光子学及光信息存储研究进展

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光致变色前后的状态 ! 和 # 通过分子和材料的设计， 可以实现不同时间刻度的双稳态 $ 从信息存储的角度 来看， 合适能量的光子作用到 ! 上使其变为 # 即可完成存储过程， 在另一种能量的光子或热的作用下所记录 的信息可以被擦除 $ 由此可见， 光致变色材料非常适合于可擦重写型光存储 $ （#） 光子烧孔存储 ! 将光反应性分子以单分子形式分散在介质中， 在低温环境中通过激光诱导可发生具 有位置选择性的光化学反应， 引起在非均匀加宽吸收光谱上有选择性地产生一个光谱孔 （凹陷） ， 实现信息记 因为在二维存储中增加一个频率维度， 即在一个微元处通过调谐激光频率可 录 ! 这是一种高密度存储方式， 在非均匀增宽谱线上烧出多个孔， 从而提高了光存储的密度 ! （$） 光折变存储 ! 无机光折变效应自 %& 年代发现以来有了长足的发展， 许多无机光折变材料已商品化， 却发展非常迅速， 是目前国际上研究的 并已应用于多种领域 ! 有机光折变材料的研究仅仅开始于 ’((& 年， 热门课题 ! 有机光折变材料的潜在应用非常广泛， 包括高密度光信息数据存储， 多种影像加工以及神经网络 和联想存储器的模拟等 ! 光折变效应的产生是基于介质的光物理和光化学过程 ! 强度空间调制的光束使介 质某处的电荷激发和再分布， 电荷的再分布产生一个内部空间电荷电场， 在该电场的作用下， 介质的折射率 发生改变， 结果产生一种相位光栅效应， 达到光信息存储的目的 ! （)） 热光存储 ! 其原理是利用激光束来破坏局部液晶分子取向， 并使之冻结在玻璃态中， 以达到存储信 息的目的， 即利用激光的热效应使记录介质在晶态和玻璃态之间发生可逆变化 ! 所存储的信息可通过电场 或升温方法来擦除 ! （%） 四波混频存储 ! 四波混频是在介质中有四个光波相互作用所引起的非线性光学过程 ! 一般而言， 它 来源于介质的三阶非线性极化 ! 在简并的情况下 （即相互作用的四个光波频率相同） ， 四波混频信号光是其 中一入射光波的相位共轭光波， 这非常实用于自适应光学中的波前再现 ! 通过四波混频可在介质中产生实 时和永久性光栅， 实现信息的光存储 ! （*） 全息存储 ! 全息存储是利用干涉记录， 衍射再现的原理来实现信息的存储和再现， 记录的全息图本 身就是一个光栅 ! 这种存储方法尤其适合于图象的存储和记录， 不仅可记录存储图象的振幅信息， 而且记录 了存储图象相位信息 ! 再现的存储图象具有明显的三维特性 ! 全息存储作为一种高密度存储方式已被人们 研究多年， 并在许多领域得到了广泛地应用 ! 其潜在的存储密度理论上可达 ’ &’" + ’ &’# ,-./ 0 12# ! 全息存储 的早期工作多集中于无机材料 （如卤化银胶体等） 因此就限制了 ! 其最大的困难在于必须湿法显影和放大， 它的推广和应用 ! 3& 年代有机全息材料的发现为全息存储的应用带来了广阔的前景 ! （3） 光电存储 ! 这是一种光电协同作用的存储技术 ! 写入过程是利用扫描隧道显微镜 （ 41566-67 8966:;-67 探针对介质施加局部电场， 同时大范围照光， 在光电同时作用的区域光生载流子在运动过 <-1=>/1>?@，48<） 程中被材料的深能级俘获， 介质内部发生永久性极化 ! 这就是信息的存储过程 ! 读出过程是在光照情况下， 依靠 48< 探针在短路或反偏压下扫描， 在已记录的区域将出现放电现象， 表现为短路电流 ! 由于记录斑点的 大小是由 48< 探针施加电场的面积大小决定， 这种光电存储技术的最高存储密度可达 3 A ’&’& ,-./ 0 12" ! B C D5=E 等人用液晶卟琳作为存储介质对这种光电存储技术进行了详细的研究 ! 由于样品内部存在深能级捕获 位， 载流子可被这些深陷井位长时间的捕获， 捕获后的载流子在样品内形成内电场， 使介质产生极化现象， 只 有在光照条件下才能发生放电和中和 ! 电荷的捕获和中和过程则对应于信息的存储和擦除过程 ! （(） 光致分子取向存储 ! 利用偶氮类介质的光敏特性， 在偏振光作用下使偶氮生色团重新取向可实现光 它作为一种新型光信息存储介质， 具有超高存储密度和非破坏 信息的存储 ! 偶氮化合物是一类重要的染料，
第 &’ 卷 第 ’ 期 %++’ 年 & 月
河南大学学报 （自然科学版） （15@9E5H VBA=6B=） T?9E65H ?G P=656 U6AK=E8A@I
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光子学及光信息存储研究进展
王长顺
（河南大学 物理系， 河南， 开封） 摘 要：扼要介绍了光子学与光子技术的发展、 光信息存储原理及不同类型光信息存储的物理机制； 同时对近年来
含偶氮类聚合物及聚合物液晶材料的光信息存储研究进行了综述 ! 关键词：光子学； 偶氮苯聚合物； 光信息存储 中图分类号："#$% ! &’； "(&) 文献标识码：* 文章编号：’++&,(-$) （%++’） +’,+++’,+#
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光子学与光子技术简介
光子学的悄然崛起在国内外引起了广泛地关注 ! 光子学的正式诞生应追溯到 ’-.+ 年世界上第一台激
光器的发明 ! 光子学 （ >4?@?6AB8） 这个概念是由荷兰科学家在 ’-$+ 年第九届国际高速摄影会议上首次提出 的 ! 光子学是一门与电子学平行的学科， 它是研究作为信息和能量载体的光子的行为及其应用的科学 ! 在 理论上， 它主要研究光子的量子特性及其在与物质 （包括分子、 原子、 电子及光子自身） 的相互作用中出现的 各类效应及规律等； 在应用方面， 主要研究光子的产生、 运动、 传输以及控制和探测方法等 ! 实际上， 光子学 是一个具有极强应用背景的学科， 因而形成了一系列的光子技术， 诸如光子发生技术 （激光技术） 、 光子传输 技术、 光子调制与开关技术、 光子存储技术、 光子探测技术、 光子显示技术等等 ! 光子技术的基础是光子学 ! 光子技术作为信息科学的支柱之一将与电子技术相互渗透、 补充， 并发挥越来越重要的作用 ! 光子学的崛起 之所以倍受人们的关注， 其主要原因在于， 光子学与光子技术、 电子学与电子技术虽同为信息科学的两大基 础技术， 但前者已越来越显示出极大的优越性 ! 光子技术在信息的传输、 存储、 显示等领域具有巨大的发展 主要表现在： 潜力 ! 光子与电子相比具有许多优越的特性， （’） 光子具有极高的信息容量和效率 ! 作为信息载体， 光子与电子相比信息容量大几个量级 ! 例如， 一 而电子技术中微波的频率仅为 ’+’+ PM 量级， 即光子可承载信息的容量起码比 般可见光的频率为 # O ’+’( PM， 电子高出 & Q ( 个量级； 光子还可在光纤中能够直接传播 ’++ RJ 以上 ! 人们把一个载子可承载的信息量称为 信息效率 ! 如果考虑到光子的数字编码与光子的统计特性等， 光子的信息效率远远高出电子 ! 例如， 在光子 学中如果使用所谓光的压缩态、 光子数态等作为光子源， 则量子噪声有可能减小到极小值， 光子的信息效率 自然也将成量级地提高 !
收稿日期：%+++,+&,%$ 基金项目：河南省杰出青年基金资助项目 作者简介：王长顺 （’-.# / ） ， 男， 河南武陟人， 博士， 河南大学教授 ! 万方数据
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河南大学学报 （自然科学版） ， 第 2% 卷第 % 期 !&&% 年，
（!） 光子具有极快的响应能力 " 信息载体的响应能力是决定信息速率与容量的主要因素 " 在电子技术 （%& ’ ( $） 量级， 因此在电子通信中信息速率被限定在 )* + （ 量级 " 对于 中， 电子脉冲宽度最窄在 #$ $ %&( *,-$ + $） 光子技术来说， 由于光子是玻色子， 没有电荷， 而且能在自由空间传播， 因此， 光子脉冲很容易做到脉宽为 .$ （%& ’ %! $） 量级 " 实际上， 现在实验室的光子脉冲宽度已达到小于 %& /$ （%& ’ %0 $） 量级 " 而且， 近两年有望实现 ! ， 即相当一个光学周期的宽度 因此使用光子为信息载体， 信息速度达到 ， " %&& )* + $ 甚至 %& 3* + （ $ %&%! 1 2 /$ 是可能的 " 如果使用具有巨大带宽的光纤作信息的传输媒质， 就能够以如此高的速率， 通过光纤将信 *,-$ + $） 息传输到几千公里或更远的距离 " 这样， 获得信息比特率与传输距离之积是非常可观的 " 显然， 这对于电子 技术绝对是望尘莫及的 " （2） 光子具有极强的互连能力与并行能力 " 如上所述， 电子有电荷， 因此电子与电子之间存在库仑作用 力， 这就使得它们彼此间无法交连 " 例如， 在电子技术中， 两根导线如果交连， 就会形成短路 " 在电路中为了 实现互连， 就只能像搭 “立交桥” 那样， 将其运行路线彼此隔离， 显然这就使互连受限， 成为限制电子信息速率 与容量的一个重要因素 " 另外， 在电子技术中， 电子信号也只能是串行提取、 传输和处理的 " 对于两维以上 的信号， 如图象信号等， 则只能依靠扫描一类的手段将其转换为一维串行信号来处理 " 这是另一个限制电子 信息速率和容量的主要因素 " 对于光子来说， 在这些方面恰恰显示出特有的优势 " 光子无电荷， 彼此间不存 在排斥和吸引力， 具有良好的空间相容性等 " 这些似乎都是光子的 “天赐秉性” 光子具有极强的互连 " 因此， 能力与并行能力， 可极大提高计算机等信号的运算速率 " （4） 光子具有极大的存储能力 " 不同于电子存储， 光子除能进行一维、 二维存储外， 还能完成三维存储 " 因此光子具有极大存储能力 " 一个存储器的容量极限是由单位信息 （ *,-） 所需最小存储介质体积决定的 " 对