目前傳到家裡的網路，已經是可以達到100Mbps的高速線路了。因此在網路隨身化時代，要達到此一速度可說是基本需求。所以對光儲存媒體來說，100Mbps的傳輸速度，可說是最低的目標。而美、日、歐等國的科技決策單位已花相當多人力來研究調查未來尖端科技在資訊社會的影響力，所獲得的結論相當近似，即未來資訊的傳輸、儲存與顯示朝向兆位元（＞1 Terabit；1Tb＝1000Gbit）的超高速時代發展。

一般認為未來長距離通信與寬頻網際網路必然採用先進之光纖網路，其傳輸速度將超越兆位元/秒（＞1000Gbps），而銜接性網路（Wide Area Network或WAN）和地域性網路（Local Area Network或LAN）的層次將分別提升至（＞100Gbps）和（>10Gbps）的水準。因此許多高速光脈波的傳輸現象和光信號切換技術的研究必須不斷提升方能配合此要求。所伴隨產生的大量資料存取將要求每cm3記憶媒體儲存1Terabit的資料，而存取速度必須超過1Gbps。至於資料存取科技︰包括多層儲存薄膜、三維全像記憶元件、近場儲存和雙光子記錄技術，則被認為是最具潛力的未來資料存取科技。此外資料顯示將持續朝高畫質、高解析與平面化的顯示元件方面發展。為達到此一要求，需要採用新技術和新材料，研究開發出新一代高密度、高速光儲存技術和系統。

雖然世界上目前所進行的研究尚處於實驗室階段。許多理論問題、實驗技術問題及工程問題還待深入研究。其研究發展方向如下︰

• ●利用光學非輻射場與光學超繞射極限分辨率的研究成果，進一步減小記錄訊息之大小尺寸。因光束照射到物體表面時，無論透射或反射都會形成輻射傳播波非輻射隱失波攜帶描述物體精細架構的高頻訊息，沿物體表面傳播。只要把這一部分訊息撲捉到，就可提升系統的分辨率；





• ●採用近場光學原理設計超分辨率的光學系統，使數值孔徑超過1.0，相當於探測器進入介質的輻射場，從而能夠得到超精細架構訊息，突破衍射極限，獲得更高的分辨率，可使經典光學顯微鏡的分辨率提升兩個數量級，面密度提升四個數量級；





• ●以光量子效應代替目前的光熱效應實現數據的寫入與讀出，從原理上將儲存密度提升到分子量級甚至原子量級，而且由於量子效應沒有熱學過程，其回應速度可達到10－12量級（ps），另外，由於記錄介質的回應與其吸收的光子數有關，可以使記錄模式從目前的“0、1”二值儲存變成多值儲存，使儲存容量提升許多倍；





• ●三維多重體全像儲存，利用某些光學晶體的光折變效應記錄全像圖形圖像，包括二值的或有灰階的圖像訊息，由於全像圖像對空間位置的敏感性，這種方法可以得到極高的儲存容量，並基於光閘極空間相位的變化，體全像儲存器還有可能進行選擇性抹除及重寫；





• ●利用當代物理學的其它成就，包括光子回波時域相干光子儲存原理、光子俘獲儲存原理、共振螢光、超螢光和光學雙穩態效應、光子誘發光致變色的光化學效應、雙光子三維體相光致變色效應，以及借助許多新的工具和技術，諸如掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）、光學積體電路技術及微光纖陣列技術等，提升儲存密度和構成多層、多重、多灰階、高速、並行讀寫超高容量儲存系統。





• 綜觀上述研究及因應儲存技術的競爭能力來評估，未來超高容量（100GB～1000GB）可能之光儲存技術主流發展可能有下列數種：

• (1)螢光多層光碟片（Fluorescent Multilayer Disc；FMD）：包括單光子或雙光子記錄；





• (2)全像光記錄媒體（Holographic Data Storage）；





• (3)近場光學（near-field optic）：含近場光碟片super-REZN或近場光學頭儲存技術。

由於3D立體儲存有其未來性，因此下文將針對螢光多層光碟片（FMD）深入探討。

螢光記錄媒體的興起

在1989年由D. A. Pathenopoulos等人首度提出利用偵測有機光變色材料在不同狀態受雷射激發的螢光放射強弱來作為光記錄媒體，並以此克服了多層碟片結構中同頻破壞性干涉的問題。螢光多層光碟片是1995年以色列學者Jacob Malkin博士，首先提出應用螢光材料的螢光效應，應用在多層光碟片上，將可使光碟的儲存容量增大。此項技術使用螢光材料作為記錄媒體，螢光材料被塗佈在記錄層上，當讀取的雷射光照射在此層上時，利用螢光奈米分子受一特定波長之激發光源（1）照射後，螢光奈米分子會在一極短的時間內（10－12～10－9sec）放射出另一波長之螢光（2），此放射出的波長較入射雷射光波長往長波長位移（Red Shift），其本質上屬非同調光（Incoherent Light），不會受其它Pit Mark和橫向連接層（Transverse Adjacent Layers）的干擾。透過對螢光訊號強弱的偵測形成數位存取所需之0與1二階訊號的光記錄技術；螢光光碟片其信號品質雖隨記錄層數的增加僅成緩慢衰減，但仍可輕易的增加儲存容量至數百GB，若讀取光源使用更短波長的藍紫光雷射應可使儲存容量增加至Terabytes的等級。

螢光記錄媒體基本原理

下文將介紹FMD的原理及方法，其內容主要包含螢光激發、雙光子寫錄、系統機制及螢光多層光碟片之製作等項目主題。

所有FMD技術的關鍵即在於“如何建立及消除材料的螢光反應”及“如何使材料產生螢光訊號”，這二項要件成立後，才能開始設計製作讀寫系統的架構。首先，材料本身必須是一種光敏介質（Photosensitive Medium），至少具有二種化合物型態（Form A & Form B），使得該介質在受到特定波長的光源照射時，可由非螢光反應型態（non-fluorescent form）A轉變為螢光反應型態（fluorescent form）B。此一寫入過程，通常可直接由單光束－單光子吸收（one-beam one-photon absorption；λ＝400～440nm）達成，或者，亦可利用單光束雙光子吸收（one-beam two-photon absorption；λ＝800～880nm）的作用來產生。

其次，在讀取時利用材料的Stokes Shift效應產生螢光，實例中，讀取用的雷射光源波長（λ＝620～680nm）與寫入時的光波長不同，處於型態B的材料受到激發後放出螢光（λ＝670～750nm），響應時間小於1nsec以下；相對地，處於型態A的材料則對讀取光源沒有反應、完全透明，藉由這種相對關係所產生的明暗變化，即可用於數位資訊的記錄。此外，螢光光點尺寸受到雷射光源聚焦點大小、光強度及材料厚度的限制而有固定大小，這使其達到多層堆疊之目的。可錄式光碟片的螢光材料可分為熱退色材料與有機光變色材料，此兩種材料都必需具備下列特性：

• (1)在資料寫入的過程中，入射的雷射光必需能控制打開或關閉螢光的產生；





• (2)寫入的雷射功率高於臨界雷射功率之上螢光材料必需產生變化，但在臨界雷射功率之下（讀取功率）螢光材料不得產生變化。

以有機光變色材料作為記錄層材料，資料的記錄是將不會發螢光的A分子經短波長雷射光激發後，化學反應轉變成會發螢光的B分子，B分子經較長波長的另一雷射光激發後產生螢光，成為讀取的信號。在相同的單位面積儲存密度下，增加每張碟片的記錄層數量，那麼在相同的技術下，即可輕易地使記錄容量增N倍（N為記錄層數），此一想法早已出現在DVD規格中。不過，由於CD/DVD是根據光干涉原理來產生接收光的明暗訊號，所以，各記錄層都必須有明顯的反射訊號，以保持其SNR值，但愈強的對比卻嚴重造成層與層間的相互干擾，訊號的SNR值將隨層數的增加而迅速降低，如(圖一)所示：

螢光記錄與多層記錄的結合

從圖一資料中，當雷射光照射到螢光染料時，即釋放出一種頻率不同於雷射的螢光。光碟機中的偵測器會偵測這種螢光並透過濾光片除去部分原激發雷射光之反射光。不同於反射式光碟會因入射光與反射光波長相同而產生的同頻破壞性干涉造成多層化後訊號迅速衰減，然而螢光光儲存技術則因激發雷射與放射螢光波長的不同，堆疊多層記錄層於光碟片的單一面上也不會有訊號迅速衰減的問題(圖二)。可以輕易地了解，當不斷增加反射式碟片（Reflective Disk；如CD/DVD）的記錄層數，則鄰近記錄層的反射光會造成更多的干涉條紋，使得讀取訊號的SNR值迅速地劣化。

對此，IBM的研發中心即曾表示單面六層的架構已是本架構的極限，所以，在多層記錄方案上，沿用原CD/DVD架構的機制已不被採用。同時，由該圖的資訊也額外地透露出，另一種新式的螢光記錄方式正開始躍上多層記錄（Multi-Layer Storage）的舞台，此類多層碟片一般稱為「螢光多層碟片（Fluorescent Multi-layer Disk；FMD）」，在摒棄使用原來的干涉原理機制，改採螢光激發（Fluorescence induced by Stokes Shift）現象當成記錄機制，在透明的碟片上寫下螢光記錄點，然後，以雷射光激發記錄點後，分隔雷射光反射訊號並讀取螢光訊號的大小，轉換成數位的資訊，對於多層碟片的設計，該機制解決了同調光源的干涉雜訊，並大幅改善底層訊號劣化的問題，如(圖六)中所示，訊噪比（SNR）隨記錄層增加而劣化的比率遠較干涉式的碟片來得小。所以，媒體的記錄層數一下就提升了十倍以上。

關於螢光儲存技術於2001年美國的Constellation 3D發表了一種螢光多層光碟片（Fluorescent Multilayer Disc；FMD），容量140GB、螢光吸收波長650nm紅光雷射，放出波長680nm的螢光。此種螢光多層光碟片是使用了螢光染料來當做光碟片之多層塗料。由上述技術發展可知，如結合短波長雷射存取光源與螢光多層記錄媒體，即可再進一步提升光碟片單位面積之記錄容量。因此，可應用於短波長雷射之螢光染料即成為當前重要之研發目標。

然而，美國Constellation 3D卻於2003年結束了其FMD事業部；但在2003年為D data接收了Constellation 3D的FMD事業部，並於2004年在CES與NAB發表其產品DMD（Digital Multilayer Disc），其碟片結構與規格如(圖三)所示，而(圖四)則為D data對此一產品之開發規劃。

在D Data的規劃藍圖中，在碟片單面容量60G以下是利用紅光雷射作為產生螢光訊號之激發波長；然而，當碟片單面容量大於200G以上時，則是以藍光雷射作為產生螢光訊號之激發波長，並結合所謂Quantum dye的材料技術，開發出單面容量大於200G以上的DMD碟片。

在1989年，加州州立大學爾灣分校的Dimitri A. Parthenopoulos所屬的研究小組，則提出了利用某些有機材料中的雙光子吸收特性（Two-photon process），來類比數位資料0與1存取模式的構想。

(圖五)則為雙光子寫錄與讀出之示意圖，可以利用兩個不同的波長或相同波長的光子，將螢光材料之基態激發到激發態（寫錄），再經由振動熱鬆弛產生螢光（讀出）。由於非線性光學效應與入射光強度平方成正比。所以，在雷射聚焦位置會比其他雷射通過的位置產生更大的雙光子效應。因此，而克服了記錄層數增加的入射雷射光穿透率的下降問題。

在2-Photon recording的技術領域，日前日本光碟機大廠Matsushita亦於ISOM’04發表一篇關於是否可利用現有LD即可進行2-Photon recording，其模擬結果證實此一概念是可行的。

(圖六)為FMD系統技術的基本架構及運作方式。圖中說明系統如何讀取任一層的儲存資訊，首先，由雷射二極體產生讀取光源（CW、620～680nm、3～5mW），經由前端的透鏡（Collimator）修整並會聚成圓點平行光後，通過轉折鏡（Steering Mirror）指向碟片（FMD），並用伺服控制聚焦物鏡（Objective lens & Focusing Servo System）的上下，即可將雷射光束聚焦於碟片任一個記錄層上，至此，系統架構皆與CD/DVD相同，透過伺服系統的控制修正聚焦偏差，在高度上具有1～3mm的移動行程。雷射光點在螢光碟片上的反射及激發的螢光放射經由原光路返回，並由分光鏡（Beam Splitter）將光束導向一個濾光鏡（Color Filter，亦可稱為雙色鏡Dichroic Mirror）將反射的雷射光波長與螢光分離，分離出來的螢光再經由透鏡（Lens）會聚，並擺置一個寬度約為1～2μm狹縫於該透鏡的焦平面（Focal plane）上，光偵測器（Photo Detector；PD）則於狹縫後接收螢光訊號。此訊號即為一般CD/DVD光學讀取頭PDIC所輸出的RF訊號，經處理解碼後，所儲存的資訊就可取回（retrieve）。

螢光多層光碟片之研發成果

(圖七)為工研院研究團隊於本技術研發成果；此一成果發表於ISOM’03與JJAP：雙層螢光光碟片，其中第一層為利用DVD-ROM基版塗佈上一層螢光材料，而第二層則為利用多層碟片製作技術複製出第二層DVD-R基版，同樣地，再塗佈上一層螢光材料製作出雙層螢光光碟片。圖中並利用螢光共焦顯微鏡（Fluorescent Confocal Microscopy）測量到填充螢光染料之訊號坑（pit）的螢光光點與螢光線條之照片。利用軟體分析出圖中照片白線所跨過之螢光訊號，發現具有可作為數位儲存所需之二階訊號：0與1。

針對開發高螢光量子效率、多元Stokes shift之藍光雷射激發螢光材料方面，目前已開發出一系列其放光波長範圍遍及藍光、綠光與紅光之材料，如(圖八)所示。

將上述這些材料製成螢光碟片，在以螢光共焦顯微鏡量測其碟片訊號，如(圖九)所示。

圖十為5層FMD-ROM碟片結構，在結合光電所特有之多層碟片製作技術成功製作出5層FMD-ROM碟片。

如圖(十一)所示由左至右分別為碟片Z軸方向之螢光強度分布、Z軸方向之螢光記錄層影像以及XY平面之螢光訊號光點照片；受制於目前所用之螢光共焦顯微鏡之聚焦深度限制（～160μm），而5層FMD-ROM碟片由於每一層之Spacer layer之厚度介於50μm左右；所以，圖中在Z軸方向只能看到三層螢光記錄層的訊號放在同一張圖內。

關於FMD-R碟片開發，由國內光電所利用2-Photon Recording的空間記錄技術開發出三層FMD-R碟片，如(圖十二)所示，此一成果並發表於APDSC’04。此一成果主要是利用800nm Ti:sappire laser with 100fs控制不同寫錄功率進行靜態寫錄測試（100、280、467μW），再以50μW進行讀取。從圖中可以觀察到寫錄功率低於100μW無法進行寫錄。所以，此一記錄媒體只需利用雷射功率大小的調整即可進行記錄資料的存取。

(圖十三)為延續先前實驗更進一步開發出之四層FMD-R成果；圖左為記錄4層訊號之碟片剖面圖，圖右則為其寫錄區域與未寫錄區域之二階訊號對比值。

未來展望

從目前的儲存技術來說，FMD為多層記錄媒體開創出一條新捷徑，在多層的架構下，記錄容量的增加變得更容易。在相同碟片大小（12cm diameter）下，僅使用DVD碟片（track pitch＝0.74m）堆疊12層的FMD碟片便可達到50GB的容量。若未來使用藍光碟片（track pitch＝0.32m）堆疊4層的FMD碟片便輕易可達到100GB的容量。因track pitch變小及pit size縮短，所以開發螢光效率更佳的材料及讀取訊號的碟機更顯得重要，工研院奈米儲存之螢光多層技術計畫正積極研發中。記錄媒體的選擇上，目前FMD的產品僅有FMD-ROM及FMD-R型式發表，根據美國Dell的分析，如果就作為可攜式記錄裝置（RMSD）而言，此類產品仍待進一步研發RW型式的記錄媒體及機制。

光資訊儲存產業一直是我國比重極高的項目。未來光儲存媒體的趨勢，要能從線上儲存媒體下載資訊或獲得即時的清晰影像畫質，就必需同時擁有高速傳輸速度與超大記憶容量的功能。因此，加速深耕螢光多層碟片技術，創造屬於自己的專利佈局或交互授權等智慧財產權及新規格的制定仍是最主要課題。

延 伸 閱 讀	想像一下，數位相機、或數位攝影機上那個PC卡大小的插槽內， 竟可儲存高達20GB 資料的容量，而這樣的儲存片只需要幾塊錢就買得到了。相關介紹請見「FMD─會發光的光碟片」一文。 在FMD技術中，螢光染料代替了在CD-ROM和DVD中儲存資訊的反射和半反射塗層。由於雷射不會受到阻礙，可以更深地進入到介質。你可在「螢光多層光碟技術」一文中得到進一步的介紹。 超高容量之光儲存主流發展可能有螢光多層光碟片、全像光記錄媒體及近場光學（含近場光碟片）儲存技術。在「超高容量記錄媒體─螢光多層記錄技術」一文為你做了相關的評析。

最新消息	Constellation 3D經過多年的研究，開發出FMD螢光多層光碟，在2001年COMDEX上，展示了他們以螢光性多層光碟片(Fluorescent Multilayer Disc；FMD)。相關介紹請見「Constellation成功開發FMD螢光多層光碟」一文。 播放器中的偵測器會搜尋這種螢光而忽略雷射，這樣就可以不必經過光反射的動作，並可直接堆疊多層在碟片上。你可在「日本開發成功世界上體積最小晶片」一文中得到進一步的介紹。 他們是使用最新的無條理螢光(fluorescentincoherent light) 技術，將螢光材料放在光碟上，資料是儲存在這些螢光材料中。在「電腦資料儲存的新突破」一文為你做了相關的評析。