随着未来高密度储存需求的日益殷切，许多人在心中纳闷着，在蓝光高密度光碟（HD-DVD）技术之后，会是什么样的储存媒体兴起？奈米储存就是其中一项被人看好的新兴技术，其储存密度可提高至100GB以上；然而由于讯号之讯杂比（S/N）偏低，导致资料读取（playback）困难，离真正商品化还有一段距离。

分析各国发表文献专利，可将奈米储存的研究归类为以下5类:

SNOM（Scanning Near-Field Optical Microscopy）

此方法为Betzing et. al.[1]于1992年提出，利用奈米级微小开孔（Aperture小于100nm）克服光的绕射现象；其工作原理为光纤拉成锥形，并在尖端镀上一层铝，当雷射光耦合到光纤时，可在光纤内传输，最终由探针尖端射出，探针与样本之距离为奈米等级。此近场光学探针解析度可达到12nm，这解析度已比入射光绕射极限小。此结构主要缺点是光的传输效率太低；例如二十分之一光波长半径的探针尖端，其传输效率约只有10～5到10～6；在奈米级飞行高度下，其光点大小虽与开孔大小一样，但其光能量的使用效率（power throughput）却不够高，由于能量的使用效率影响读写时间，以致此结构资料传输率（data transfer rate）过低。有多篇改良型SNOM文献被发表，目的皆为了提升其能量的使用效率及资料传输速率。(图一)为微探针矩阵（microprobe array），以微影技术（Photolithography）、Si湿蚀刻技术（silicon wet etching）、薄膜沉积（thin film deposition）及热氧化处理（thermal oxidation）等半导体制程完成，以达到微探针开孔直径约100nm，探针间距约150nm之微探针矩阵，且配合垂直孔洞面射型雷射为光源（VCSEL），达到多轨读/写之功能，以提升资料传输速率[2]。 (图二)为高能量光纤探针，藉由沉积不同金属材料，提升能量的使用效率。目前制作上可达探针开孔直径约400 nm,能量的使用效率2.2%[2]。

《》

《图二 高能量光纤探针》

SIL方法为Terris et. al.[3]于1994年提出，此法之能量的使用效率较高，但SIL需与聚焦物镜搭配，使得光头体积及重量较大，较不易作飞行控制。 (图三)为韩国LG发表搭载Semi-spherical SIL之飞行头，SIL与聚焦物镜间对位公差严格，其设计一特殊飞行滑块使SIL与聚焦物镜间对位更为精确[2]。(图四)为另一种SIL与Aperture结合的设计，此设计可提升能量的使用效率外，同时可再度缩小光点大小，光点大小约为单独使用SIL时之一半（光点大小为200nm，能量的使用效率50％）[2]。

《图三 LG发表Semi-spherical SIL的飞行头结构》

《图四 SIL与Aperture结合的设计》

Sony于2003年提出以super hemisphere SI 的结构,如(图五),可以读出100G silicon Rom碟片的论文[4]。

《图五 Sony发表super hemisphere SIL的结构》

Sony于2004年又发表了另一论文，它以(图六)所示双雷射的光路，进行近场写入动作[5]。

《图六 Sony近场写入时所用双雷射光路架构》

图六的光路结构有几个特点，其有效NA为1.84，使用双波长405nm蓝光和780nm红光二种雷射光源，SIL与碟片的工作距离约为20nm，锁轨伺服（tracking servo）是使用推挽法（push pull）；值得一提的是Sony的研发乃采用传统光碟机伺服的方式控制SIL贴近碟片，舍弃如硬碟读写头所采用空气楔飞行的方法，所以图六的结构中设计有回授给间隙（air-gap）伺服所需求用的间隙讯息的光路。

OSL(Optical Switch Laser)Head/VSEL(Very Small Aperture Laser)

OSL结构如(图七)乃将奈米级出口孔径之雷射搭载于飞行滑块上[2]，与碟片保持奈米级飞行高度，其光点大小与开孔孔径大小接近，但有能量的使用效率过低的问题；所以也有不少文献探讨这种光学头的改善，如(图八)为借着改变雷射出口孔径d厚度，以有效的提升光能量的使用效率[2] 。

《图七 OSL光学头架构》

《图八 改变雷射出口孔径d厚度，以有效的提升光能量的使用效率》

Hybrid Optical Head（Integrated Optical Head）

Fee et al.提出将一天线偶合到同轴线上，并使用此同轴线当近场光学探针。耶鲁大学应用物理系Robert D. Grober则选用著名有效率之平面领结式天线（bow tie antenna structure），辐射装置，如(图九)为天线简单开路端，端点处有一远小于入射光波长间隙，当极化电磁场照射在天线上时，在天线臂上电流被诱发，并导向端点；因为天线端点为开路，所以电荷累积在端点处导致位移电流流过间隙。此位移电流辐射像长度为dz之Hertzian dipole，如(图十)。

《图九 平面领结式天线》

《图十 辐射长度为dz之Hertzian dipole》

图九中的结构(a)为微波源、(b)为波导、(c)为光束、(d)为偶极探针、(e)为天线。而图十的Hertzian dipole实验模型架构在2.2GHz和λ＝13.6cm。领结式天线材料为铝，开口端角度为90°；天线总长为36cm（2.6λ），厚度为1cm，天线端点间隙为1cm（约为λ/14）之正方形，其位置在全高长方形波导之开口前方2.5cm处。电磁场强度藉由有极探针在垂直E-H平面方向量测。 (图十一)(a)为在波导开口前方2.5cm处之影像。图十一(b)为天线辐射在天线前方0.5cm之影像，此入射光能量强烈的被集中在十分之一天线间隙区域上。 (图十二)表示方形点为电场极化方向扫瞄，圆形点为磁场极化方向扫瞄；此新的独特近场光学探针具有非常高的传输效率[2]。

《图十一 (a)在波导开口前方2.5cm处之影像图；(b)天线辐射在天线前方0.5cm处之影像图》

另外，可架设更高传输效率的系统，将天线放置在波导开路端前6.8cm约半波长处。此种架设将会在天线与波导前端凸缘形成一共振腔，其效率可提高到30％。此共振腔在电路上可等效为与间隙并联之电感。

《图十二 方形点为电场极化方向扫瞄，圆形点为磁场极化方向扫瞄》

以上所介绍的近场光学探针优于传统的探针，其原因有二：

《图十三 利用平面制程之光波导式物镜，配合领结式天线结构与光纤光源设计而成之光磁头》

SUPER-RENS碟片的研发

1998年日本高等工业技术与科学实验室的J. Tominaga利用多层膜如(图十四)(a)的设计方式达到近场光学头的效果。其设计的方法是利用光穿透率对温度的变化来形成一个小于光波长度的透明孔洞以作为小于波长之点光源；此种多层膜碟片就等同于一个近场光学头。 2000年J. Tominaga再度提出另一种类近场光学头的多层膜碟片结构(图十四)(b)。这种碟片结构和1998年提出的多层膜结构并不相同，但都称为SUPER-RENS。前者通称R-mode，后者为T-mode，利用二维表面电浆将大部份光局限在记录点附近，以达到增强讯号的目的。对于这种SUPER-RENS碟片的研究都是引入表面电浆的概念来说明，表面电浆式是利用光波的局限效应来达到讯号鉴别和讯号增强的目的；光子和电浆子经由表面粗糙散射偶合，电浆子大​​量被激发的结果是大部份光子被局限在电浆层附近。藉由这种光子─电浆子偶合可以提高讯号强度几十至几千倍，未来若使用SUPER-RENS碟片有一好处就是目前DVD光碟机仍可以继续使用，不需跟着被替换掉，是一种相当具潜力的碟片结构。

《图十四 SUPER-RENS (a)R-mode (b)T-mode》

SUPER-RENS的优点有：

而T-mode SUPER-RENS有一些特点如下：

而R-mode SUPER-RENS的特点则有：

(图十五)是AgOx的SUPER-RENS碟片的电性测量结果，当记录点长度只有90奈米时，CNR值可以达到20dB，记录点长度为300奈米时，CNR值可以达到45dB。值得注意的是，这个测量的读写头只是使用一般DVD碟机（波长650nm，NA＝0.6）。

《图十五 AgOx的Super-Rens盘片的电性测量结果》

结论

奈米储存发展以来，就如以上所提，仍在战国时代，可说是百家争鸣，但各国在奈米储存的读写结构的专利布局近臻完成，参见其逐年专利数分布如(图十六)，已过了高峰期；只是有关SoC等技术应用于奈米储存中仍处于探索阶段，特别是应用在微小型光储存领域的相关专利仅DataPlay及Philips等少数几篇，站在专利布局的角度而言，现在针对这几个领域去发展正是国内学、产业界抢站滩头堡的最佳时机。

《图十六 USPTO中世界各国有关奈米储存申请专利逐年分布图》

＜参考资料：

[1] E. Betzing et. 阿里. Appl. Phys. Lett. 61（1992） 142

[2] Technical Digest of ISOM’01

[3] B. D. Terris et. 阿里. Appl. Phys. Lett. 65（1994） 388

[4] Technical Digest of ISOM’03

[5] Technical Digest of ISOM’04＞

延 伸 阅 读	这群疯狂的科学家，想让硬碟缩小到跟邮票一样大！相关介绍请见「奈米硬碟粉墨登场」一文。 密度资料储存媒体和微型燃料电池五个优先奈米科技领域，现有投资机会主要在奈米材料、奈米电子技术、奈米显示器材和元件技术、奈米光电通讯、奈米构装技术（如奈米线、奈米棒、奈米底柱和奈米点）、奈米储存技术等。你可在「奈米科技」一文中得到进一步的介绍。 目前这些奈米科技的研发成果均已相当成熟，而随着奈米极限的迫近，目前科学家已在实验室中证明了许多新兴的奈米储存方法的可行性。在「资讯储存的奈米极限」一文为你做了相关的评析。

最新消息	新兴的「奈米储存」(nanomemory)技术将在未来三年推动奈米电子(nanoelectronics)的需求，该机构预计，2007年奈米储存产品将在奈米电子总共108亿美元的市场中占据86亿美元的规模。相关介绍请见「2007年奈米记忆体产品达到86亿美元规模」一文。 台大「奈米储存研发中心」宣布成立，预计在五年内，发展出突破性的记录技术。你可在「奈米储存研发台大领军出发」一文中得到进一步的介绍。 奈米技术已被认为是科技产业的明日之星，美、日和欧盟等国家都已纷纷投入相关研究。在「工研院奈米储存技术成果发表会展现我国最前瞻之奈米储存技术」一文为你做了相关的评析。