能将被提高。例如，如果选择所对应的单光子吸收范围是从400纳米到200纳米的介质，并设存储单元的长度D＝5微米，介质的折射率n＝1.7或n＝1.9，则每片DVD尺寸的光盘的存储能力在N_I＝5和N_P＝9时，将提高到304.1兆兆字节或377.2兆兆字节，在N_I＝10和N_P＝16时，是405.5兆兆字节或502.9兆兆字节，一片2到3毫米厚的光盘的容量将超过1千兆兆字节(1Pbyte)。当光盘的容量是405.5兆兆字节时，其对应的阅读速度将超过每秒99千兆比特。

由于双光子书写和擦除，书写/擦除光束的波长范围Δλ_W远离介质的光吸收波长范围和所产生的光栅的共振波长范围(二者都是Δλ′_R)。这样，除去在光束的焦深区内，书写/擦除光束不会与存储介质(包括所产生的光栅)发生相互作用，从而在数据书写和擦除的过程中几乎不产生存储层间的干扰噪声。实验已证明通过双光子吸收，数据可被三维地记录在200层的数据层内(总厚度为1毫米)，每个数据层的厚度为5微米，相邻的数据存储单元的中心到中心的距离约为0.5微米，并且数据层的数目和存储单元的密度还可进一步增加，因为有关研究人员承诺存储容量还可增加10倍而达到10兆兆字节(E.WalkerandP.Rentzepis，“Twophotontechnology：anewdimension，”NaturePhotonicsVol.7，pp.406-408，2008)。在上述的本发明装置的实施例中，在1.1毫米厚的光盘中只有122个数据层，每个数据层的厚度为9微米，相邻的数据存储单元的中心到中心的距离约为1.2微米，数据层数目和存储单元密度的减少都将产生更少的层间干扰噪声，从而不会影响数据的书写和擦除。

当阅读数据时，每个所产生的光栅是通过TDOCT探测。Z.Yaqoob等曾简明地分析过TDOCT的特性(Z.Yaqoob，J.WuandC.Yang，“Spectraldomainopticaicoherencetomography：abetterOCTimagingstrategy，”Bio.TechniquesVol.39，pp.S6-S13，2005)。如果所接收到的波长是k，参考光束和样品光束的功率是P_R(k)和P_S(k)，当两臂之间的光程差是z_R-z_S时，则在干涉仪的出口处(也即分离器32的出口处)所接收光束的总功率是

$P_{\mathrm{exit}}=P_R\left(k\right)+P_S\left(k\right)+2\sqrt{P_R{P}_S}\sin c\left[\frac{\mathrm{\π}(z_R-z_S)}{l_C}\right]\cos \left[k_{0}2(z_R-z_0)\right].---\left(13\right)$

式中k是波数，l_C是相干长度，k₀是检测光束在光谱带宽Δk(按波数计算)内的平均波数。当z_R-z_S＝0时式中的最后一项干涉项的值会到达峰值，而当z_R-z_S＞l_C时接收的光束总功率会迅速下降。

在一般的TDOCT系统中，参考臂移动的距离等于总探测深度z_probing(即这里的总存储介质的厚度)。在总扫描时间T内，系统只花费一个的时间段收集从一个界面(在这里是一个立体数据存储层)的干涉信号。通过计算在时间T内收集到的干涉信号的光子数N_Signal和噪声光子数N_Noise(噪声光子数由光电探测器在时间T内收集的总光子的平方根给出，这是因为参考光束的功率在所有被接收到的信号功率中占压倒性的地位)，Z.Yaqoob等人给出所接收信号的噪声比(SNR)为

$\mathrm{SNR}=10\log {\left(\frac{N_{\mathrm{Signal}}}{N_{\mathrm{Noise}}}\right)}^2=10\log \left[4P_S\frac{l_C\mathrm{T\ϵ}}{z_{\mathrm{probing}}\mathrm{hv}}\right].---\left(14\right)$

式中ε是光电探测器的量子效率，hv是光量子能量，信噪比的单位是分贝。

每个探测光束都是锥形光束，在大多数情况下，检测光束会通过许多存储层，并在前往所期望的存储单元并随后从其返回的路径中会在每一个数据存储层内遇到众多的光栅，从而导致层间干扰光噪声并造成检测光功率的衰减。造成干扰的噪声光子和感兴趣的信号光子的传播方向是不同的，并且会经过不同的传播距离而到达光探测器，所以大部分的噪声光子将被相干选通和共焦成像而阻挡掉。由于检测光束会遇到的存储层数目和在每一层中遇到的光栅数目都很大，所以检测光束在每一存储层中遭遇相共振光栅的机会以及造成的功率衰减可以根据平均概率的方法来计算。首先为了简化分析，假定对于每一个检测光束，在每一个存储单元都有一个与其波长相共振的光栅。因为光栅的最大反射率为20％，故可设所遭遇光栅的平均反射率是10％。光栅的横截面是圆形的，所以在一个面积为σS的区域里一个光栅所占的最大面积σS_g是其中r是光栅的横截面半径。此外，因为总是有两个偏振正交的探测光束具有相同的波长，故探测光束在每一个存储单元内遭遇偏振匹配且波长相同的光栅的平均几率是50％。

除了焦点附近的几个存储层，探测光束都是倾斜入射到所遭遇的光栅上，倾斜入射会降低光栅的反射率。从光衍射的观点来看，光束被一个圆柱形立体光栅反射可以看作是光束穿过一个同直径的的圆形孔而被衍射。因为是夫琅和费衍射，圆形孔的衍射强度I_θ′α′是(A.S.Marathay，inHandbookofOptics，M.Bass，E.W.V.Stryland，D.R.WilliamsandW.L.Wolfe，Eds.，McGraw-Hill，NewYork，Vol.I，3.22-3.24，1995)

$I_{{\mathrm{\θ}}^{\text{'}}{\mathrm{\α}}^{\text{'}}}=I_0{\left(\frac{\sin \mathrm{\ψ}}{\mathrm{\ψ}}\right)}^2---\left(15\right)$

而

$\mathrm{\ψ}=\frac{\mathrm{\πdn\ρ}}{\mathrm{\λ}},---\left(16\right)$

式中I₀是圆孔在轴线方向的光强度，n是介质折射率，λ是光束波长。而p＝sinθ′和q＝sinα′是从圆孔中心到观测点的方向矢量的方向正弦值。当高斯光束被透镜会聚时，光束的发散角θ′是(W.T.Silfvast，inHandbookofOptics，M.Bass，E.W.V.Stryland，D.R.WilliamsandW.L.Wolfe，Eds.，McGraw-Hill，NewYork，Vol.I，11.23-11.24.1995)

${\mathrm{\θ}}^{\text{'}}=\frac{4\mathrm{\λ}}{\mathrm{n\πd}},---\left(17\right)$

式中d是光束最小束腰的直径。当λ＝460纳米，n＝1.7和d＝1.174微米时，θ′＝16.8°。选θ′和-α′为16°、13°、10°、12°、4°和1°，I_θ′α′分别等于0.024I₀、0.046I₀、0.004I₀、0.092I₀、0.525I₀和0.963I₀。这意味着一个圆柱形立体光栅的反射率会随反射角度的增大而降低。对于一个8微米长和1.174微米粗的光栅，当反射角度大于7°时，反射率将降低到其最大值的十分之一以下。从立体角公式Ω＝2π(1-cosθ′)，我们有Ω(θ′＝16.8°)＝0.268和Ω(θ′＝7°)＝0.046。这意味着检测光束在大多数存储层内遭遇到相共振的光栅时，这些相共振光栅中80％以上的光栅的反射率是其法向反射率的10％以下。因此，即使假设在立体角Ω(θ′＝7°)内的所有光栅的反射率都不会下降，而那些在立体角Ω(θ′＝7°)之外的所有光栅的反射率是其最大反射率的10％，在大多数的存储层内最大的倾斜入射影响因子也是小于0.2+0.8×0.1＝0.28。因此，平均来说，每一存储层导致的最大平均功率衰减率是最后，假设被探测的光栅位于光盘的最底部并具有平均的反射率0.1，因此，当检测光束在穿过244层数据存储层后(先是前往然后是返回)而从干涉仪出射时，其剩余的光功率百分比是0.1×(1-0.011)²⁴⁴＝0.67％。

这里所述的光探测系统与一般的TDOCT系统有所不同。在每一个短小时间T内，参考臂不移动，系统只探测(扫描)一个存储层，也就是z_probing＝ΔH_E。如果选取初始探测光功率为100毫瓦(由于阅读光束是连续波，100毫瓦也是峰值功率，因而它不会引起介质双折射的变化)，从光盘最底部的数据层所反射回来的信号功率P_S是0.67毫瓦。光电探测器的量子效率通常是从60％到90％，因此ε可选为75％。然后，通过选l_C≌ΔH_E，T＝10纳秒和λ₀＝460纳米时，可用式(14)来计算从位于光盘最底部的光栅(其共振波长是460纳米)所反射回来的光信号的信号噪声比。计算所得的信号噪声比是76.68分贝，其意味着所接收到的信号光子与噪声光子之比(振幅)为6.82×10³。换句话说，本发明系统的信噪比值可使其能探测到一个仅反射检测光功率的一千万分之一的光栅。这样的信噪比是大大高于识别10个光强度级的需要的。此外，如果考虑到噪声光子还被共焦针孔阵列通过共焦显微成像再次过滤，则实际的信噪比应比所计算的还要高。偏振探测是光强度差探测，由于具有相同波长的两个偏振正交的检测光束被同一个光栅所反射，并行经相同的路径，所以在他们的行经路径中由于各种原因造成的光强衰减几乎相同，因此这两个偏振正交光束之间的强度差异将几乎只由反射光栅的偏振取向所造成，这使得偏振方向探测比光强度探测具有更好的准确性和分辨率。此外，偏振探测与光强度探测是相互独立的，因为每一个返回的探测光束在偏振和强度测量之前已被分成两个相互独立的部分。

因为存储介质的光谱吸收响应一般是不均匀的，所产生的光栅的反射率R将随波长的变化而漂移，也即R将成为波长λ的函数R(λ)，并且很可能不同光盘的R(λ)也不同。这个问题可以通过在每一个光盘中建立一个“光谱响应参考”存储单元，并用它来计算R(λ)而解决。这种“光谱响应参考”存储单元是用一个特殊的光束组来产生，该光束组具有书写光束的所有波长，且组中的所有光束具有相同的特定偏振方向和相同的可被允许的最高光强度(不能损坏存储介质)。然后阅读该“光谱响应参考”存储单元并测量从该存储单元反射的光束的强度和波长。将所接收到的具有最高反射光强度的光束的反射率看作是100％的反射率且不论它实际的反射率值是多少，然后每个其它不同波长的光束的反射率可以通过比较它的反射光强度与所说的最高反射光强度的比值而确定。这样，可以得到一个反射率随波长变化的光谱响应曲线。然后，对同一个光盘中从其他存储单元反射的光束强度便可以使用这个光谱响应曲线而根据其对应的波长来校正，从而消除光盘存储介质的光谱响应不均匀的影响。

另因为各种原因，诸如不同存储层处的光功率衰减差异和光盘表面的污渍等，由相同的书写光强度在不同的存储单元中所产生的光栅的反射率可能不同。如果这些反射率差异较大，它们将引起阅读错误。这个问题可以通过在每一个存储单元中建立一个特殊的“参考”光栅来解决。这个“参考”光栅是用一个特定的书写光束来产生，该光束具有一个特别的波长，一个特定的偏振方向和一个可被允许的最高光强度。当检测光束组从每一个存储单元反射而被接收时，具有所说的特别波长和特定偏振方向的光束的强度总被认为是最高光强度“1”且不论它的实际值是多少。因为来自同一个存储单元的每一个其他的反射光束的强度都只能等于或低于该最高强度，并与它对比时会具有一特定的比率，该比率可被视为每一个其他被接收到的光束的强度值。每一个存储单元的尺寸都很小，所以任何外部的影响对两个在同一个存储单元中的光栅造成的反射率的变化在大多数情况下应是相同的。

上述的本发明实施例可以依据现有公知的光学技术知识而作进一步的变换或改进。例如，再将另一个或多于一个的物理维度与上述的六个维度相结合而构成一个更高维的存储系统。比如加上一个合适的光子角动量维度(N.Bozinovic，Y.Yue，Y.Ren，M.Tur，P.Kristensen，etal，“Terabit-sealeorbitalangularmomentummodedivisionmultiplexinginfibers，”ScienceVol.340，pp.1545-1548，2013)而建立一个七维光学存储系统。通过一个与表A所示类似的对七维存储系统可能的组合状态数目的推算，可以粗略地对这样一个七维存储系统的存储单元的容量进行计算。假设有N_A个具有不同光子角动量的光束组，每一个光束组具有N_W个具有不同波长和相同的光子角动量的光束，并且每个光束具有N_P可能的偏振方向和N_I可能的光强度。由这N_A个光束组可能组成的组合状态数是而该组合状态数决定了系统的每一个存储单元的存储容量。如果仍然选择其对应的单光子吸收范围是从400纳米至200纳米的介质，而且仍然选取存储单元的长度D＝5微米，当介质的折射率n＝1.7或n＝1.9时，每个DVD尺寸的光盘的存储容量在N_A＝2、N_I＝5和N_P＝9时是608.3或754.4兆兆字节，在N_A＝2、N_I＝10和N_P＝16时是811.0或1006兆兆字节。当光盘的容量是811.0兆兆字节时，阅读速度将超过每秒198千兆比特。

另一个明显和有效的改进系统性能的途径是将上面所提到的超分辨率书写与所描述的六维甚至七维存储技术相结合。超分辨率的书写是把两个光束的焦深区安置成平行、同心并重叠，一个光束是高斯光束，另一个光束的焦深区横截面形状为环形，且其中心的光强度为零。通过这两光束与存储介质的协同相互作用，高斯光束焦深区的有效直径将缩减到远小于衍射极限的尺度。因此(举例来说)，如果存储单元的直径可减小到它的衍射极限尺度的三分之一，且同时保持存储单元的长度不变，光盘的存储密度就会增加约十倍。因此，每个六维或甚止七维的存储系统的DVD尺寸的光盘的存储容量将增加到3千兆兆字节至10千兆兆字节，并提供更快的数据传输速度。

Claims (10)

1.一种光学六维多层的数据存储方法，该方法包括：

使用多个具有不同波长的线性偏振光束在每一个短小时间内在介质中产生由多个驻波重叠而成的驻波组，所说的多个线性偏振光束的波长、强度和偏振方向是按照一个彩色亮度和偏振方向编码的规则在每一个短小时间内与一个数据组相对应；

并通过双光子吸收在介质中的每一个小立体体积内生成由多个反射光栅所组成的存储单元；

然后使用多个线性偏振光束或多个非偏振光束照明所需的存储单元而产生具有与该存储单元中各光栅相共振的波长、相对应的强度和相匹配的偏振方向的反射光束组；

可以分别地利用光学相干断层扫描或共焦显微成像，或同时地利用光学相干断层扫描和共焦显微成像接收从所需的存储单元反射回来的光束组；

最后通过一个彩色亮度和偏振方向解码的程序而将接收到的反射光束组的波长、强度和偏振方向的组合状态解码回原来的数据组。

2.根据权利要求1所述的光学六维多层的数据存储方法，其特征在于：所说的在介质中产生由多个驻波重叠而成的驻波组是在光盘下放置一个反射镜，使从光盘中出射的光束被垂直地反射回光盘，这些返回的光束将与后续入射的光束相互干涉而形成驻波。

3.根据权利要求1所述的光学六维多层的数据存储方法，其特征在于：所说的通过双光子吸收在介质中生成存储单元是所选择的存储介质是能通过双光子吸收而引起介质折射率变化和偏振性质变化的材料，并且介质折射率和偏振性质的变化依赖于照射光束的功率，这种材料包括光聚合物。

4.根据权利要求1所述的光学六维多层的数据存储方法，其特征在于：所说的多个线性偏振光束可具有不同的光子角动量，并且所说的介质是对不同的光子角动量敏感的。

5.根据权利要求1所述的光学六维多层的数据存储方法，其特征在于：所说的光栅的直径可以使用两个光束共轴重叠去减小，一个光束是高斯光束，另一个光束的焦深区横截面形状为环形，且其中心的光强度为零。

6.一种实施根据权利要求1所说的光学六维多层存储数据的方法的装置，该装置包括：

一层或多层的双光子吸收光致折射和偏振敏感的存储介质，存储介质内含有多层由同心圆形或螺旋形数据轨迹而组成的数据层；

可发射多个具有不同波长的线性偏振光束或多个具有不同波长的线性偏振和非偏振光束的激光器阵列或激光器阵列和超发光二极管阵列；

所说的多个线性偏振光束或多个线性偏振和非偏振光束被引导成为平行、同轴和会聚的并具有最小焦深区直径的光束组用于数据的书写、阅读和擦除；

一个用于在每一个短小期间内对所说的多个线性偏振光束的波长、强度和偏振方向进行所说的编码的电子处理器；

测量从所需的存储单元反射回来的光束的波长、强度和偏振方向的光电探测器阵列；

以及一个在每一个短小期间内对所说的反射回来的光束组的波长、强度和偏振方向的组合状态进行解码以重建每一个数据组的电子处理器；

一个光学自动定位机构，其使所说的多个线性偏振光束或者所说的多个线性偏振和非偏振光束的焦深区保持在存储介质中所需的数据层中；

一个光学自动追迹机构，其使所说的多个线性偏振光束或者所说的多个线性偏振和非偏振光束的焦深区光斑中心保持在所说的同心圆形或螺旋形轨迹内；

一个选择性地接收从所需的存储单元反射回来的光束组的光学机构；

以及也可以含有一个使本发明的装置与CD和DVD光盘相兼容的光学机构。

7.根据权利要求6所说的光学六维多层存储装置，其特征在于所说的1层或多层的存储介质是在一个可转动的圆形光盘内，该光盘包括一透明基片层，一个或多个光存储介质层，一个窄带反射层和两个透明的覆盖层。

8.根据权利要求6所说的光学六维多层存储装置，其特征在于所说的多个具有不同波长的线性偏振光束或多个具有不同波长的线性偏振和非偏振光束是从多波长或频率可调谐激光器中输出。

9.根据权利要求6所说的光学六维多层存储装置，其特征在于所说的一个选择性地接收从所需的存储单元反射回来的光束组的光学机构是迈克尔逊干涉仪结构或共焦显微镜结构或迈克尔逊干涉仪和共焦显微镜结合的结构；迈克尔逊干涉仪结构是由一个检测光栅构成的样品臂，一个共享的可移动反射镜构成的参考臂和一个共享的对所有阅读光束的反射率都是50％的分束器所组成；共焦显微镜结构是由被检测的光栅和位于和该光栅相对应的共焦成像位置处的针孔和光探测器所组成。

10.根据权利要求6所说的光学六维多层存储装置，其特征在于所说的与CD和DVD光盘相兼容的光学机构是利用所说的光学自动定位和自动追迹机构中使用的校准光束作为CD或DVD光盘的书写/擦除和阅读光束。