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1、l 6 实 验 科 学 与 技 术 2 0 0 7年8月 三维光数据存储的分析与计算 袁桃利”，王 秀峰，黄轲琴(1 陕西科技大学电气与信息工程学院，西安7 1 0 0 2 1；2 电子科技大学物理电子学院，成都6 1 0 0 5 4)摘要：三维多层光折射数字存储是一种新型的高密存储技术，对于克服 目前的光存储 系统的容量限制具有很大的潜力。文 章用埃瓦得球结构分析了此种存储方法的横向与纵向带宽，从而在空域内计算了存储的密度。存储容量可以达到 1 T b c m ，用于光通信系统中是可行的；根据该存储 系统在更深层聚焦时产生的球差，提出了一种全息校正装置。关键词：高密存储技 术；埃 瓦得球结构
2、；球 差校正 中图分类号：T N 9 1 1 7 4；0 4 3 9 文献标识码：A 文章 编号：1 6 7 2-4 5 5 0(2 0 0 7)0 4-0 0 1 6一 o 4 Re s e a r c h a n d Ca l c u l a t i o n o f Th r e e d i me n s i o n a l M ult i a y e r e d Da t a Op t i c a l M e mo r y i n Op t i c a l Co mm u n i c a t i o n S y s t e m YUAN Ta o 1 i，WANG Xi u f e n
3、g ，HUANG Ke q i n (1 C o l l e g e o f E l e c t r i c a n d E l ectr o n i c E n g i n e e ri n g。S h a a n x i U n i v e r s i t y of S c i e n c e a n d T ech n o l o g y，X i a n 7 1 0 0 2 1，C h i n a；2 Sch o o l o f P h y s i c a l E l ectr o n i c s，U n i v e rsi ty o f E l ect r o n i c Sci e
4、n c e&T ech n o l o g y o f C h i n a，C h e n g d u 6 1 0 0 5 4，C h i n a)Ab s t r a c t：T h r e ed i me n s i o n a l mu l t i a y e r e d d a t a o p t i c al me mo r y i s a n e w k i n d o f h iis h d e n s i t y s t o r a g e t e c h n o l o g y I t h a s t h e p o t e n t i al t o o v e r c o
5、me t h e r e c o r d i n g d e n s i t y l i mi t a t i o n s i n c u r r e n t o p t i c a l s t o r a g e s y s t e mU s i n g Ew ald s p h e re c o n s t r u c t i o n，t h i s p a p e r a n aly z e s t h e t r a n s v e r s e and l o g n i t u d i n al b and w i d t h s，o n l y t o g e t 1 T b c
6、m o f d e n s i tyS o，i t i s p o s s i b l e t o u s e t h i s i n o p t i c al c o mmu n i c a t i o n s y s t e m A t t h e s a me t i me，t h e p a p e r d i s c u s s e s t h e v o l u me h o l o g r a p h i c c o r r e c t i o n d e v i c e o f t h e s p h e r i c al a b e r r a t i o n，w h i c
7、 h i s g e n e r a t e d w h e n t h e l as e r b e a m i s f o c u s e d i n t o d e e p l a y e rs i n t h e me d i u m Ke y wo r d s：h i g h d e n s i t y s t o r age t ech n o l o gy；e w ald s p h e re c o nst r a c t i o n；a b e rra t i o n c o rrect i o n 1 引 言 随着信息时代发展的需要，信息存储变得愈来 愈重要。加上光通信技术
8、及航天遥感技术的迅速发 展，相应的数据规模呈几何级数增长。遥感数据 日 益庞大，有限的信息容量与传输大量遥感数据的需 求之间的矛盾日 益突出，给数据的传输和存储带来 了极大的困难，因此需要更大容量和更高数据传输 速率的大容量数据存储系统来完成遥感数据的实时 可靠存储。但传统的光存储技术因受激光衍射光斑 极限的限制(微米数量级)，存储密度是十分有 限 的，而且其信息传输速率较低。迫切需要一种新型 高密存储技术能兼顾各种优点，能改善信号处理和 提高信息的存储密度。鉴于此，本文提出了将三维多层光数字存 储 应用到光通信系统中，并用埃瓦得球结构对 存储密度进行了分析；同时，对系统中出现的球差 进行了校
9、正。测 器 图 1 三维多层光折射数字存储基本原理 2 三维多层光数字存储基本原理 三维多层光数字存储 的基本原理如 图 1 所示。三维多层光数字存储是数字记录(按位存取)，数 据随时写入和读出，且可以在任何位、任意时间擦 除；三维数字存储用一个很高的数值孔径透镜，比 全息存储能提供更高的存储密度。在一个大 的视 场，仅仅去观测一个单独的点，并且不需要为参考 光束留空间。三维多层数字存储有如下4个优点：，收稿 日期：2 0 0 7 0 51 0 ，作者简介：袁桃利(1 9 7 9一)，女，讲师，研究方向：平板显示技术及器件。维普资讯 http:/ 第 5卷第 4期 E x p e r i m
10、e n t S c i e n c e&T e c h n o l o g y 。1 7 (1)远程访问、远程数据控制；(2)容易的伺服 控制和跟踪；(3)较高的位率；(4)可以与双光 子技术结合起来应用。这些优点使得它可以应用到 许多领域。在三维多层光数字存储系统中，一束激光聚焦 在特殊 的光记录材料里 面，由于聚焦 点极高的光 强，将诱发不同类型的物理化学变化，进而使得三 维存储介质的某些光学性质也随之改变(折射率发 生变化)3 。这些改变将在一定时间内被保留，通 过 以上过程，从而将数字信息存储在三维存储介质 的不同位置。3 三维光数字存储密度的分析 3 1 三维空间频率带宽的计算 一个
11、克服存储极限的方法是在三维上记录 比特 信息，因此整个记录介质的体积都被利用了。比特 记录密度由聚焦光斑 的尺寸决定，而聚焦光斑的尺 寸又由聚焦物镜的传播带宽决定。，一 L 透 -的 J 一 k =垒 出、瞳 一 仃 r A ，1叮 ，n、(a)聚焦物镜传输的带宽(1 一 s i n 0 o)(b)记录信号光束的方位 图2 用埃瓦得球结构分析位比特记录的空间带宽 本文利用埃瓦得球结构分析了多层光折射数字 存储的记录密度。用这种方法，我们可以方便地分 析传播的横向和纵向带宽。如图 2(a)所示，图中用 埃瓦得球结构代表 的 空间域(图中的阴影部分)为聚焦物镜的传播带 宽 4 ，波数 k=2 叮
12、T A，A是激光的波长，横向带宽 由光栅矢量 k给出，而光栅矢量 k代表 由波矢 k 和波矢 k 决定 的物镜 出瞳 所限制 的最 大角度 2 ，图2(b)所示。其横向带宽为：=4_ ffs i n O o (1)又由于聚焦物镜的视场角 与其焦距厂有如 下关系：s i n O o=1 2 f (2)将式(2)代人式(1)，即得出：=s i n O o=2 ,-ff (3)纵向带宽 通过波矢 k 与 k。形成的光栅波矢 k 的轴向分量给出，由图2(a)可以看出此值也是最 大值。即有=T2 ff(1一 c o s O0)(4)连立式(2)与式(4)：=(-一 )(5)从图 2(a)和方程(3)、方
13、程(5)，可以看 出随 着焦距降低或 的增加(数值孔径的增加)，横向 带宽与纵 向带宽也随之增加。换句话说，就是随着 焦距的减小，聚焦点的尺寸在横方向与纵方向的带 宽都降低 了。3 2 记录密度的数值分析 在比特记录里，一束聚焦的激光在三维体积的 记录介质中形成一个比特数，此聚焦光束斑点的横 向和轴向的强度分别为 J (r，=0)和 J (r：0，)。其中 ，。1 l 了 j，(r=)=o 】2 1 T l (7)一【J 式中，为聚焦物镜的焦距；I o为光束在 r=z=0 处的强度。且(r，)为极坐标，聚焦透镜 的焦平 面 与 轴相交在 r=0和=0，中心光斑半径 r 通过 令方程(6)等于零
14、求出，即：，。f：。l 了 J 记录介质 维普资讯 http:/ l 8 实 验 科 学 与 技 术 2 0 0 7年 8月 司以求 出：r：38 33 A f (9)我们由中心光斑尺寸面积的反比来定义横向记录密 度，即：=(1 0)沿着光学轴从强度最大点(=0)到第一个零点 处光斑的纵向值 的半高度宽 可 以通过令(7)式 等于零求 出，即：=)=I o 】=o 式中 可以求出：纵向记录密度为：=2A r(1 A A z=8 A f。(1 1)D；1 1 (1 2)三维记录密度通过横向记录密度与纵向记录密度的 乘积给出，即：D D B B：(1 3)j 由式(1 3)可以看出：三维记录的密度
15、与记录波 长的3 次方成反比，与聚焦物镜焦距的4次方成反 比。也就是说，三维记录密度与记录波长的 3 次方 成反比，与聚焦透镜的数值孔径的4次方成正比。当波长为时6 5 0 n m，记录密度与聚焦物镜焦距 的函数关系如图3 所示。可以看出存储密度随着聚 焦物镜焦距的减小而增加。当激光的波长为 6 5 0 n m，焦距为0 6(物镜的数值孔径为0 8 5)时，记录 密度为 1 9 T b e m 。4 像差校正方案 在光存储系统中，球差与记录介质的厚度有密 切的关系，所以在三维多层数字光存储系统中将不 可避免地会出现球差 。为了解决三维多层数字 光存储系统中的球差问题，本文提出了一种体全息 球差
16、校正装置，如图 4所示。体全息是通过两束相干光的干涉和在某个特定 的角度具有强的衍射来记录信息的。理论上，通过 我们控制波前信号和参考光束来重构各种波前形 状，我们也将能从记录介质的表面得到寻迹信号。通过用体全息图装置，我们可以同时访问轴方向的 信号并把它们分离开。其原理就是利用全息图具有 f g?0 帮 候 物镜焦距f l n m 图3 记录密度与物镜焦距的函数关系 图 4 球差的体全息校正装置 的高的角选择性和波前转换的特性。具体分析如 下。用一个位于数字信息层 A上的点源和一个平 面参考光柬来记录体全息图。在数字信息层 A上 的点源通过位于存储介质下面厚度为 d 的点源所 产生的光，或者
17、在数字信息层 A上制作一个小的孔 径。来 自 于点源的光包括从点 A记录介质表面传 播过程中球差所产生的光，被记录在体全息图里。如果我们用传播到记录的参考光束的反方向的读出 光束来重建全息图。重构的波变成从点源 A产生的 记录光束的位相结合。因此，我们能够在层 A上无 球差地得到一个聚焦光点。根据光传播的互易性，在 A位置的反射光传播到参考光束的A的方向上。如果我们在层 A，B，C中记录相等的点源，此点源用 不同入射角的参考光束复合而成，来 自于每层的反 射光将会被全息图衍射并且聚焦与之相对应的点。由于体全息图具有高的角度选择性，根据参考光束 的方向，来 自于 A、B、C，点的光束被分别无串扰
18、 维普资讯 http:/ 第 5卷第 4期 E x p e ri m e n t S c i e n c eT e c h n o l o g y 1 9 地聚焦在层 A、B、c，即是说来 自于每层的反射 光将会被全息图衍射并且无串扰地汇聚到与之相对 应的点。此外，由体全息图具有的波前转换特性，可以校 正由于层的深度不同而引起的误差。5 结论 通过对三维多层光折射数字存储系统记录密度 的分析，知道当此系统的物镜有较大的数值孔径或 较小的焦距时，将会有很高的存储容量，从而可以用 在光通信系统中。参 考 文 献 1 S t ri c k l e r J H，We b b W W T h r e e
19、 d i me n s i o n a l o p t i c a l d a t a s t o r a g e i n r e f r a c t i v e me d i a b y t wo-p h o t o n p o i n t e x c i t a t i o n J O p t L e t t ，1 9 9 1，6(1 0)：1 7 8 01 7 8 2，2 G l e z e r E，Mi l o s a v l j e v i c M，H u a n g L，e t a 1 T h r e ed i _ me n s i o n a l o p t i c a l s
20、t o r a g e i n s i d e t r a n s p a r e n t m a t e ri a l J O p t l e t t 。1 9 9 6，2 1(2 4)：2 0 2 32 0 2 5，3 U e k i H，K a w a t a Y，K a w a t a S T h r e e d i m e n s i o n a l o p ti c a l b i t me mo r y r e c o r d i n g a n d r e a d i n g w i t h a p h o t o r e f r a c t i v e c r y s t a
21、 l：a ll a l y s i s a n d e x p e ri m e n t J A p p 1 O p t 1 9 9 6，3 5 (1 4)：2 4 5 72 4 6 5 4 M ar k A A，N e i l R J，k a i t i s，M J，e t a1 A c fi v e a b e r r a t i o n c o r r e c ti o n f o r t h e w r i t i n g o f t h ree d i me n s i o n a l o p t i c a l me m o r y d e v i c e s J A p p 1
22、O p t ，2 0 0 2，4 2(7)：1 3 7 4 1 3 7 9 5 D a y D，G u M E ff e c t s o f r e f r a c t i v e i n d e x m i s m a t c h o n t h r e e d i me n s i o n al o p t i c a l d a t a-s t o r a g e d e n s i t y i n a t w o。p h o t o n b l e a c h i n g p o l y m e r J A p p 1 O p t ，1 9 9 8，3 7 (2 6)：6 2 9 9
23、6 3 0 4 (上接第 3页)呼号“C C A 1 3 2 2”，走廊 口为“A”，预计走廊 口时间 为“0 3”，航空器类别为“C”和尾流等级“M”。点击“添加”，在左侧 的大文本框 内显示了该航空器 的 预计着陆时间为 1 5，参考速度 6 0 0 k m h(平均地 速)。不久第 2架航 空器 出现，呼号为 C X N 4 3 7 5，走廊口A，预达走廊口时间0 7，D类重型。对应输 入后点击“添加“。注意：D类航空器从走廊口 B 飞抵跑道所用时间为 9 mi n，因此 C X N 4 3 7 5的正常 着陆时间应该是 0 7+0 9=1 6 m i n，但 由于与前机 C C A 1
24、 3 2 2 的尾流间隔不满足要求，着陆时间被推 迟到 1 7 m i n，飞行速度也受到了限制。第 3 架航空 器为B 3 4 2 6，预计 1 8 到达走廊口A，B类中型。第 四架航空器为 C E S 5 3 2 9，预计 2 2 到达走廊口B，c 类 中型。图2 输入四架航空器后的计算结果 注意：c类航空器从走廊口B飞抵跑道所用时 间为 1 0 ra in。C E S 5 3 2 9的正常着陆时间应该是 2 2 +1 0=3 2 mi n，而前机 B 3 4 2 6的预计着 陆时间是 3 3，因此 C E S 5 3 2 9被安排到 B 3 4 2 6之前着陆。同 时，如图2 所示，B
25、3 4 2 6的预计着陆时间与参考速 度都要重新作出调整。7 进一步的研究 本文对 A T C自动化排序算法进行了初步研究，并通过程序进行了初步验证，表明其方法是合理的。但是由于条件限制，完整的自动化系统需要进一步 的研究。进一步的研究包括延误分配函数 的发展和 计算计划预达走廊口时间。当一条跑道的流量在一 段时间内达到较高的值时，不断累加的间隔限制将 会对着陆顺序靠后的航空器产生大量延误。在算法 的初始发展过程中，所有的延误不论大小都集中分 配在走廊口至跑道这一段空域内。当累积的延误超 过一定值时，A T C的效率很低。此外，每个航空器 在终端区内有几分钟的延误，累加之后将会制造过 量的管制
26、员工作负荷，并且产生了潜在的不安全因 素，威胁空中安全。这种情况称之为跑道容量超限，此时必须采取措施限制终端区内的航空器数量。参 考 文 献 1 D a v i s T J ，E r z b e r g e r H ，G r e e n S M ，a n d N e d e l l WDe s i g n a n d E v a l u a t i o n o f a n A i r T r a ff i c C o n t r o l F i n al A p p r o a c h S p a c i n g T o o l J J o u rnal of G u i d a n c e，C o n t r o l。a n d D y n a m i c s，J u l yA u g u s t，1 9 9 1，1 4(4)：8 4 8 8 5 4 2 徐杰，齐智敏 V i s u a l B a s i c 6 0程序设计 M 沈 阳：东北大学出版社，2 0 0 4 维普资讯 http:/