目前传到家里的网络，已经是可以达到100Mbps的高速线路了。因此在网络随身化时代，要达到此一速度可说是基本需求。所以对光储存媒体来说，100Mbps的传输速度，可说是最低的目标。而美、日、欧等国的科技决策单位已花相当多人力来研究调查未来尖端科技在信息社会的影响力，所获得的结论相当近似，即未来信息的传输、储存与显示朝向兆位（＞1 Terabit；1Tb＝1000Gbit）的超高速时代发展。

一般认为未来长距离通信与宽带因特网必然采用先进之光纤网络，其传输速度将超越兆位/秒（＞1000Gbps），而衔接性网络（Wide Area Network或WAN）和地域性网络（Local Area Network或LAN）的层次将分别提升至（＞100Gbps）和（10Gbps）的水平。因此许多高速光脉波的传输现象和光信号切换技术的研究必须不断提升方能配合此要求。所伴随产生的大量数据存取将要求每cm3记忆媒体储存1Terabit的数据，而访问速度必须超过1Gbps。至于数据存取科技︰包括多层储存薄膜、三维全像存储元件、近场储存和双光子记录技术，则被认为是最具潜力的未来数据存取科技。此外数据显示将持续朝高画质、高解析与平面化的显示组件方面发展。为达到此一要求，需要采用新技术和新材料，研究开发出新一代高密度、高速光储存技术和系统。

虽然世界上目前所进行的研究尚处于实验室阶段。许多理论问题、实验技术问题及工程问题还待深入研究。其研究发展方向如下︰

• ●利用光学非辐射场与光学超绕射极限分辨率的研究成果，进一步减小记录讯息之大小尺寸。因光束照射到物体表面时，无论透射或反射都会形成辐射传播波非辐射隐失波携带描述物体精细架构的高频讯息，沿物体表面传播。只要把这一部分讯息扑捉到，就可提升系统的分辨率；





• ●采用近场光学原理设计超分辨率的光学系统，使数值孔径超过1.0，相当于探测器进入介质的辐射场，从而能够得到超精细架构讯息，突破衍射极限，获得更高的分辨率，可使经典光学显微镜的分辨率提升两个数量级，面密度提升四个数量级；





• ●以光量子效应代替目前的光热效应实现数据的写入与读出，从原理上将储存密度提升到分子量级甚至原子量级，而且由于量子效应没有热学过程，其响应速度可达到10－12量级（ps），另外，由于记录介质的响应与其吸收的光子数有关，可以使记录模式从目前的“0、1”二值储存变成多值储存，使储存容量提升许多倍；





• ●三维多重体全像储存，利用某些光学晶体的光折变效应记录全像图形图像，包括二值的或有灰阶的图像讯息，由于全像图像对空间位置的敏感性，这种方法可以得到极高的储存容量，并基于光闸极空间相位的变化，体全像储存器还有可能进行选择性抹除及重写；





• ●利用当代物理学的其它成就，包括光子回波时域相干光子储存原理、光子俘获储存原理、共振荧光、超荧光和光学双稳态效应、光子诱发光致变色的光化学效应、双光子三维体相光致变色效应，以及借助许多新的工具和技术，诸如扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、光学集成电路技术及微光纤数组技术等，提升储存密度和构成多层、多重、多灰阶、高速、并行读写超高容量储存系统。





• 综观上述研究及因应储存技术的竞争能力来评估，未来超高容量（100GB～1000GB）可能之光储存技术主流发展可能有下列数种：

• (1)荧光多层光盘片（Fluorescent Multilayer Disc；FMD）：包括单光子或双光子记录；





• (2)全像光记录媒体（Holographic Data Storage）；





• (3)近场光学（near-field optic）：含近场光盘片super-REZN或近场光学头储存技术。

由于3D立体储存有其未来性，因此下文将针对荧光多层光盘片（FMD）深入探讨。

荧光记录媒体的兴起

在1989年由D. A. Pathenopoulos等人首度提出利用侦测有机光变色材料在不同状态受雷射激发的荧光放射强弱来作为光记录媒体，并以此克服了多层盘片结构中同频破坏性干涉的问题。荧光多层光盘片是1995年以色列学者Jacob Malkin博士，首先提出应用荧光材料的荧光效应，应用在多层光盘片上，将可使光盘的储存容量增大。此项技术使用荧光材料作为记录媒体，荧光材料被涂布在记录层上，当读取的雷射光照射在此层上时，利用荧光奈米分子受一特定波长之激发光源（1）照射后，荧光奈米分子会在一极短的时间内（10－12～10－9sec）放射出另一波长之荧光（2），此放射出的波长较入射雷射光波长往长波长位移（Red Shift），其本质上属非同调光（Incoherent Light），不会受其它Pit Mark和横向连接层（Transverse Adjacent Layers）的干扰。透过对荧光讯号强弱的侦测形成数字存取所需之0与1二阶讯号的光记录技术；荧光光盘片其信号质量虽随记录层数的增加仅成缓慢衰减，但仍可轻易的增加储存容量至数百GB，若读取光源使用更短波长的蓝紫光雷射应可使储存容量增加至Terabytes的等级。

荧光记录媒体基本原理

下文将介绍FMD的原理及方法，其内容主要包含荧光激发、双光子写录、系统机制及荧光多层光盘片之制作等项目主题。

所有FMD技术的关键即在于“如何建立及消除材料的荧光反应”及“如何使材料产生荧光讯号”，这二项要件成立后，才能开始设计制作读写系统的架构。首先，材料本身必须是一种光敏介质（Photosensitive Medium），至少具有二种化合物型态（Form A & Form B），使得该介质在受到特定波长的光源照射时，可由非荧光反应型态（non-fluorescent form）A转变为荧光反应型态（fluorescent form）B。此一写入过程，通常可直接由单光束－单光子吸收（one-beam one-photon absorption；λ＝400～440nm）达成，或者，亦可利用单光束双光子吸收（one-beam two-photon absorption；λ＝800～880nm）的作用来产生。

其次，在读取时利用材料的Stokes Shift效应产生荧光，实例中，读取用的雷射光源波长（λ＝620～680nm）与写入时的光波长不同，处于型态B的材料受到激发后放出荧光（λ＝670～750nm），响应时间小于1nsec以下；相对地，处于型态A的材料则对读取光源没有反应、完全透明，藉由这种相对关系所产生的明暗变化，即可用于数字信息的记录。此外，荧光光点尺寸受到雷射光源聚焦点大小、光强度及材料厚度的限制而有固定大小，这使其达到多层堆栈之目的。可录式光盘片的荧光材料可分为热退色材料与有机光变色材料，此两种材料都必需具备下列特性：

• (1)在数据写入的过程中，入射的雷射光必需能控制打开或关闭荧光的产生；





• (2)写入的雷射功率高于临界雷射功率之上荧光材料必需产生变化，但在临界雷射功率之下（读取功率）荧光材料不得产生变化。

以有机光变色材料作为记录层材料，数据的记录是将不会发荧光的A分子经短波长雷射光激发后，化学反应转变成会发荧光的B分子，B分子经较长波长的另一雷射光激发后产生荧光，成为读取的信号。在相同的单位面积储存密度下，增加每张盘片的记录层数量，那么在相同的技术下，即可轻易地使记录容量增N倍（N为记录层数），此一想法早已出现在DVD规格中。不过，由于CD/DVD是根据光干涉原理来产生接收光的明暗讯号，所以，各记录层都必须有明显的反射讯号，以保持其SNR值，但愈强的对比却严重造成层与层间的相互干扰，讯号的SNR值将随层数的增加而迅速降低，如(图一)所示：

荧光记录与多层记录的结合

从图一数据中，当雷射光照射到荧光染料时，即释放出一种频率不同于雷射的荧光。光驱中的侦测器会侦测这种荧光并透过滤光片除去部分原激发雷射光之反射光。不同于反射式光盘会因入射光与反射光波长相同而产生的同频破坏性干涉造成多层化后讯号迅速衰减，然而荧光光储存技术则因激发雷射与放射荧光波长的不同，堆栈多层记录层于光盘片的单一面上也不会有讯号迅速衰减的问题(图二)。可以轻易地了解，当不断增加反射式盘片（Reflective Disk；如CD/DVD）的记录层数，则邻近记录层的反射光会造成更多的干涉条纹，使得读取讯号的SNR值迅速地劣化。

对此，IBM的研发中心即曾表示单面六层的架构已是本架构的极限，所以，在多层记录方案上，沿用原CD/DVD架构的机制已不被采用。同时，由该图的信息也额外地透露出，另一种新式的荧光记录方式正开始跃上多层记录（Multi-Layer Storage）的舞台，此类多层盘片一般称为「荧光多层盘片（Fluorescent Multi-layer Disk；FMD）」，在摒弃使用原来的干涉原理机制，改采荧光激发（Fluorescence induced by Stokes Shift）现象当成记录机制，在透明的盘片上写下荧光记录点，然后，以雷射光激发记录点后，分隔雷射光反射讯号并读取荧光讯号的大小，转换成数字的信息，对于多层盘片的设计，该机制解决了同调光源的干涉噪声，并大幅改善底层讯号劣化的问题，如(图六)中所示，讯噪比（SNR）随记录层增加而劣化的比率远较干涉式的盘片来得小。所以，媒体的记录层数一下就提升了十倍以上。

关于荧光储存技术于2001年美国的Constellation 3D发表了一种荧光多层光盘片（Fluorescent Multilayer Disc；FMD），容量140GB、荧光吸收波长650nm红光雷射，放出波长680nm的荧光。此种荧光多层光盘片是使用了荧光染料来当做光盘片之多层涂料。由上述技术发展可知，如结合短波长雷射存取光源与荧光多层记录媒体，即可再进一步提升光盘片单位面积之记录容量。因此，可应用于短波长雷射之荧光染料即成为当前重要之研发目标。

然而，美国Constellation 3D却于2003年结束了其FMD事业部；但在2003年为D data接收了Constellation 3D的FMD事业部，并于2004年在CES与NAB发表其产品DMD（Digital Multilayer Disc），其盘片结构与规格如(图三)所示，而(图四)则为D data对此一产品之开发规划。

在D Data的规划蓝图中，在盘片单面容量60G以下是利用红光雷射作为产生荧光讯号之激发波长；然而，当盘片单面容量大于200G以上时，则是以蓝光雷射作为产生荧光讯号之激发波长，并结合所谓Quantum dye的材料技术，开发出单面容量大于200G以上的DMD盘片。

在1989年，加州州立大学尔湾分校的Dimitri A. Parthenopoulos所属的研究小组，则提出了利用某些有机材料中的双光子吸收特性（Two-photon process），来模拟数字数据0与1存取模式的构想。

(图五)则为双光子写录与读出之示意图，可以利用两个不同的波长或相同波长的光子，将荧光材料之基态激发到激发态（写录），再经由振动热松弛产生荧光（读出）。由于非线性光学效应与入射光强度平方成正比。所以，在雷射聚焦位置会比其他雷射通过的位置产生更大的双光子效应。因此，而克服了记录层数增加的入射雷射光穿透率的下降问题。

在2-Photon recording的技术领域，日前日本光驱大厂Matsushita亦于ISOM’04发表一篇关于是否可利用现有LD即可进行2-Photon recording，其仿真结果证实此一概念是可行的。

(图六)为FMD系统技术的基本架构及运作方式。图中说明系统如何读取任一层的储存信息，首先，由雷射二极管产生读取光源（CW、620～680nm、3～5mW），经由前端的透镜（Collimator）修整并会聚成圆点平行光后，通过转折镜（Steering Mirror）指向盘片（FMD），并用伺服控制聚焦物镜（Objective lens & Focusing Servo System）的上下，即可将激光束聚焦于盘片任一个记录层上，至此，系统架构皆与CD/DVD相同，透过伺服系统的控制修正聚焦偏差，在高度上具有1～3mm的移动行程。雷射光点在荧光盘片上的反射及激发的荧光放射经由原光路返回，并由分光镜（Beam Splitter）将光束导向一个滤光镜（Color Filter，亦可称为双色镜Dichroic Mirror）将反射的雷射光波长与荧光分离，分离出来的荧光再经由透镜（Lens）会聚，并摆置一个宽度约为1～2μm狭缝于该透镜的焦平面（Focal plane）上，光侦测器（Photo Detector；PD）则于狭缝后接收荧光讯号。此讯号即为一般CD/DVD光学读取头PDIC所输出的RF讯号，经处理译码后，所储存的信息就可取回（retrieve）。

荧光多层光盘片之研发成果

(图七)为工研院研究团队于本技术研发成果；此一成果发表于ISOM’03与JJAP：双层荧光光盘片，其中第一层为利用DVD-ROM基版涂布上一层荧光材料，而第二层则为利用多层盘片制作技术复制出第二层DVD-R基版，同样地，再涂布上一层荧光材料制作出双层荧光光盘片。图中并利用荧光共焦显微镜（Fluorescent Confocal Microscopy）测量到填充荧光染料之讯号坑（pit）的荧光光点与荧光线条之照片。利用软件分析出图中照片白线所跨过之荧光讯号，发现具有可作为数字储存所需之二阶讯号：0与1。

针对开发高荧光量子效率、多元Stokes shift之蓝光雷射激发荧光材料方面，目前已开发出一系列其放光波长范围遍及蓝光、绿光与红光之材料，如(图八)所示。

将上述这些材料制成荧光盘片，在以荧光共焦显微镜量测其盘片讯号，如(图九)所示。

图十为5层FMD-ROM盘片结构，在结合光电所特有之多层盘片制作技术成功制作出5层FMD-ROM盘片。

如图(十一)所示由左至右分别为盘片Z轴方向之荧光强度分布、Z轴方向之荧光记录层影像以及XY平面之荧光讯号光点照片；受制于目前所用之荧光共焦显微镜之聚焦深度限制（～160μm），而5层FMD-ROM盘片由于每一层之Spacer layer之厚度介于50μm左右；所以，图中在Z轴方向只能看到三层荧光记录层的讯号放在同一张图内。

关于FMD-R盘片开发，由国内光电所利用2-Photon Recording的空间记录技术开发出三层FMD-R盘片，如(图十二)所示，此一成果并发表于APDSC’04。此一成果主要是利用800nm Ti:sappire laser with 100fs控制不同写录功率进行静态写录测试（100、280、467μW），再以50μW进行读取。从图中可以观察到写录功率低于100μW无法进行写录。所以，此一记录媒体只需利用雷射功率大小的调整即可进行记录数据的存取。

(图十三)为延续先前实验更进一步开发出之四层FMD-R成果；图左为记录4层讯号之盘片剖面图，图右则为其写录区域与未写录区域之二阶讯号对比值。

未来展望

从目前的储存技术来说，FMD为多层记录媒体开创出一条新快捷方式，在多层的架构下，记录容量的增加变得更容易。在相同盘片大小（12cm diameter）下，仅使用DVD盘片（track pitch＝0.74m）堆栈12层的FMD盘片便可达到50GB的容量。若未来使用蓝光盘片（track pitch＝0.32m）堆栈4层的FMD盘片便轻易可达到100GB的容量。因track pitch变小及pit size缩短，所以开发荧光效率更佳的材料及读取讯号的碟机更显得重要，工研院奈米储存之荧光多层技术计划正积极研发中。记录媒体的选择上，目前FMD的产品仅有FMD-ROM及FMD-R型式发表，根据美国Dell的分析，如果就作为可携式记录装置（RMSD）而言，此类产品仍待进一步研发RW型式的记录媒体及机制。

光信息储存产业一直是我国比重极高的项目。未来光储存媒体的趋势，要能从在线储存媒体下载信息或获得实时的清晰影像画质，就必需同时拥有高速传输速度与超大记忆容量的功能。因此，加速深耕荧光多层盘片技术，创造属于自己的专利布局或交互授权等知识产权及新规格的制定仍是最主要课题。

延 伸 阅 读	想象一下，数字相机、或数字摄影机上那个PC卡大小的插槽内， 竟可储存高达20GB 数据的容量，而这样的储存片只需要几块钱就买得到了。相关介绍请见「FMD─会发光的光盘片」一文。 在FMD技术中，荧光染料代替了在CD-ROM和DVD中储存信息的反射和半反射涂层。由于雷射不会受到阻碍，可以更深地进入到介质。你可在「荧光多层光盘技术」一文中得到进一步的介绍。 超高容量之光储存主流发展可能有荧光多层光盘片、全像光记录媒体及近场光学（含近场光盘片）储存技术。在「超高容量记录媒体─荧光多层记录技术」一文为你做了相关的评析。

最新消息	Constellation 3D经过多年的研究，开发出FMD荧光多层光盘，在2001年COMDEX上，展示了他们以荧光性多层光盘片(Fluorescent Multilayer Disc；FMD)。相关介绍请见「Constellation成功开发FMD荧光多层光盘」一文。 播放器中的侦测器会搜寻这种荧光而忽略雷射，这样就可以不必经过光反射的动作，并可直接堆栈多层在盘片上。你可在「日本开发成功世界上体积最小芯片」一文中得到进一步的介绍。 他们是使用最新的无条理荧光(fluorescentincoherent light) 技术，将荧光材料放在光盘上，数据是储存在这些荧光材料中。在「计算机数据储存的新突破」一文为你做了相关的评析。