光电子-第7章光存储技术

第7章 光信息存储技术,2,内容提要,常见光盘格式介绍,3,光存储新材料与新技术,4,4,3,7.1 光存储技术概论,一.概述 1）光盘特点容量大5.25 0.65G非接触读写无损伤高的数据传输率永久性或半永久性存储（1050S）信息价位低形成光盘库（活动盘）,4,2）领域数据存储、图像存储多媒体或多媒体工作站电影视频节目存储介质,5,二.发展简史国外，研究始于70年代荷兰:PHILIPS1972.9.5诞生第一台激光唱机，体积大，很笨重。He-Ne体积大，材料要求高1976向美国推销第一代产品1982向西欧推销第二代产品（改进型产品）,6,日本崛起在70年代中后期SONY TOSHIBA SANYO PANASONIC.形成两大派势：分别以东芝、索尼为代表都想以自己的企业标准作为 行业标准（国际标准）世界光盘标准化协会协调工作组,7,光盘技术发展：分为三个里程碑70年代 里程碑：5.25 光盘90年代中期 里程碑 5.25 光盘 DVD单面单层 4.7GB 双面双层 19GB95年之后 里程碑 蓝光光盘（一个单层的蓝光光盘的容量为25或是22GB，足够刻录一个长达4小时的高清晰电影）现在已商用 NMD 近场光学 单面容量,8,B.发展趋势（高密、高效、高速）高密：短波长LD，NA ，衬盘厚度 ，道间距 高效： 记录方法、数据格式，新型 的光学头改进高速： 存储技术、记录速度,9,高密度实现方法： 减小LD的波长 780nm 650/635red 532nm 405nm blue 增大读出物镜的NA 0.45 0.65 减小信道密度 1.2m0.74 m 减小光盘盘基厚度 1.2mm0.6mm 编码技术、数据格式等,10,未来光存储方向持续光源烧孔和三维光信息存储光斑变色存储技术电子俘获光存储技术全息信息存储技术纳米与自聚焦技术NMD近场存储技术,11,四.光盘标准对各类光盘的技术规格、盘片的物理尺寸、信息记录的物理格式及逻辑格式、信源/信道编码方法等技术内容作出了详细的规定由于不同的标准往往用不同颜色的彩页作为封面，因此，人们习惯用彩页颜色的方法来特指某一类光盘的技术标准。,12,表格,13,7.2.光存储系统基本原理,概述无论是CD光盘、DVD光盘等光存储介质，采用的存储方式都与软盘、硬盘相同，是以二进制数据的形式来存储信息。 而要在这些光盘上面储存数据，需要借助激光把电脑转换后的二进制数据用数据模式刻在扁平、具有反射能力的盘片上。而为了识别数据，光盘上定义激光刻出的小 坑就代表二进制的“1”，而空白处则代表二进制的“0”。,14,概述,DVD盘的记录凹坑比CD-ROM更小，且螺旋储存凹坑之间的距离也更小。DVD存放数据信息的 坑点非常小，而且非常紧密，最小凹坑长度仅为0.4m，每个坑点间的距离只是CD-ROM的50%，并且轨距只有0.74mCD光驱、DVD光驱等一系列光存储设备，主要的部分就是激光发生器和光监测器。光驱上的激光发生器实际上就 是一个激光二极管，可以产生对应波长的激光光束，然后经过一系列的处理后射到光盘上，然后经由光监测器捕捉反射回来的信号从而识别实际的数据。,15,概述,如果光盘不 反射激光则代表那里有一个小坑，那么电脑就知道它代表一个“1”；如果激光被反射回来，电脑就知道这个点是一个“0”。然后电脑就可以将这些二进制代码转 换成为原来的程序。当光盘在光驱中做高速转动，激光头在电机的控制下前后移动，数据就这样源源不断的读取出来了。,16,光盘（介质） 光盘机 光盘存储系统,（2）光盘存储系统的基本要求,17,一.激光头原理和结构,1.光学头的基本构成光学头是由1.对物透镜2.准直透镜3.偏光分光棱镜4.分光棱镜5.反射镜6.1/4波长板7.焦点误差检出光学系8.寻轨误差检出光学系，9.焦点控制伺服机构（F-ACT）,10.寻轨控制伺服机构(T-ACT)等伺服机械控制部品，还有11.半导体激光二极管，12.多分割光电二极管PD(photo diode)等光电部件构成的。,18,2.工作原理分析光学头能够读出光盘上的信号的原理是从激光二极管射出的发散P线性偏振激光通过准直透镜，成为平行光，再通过1/4波长片时，偏振方向旋转45度，变为圆偏光，这束平行的圆偏光被对物透镜聚焦到光盘的信息面，再反射回来（根据盘面的凸凹对光的反射不同），通过1/4波长片时，再一次偏振方向被旋转45度，成为S线性偏振光，,19,在偏光分光棱镜PBS处 被反射到误差检出系和信号系，反射光再一次被分为两路，误差系的一路通过凸透镜、圆柱透镜，投影到四分割的光电二极管上，根据各象限光量的大小，进行运 算，对聚焦和寻轨伺服机构控制，使之读出正确的信号，另一路信号系的光束由凸透镜会聚到光电二极管，把光信号变为电信号。,20,3.基本元件：（a）光源LD：激光器 780nm，650nm 405nm（b）准直、扩束系统 椭圆，发散 准直，圆形 （c）PBS（偏振分光棱镜） （PBS+/4波片） 光束隔离器,21,（d） /4波片 作用：改变偏振方向（e）聚焦物镜（加执行机构） 实现伺服1m光斑（f）光电探测器（PD） 提供伺服所需的信号：TES，FES 提供探测到的光盘存储的信息信号：RF,22,4.写入/读出原理各种光盘不一样，此处针对烧凹坑型而言 CD、LD、VCD,23,在高温度的激光束光斑下加热形成一定宽度一定间隔的记录脉冲 以有无凹坑 “1”和“0”凹坑质量好坏 标志信噪比的高低,24,2.写入/读出原理 各种光盘不一样，此处针对烧凹坑型而言 CD、LD、VCD 信息的写入 数据输入 ECC 编码电路 信号调制 会聚物镜 光盘介质,25, 信息的读出： 保护层（玻璃或DMMD）（1）数据道无凹坑时，入射的光束被反射，大部分返回物镜 光能 强 （1）,26,（2）数据道有凹坑时，入射的光束光程差： 凹坑深度故发生干涉相消凹坑的无有情况下： 无凹 有凹,27,3.数据存储格式 格式 （a）只读型：比较简单 信息道为螺旋形或同心圆形,28,（b）磁光盘（严格的格式） 信息道、扇区 格式化是硬格式化 出厂之前，厂家已经做好 每个信息道有15个扇区； 每个扇区规定如下： 扇区 52 1 672字节 字节 字节,29, 存储方式恒角速度，恒线速度以及改进型恒线速度 （a）恒线速度（CD） CLV （1） 整个面上线速度恒定，即外侧 半径上道上的信息量大于内侧半径 道上的信息量 （2）从内侧外侧扫描过程中 内侧外侧 保证线速度不变,30,（b）恒角速度（LD） CAV （1）内侧外侧：不变 （2）每条信息道上信息量一致： 即：外侧道上信息密度50mW 价格太贵,41,3）信噪比 信噪比 误码率下降 可靠性提高 几种系统的典型值,42,主要噪声来源：波光噪声读/写时聚焦、跟踪与转速的误差记录介质的材料及光学不均匀性，表面光洁度等 读/写过程的操作误差,43,4）读取时间 读取时间从指定的信道上读取信息的速度 为了实现高速度随机存取 缩短粗访问时间 进给电机驱动光头进行“粗访问，将光头移至目标信道附近” 缩短精密访问时间 通过光学的跟踪伺服调节机构TAOSH头，使读数光束准确落在目标信道上，实现“精密访问”,44,7.3 常见光盘格式介绍,概述光储产品（光存储）产品包括诸多类别，市面上常见的光驱产品也相当丰富，包括：CD-ROM、DVD、CD-RW/R、DVD+RW/R、DVD-RW/R、DVDRW等。以上产品大致可分为三类1.只读盘(ROM)2.一次写入多次读出(WORM)3.可擦重写盘(RW),45,一.ROM光盘存储原理,1.ROM光盘存储原理图91是只读存储光盘的存储原理示意图,46,一.ROM光盘存储原理,将事先记录在主磁带上的视频或音频信息通过信号发生器、前置放大器去驱动电光或声光调制器，使经过调制的激光束以不同的功率密度聚焦在甩有光刻胶的玻璃衬盘上，使光刻胶曝光，之后经过显影、刻蚀，制成主盘(又称母盘，Master)，再经喷镀、电镀等工序制成副盘(又称印模，stamper)，然后再经过“2P注塑形成ROM光盘，总的制备过程示意图如图92所示,47,一.ROM光盘存储原理,2.ROM光盘的主盘与副盘制备ROM光盘的主盘与副盘制备一般经过如图所示工序。(1)衬盘甩胶(2)调制曝光(3)显影刻蚀(4)喷镀银层(5)电镀镍层(6)副盘剥落,48,一.ROM光盘存储原理,3.ROM光盘“2P”复制将上述所得正像或副像子盘作为“印模”(stamper)，加工中心孔和外因后装入“2P”喷塑器中，经进一步的“2P”复制过程来制作批量ROM光盘.“2P”是photopolymerization(光致聚合作用)一词的缩写，其物理过程如图94。,49,一.ROM光盘存储原理,总的来讲，只读存储光盘的记录介质是光刻胶，记录方式是用声光调制的氩离子激光将信息刻录在介质上，然后制成主盘及副再用副盘作为原模大量复制视频录像盘或数字音像唱片。一个原模一般可复制至少5000片盘片。 用户只要有一台播放机就能享受光盘上的迟真音、像节目。但是这样的光盘系统只能读取，不能录入。用户想自行录像(兼录音)，必须采用一次写入的光盘系统。,50,二.一次写入光盘,1.一次写入方式1)烧蚀型2)起泡型3)熔绒型4)合金化型5)相变型,51,2.写读光盘对存储介质的基本要求(1)分辨率及信息凹坑的规整几何形状(2)没有中间处理过程(3)较好的记录阂值(4)记录灵敏(5)较高的反衬度(6)稳定的抗显微腐蚀能力(7)与预格式化衬盘相容(8)高生产率、低成本,52,3.WORM光盘的存储原理利用激光热效应对存储介质单层薄膜进行烧蚀时存储介质吸收到达的激光的能量超过存储介质的熔点时形成信息坑孔。常用WORM光盘以聚甲基丙烯酸酯(PMMA)为材底、厚12mm、上面溅射一介质薄层。用830nm激光聚焦在1m2范围内，温度呈高斯型空间分布；当中心温度超过介质熔点Tm时，在介质表面形成一熔融区，周围的表面张力将此熔融区拉开成孔；激光脉冲撤去，孔的边缘凝固，在记录介质膜上形成与输入信息相应的坑孔,53,这样记录的信息很难满足上述写冶光盘对存储介质的要求，原因是入射到膜面的激光能量Eo(图97)，一部分在膜顷反射(ER)，大部分被薄膜吸收(EA)，还有一部分在薄膜中因径向热扩散而损失(E)，剩余的部分透射到衬盘之中(ET)，即,54,ER要最小，必须使从记录层上下两个界面反射回来的光实现相消干涉。这样就形成了记录层、热障层和反射层这种层结构的存储介质，如图所示。,55,三.可擦重写盘(RW),概述目前市场上出现的可读写光盘CD-RW（CD-ReWritable）主要有磁光盘MOD（Magneto-Optical Disk）和相变光盘PCD（Phase Change Disk）两种。 可擦写光盘从记录介质写、读、擦的机理来讲，丰要分为两大类： 1)相变光盘；这类光盘采用多元半导体元素配制成的结构相交材料作为记录介质膜，利用激光与介质膜相互作用时，激光的热和光效应导致介质在晶态与玻璃态之间的可逆相变来实现反复写、擦要求，可分为热致相变光盘和光致相变光盘。,56,2)磁光盘：这种光盘采用稀土过渡金属合金制成的磁性相变介质作为记录薄膜这种薄膜介质具有垂直于薄膜表面的易磁化轴，利用光致退磁效应以及偏置磁场作用下磁化强度取向的正或负来区别二进制中的“0”或“1”。,57,相变光盘盘片的刻录层是多晶体。在刻录时，激光束有选择性地加热相变材料某一区域，使得这部分迅速成为液态，然后“凝结”形成非结晶状态。由于非结晶状态 和结晶状态有不同的光学反射率，这样就可以通过CD-ROM来读取数据了。当把相变材料加热，非结晶状态的原子又回到有序的结晶状态。这样就恢复到可写状 态。PCD是用激光技术来记录和读出信息。现在用的CD-RW盘基本上应该都是PCD的。,58,一.可重复擦写相变光盘存储原理,可重复擦写相变光盘存储原理 RW相变光盘是利用记录介质在两个稳定态之间的可逆相结构变化来实现反复的写和擦。常见的相结构变化行下列几种： 1)晶态I-晶态H之间的可逆相变，这种相变反衬度太小，没有实用价值。 2)非晶态I-非品态n之间的可逆相变，这种相变反衬度也太小，没有实用价值。 3)发生玻璃态-晶态之间的可逆相变，这种相变有实用价值。,59,一.可重复擦写相变光盘存储原理,1.激光热致相变可擦重写光存储 1)存储材料该类存储盘所用相变介质(多元半导体的品态和非晶态)都是共价键结构其晶态长程有序，非晶态因键长和键角发生畸变，原于组态出现各种缺陷，因而短程有序。蒸发、溅射等淀积的非晶态记录介质是无定形态，不稳定可以通过晶化过程中进入结晶态，也可以通过玻璃化过程进入玻璃态，即通过读、写、擦等初始化过程进人晶态或玻璃态。,60,一.可重复擦写相变光盘存储原理,由于两态光学参量差异很大，因而可获得较大的反衬度和信噪比。因此记录介质酌的可逆相变选定为玻璃态和晶态之间的反复转变：写信息时吸收能量从晶态进入玻璃态，擦除信息时从玻璃态回到晶态。从激光热效应导致可逆相变的角度来看，材料设计应考虑响应灵敏度、热稳定性、相变速率及反衬度等要求。,61,一.可重复擦写相变光盘存储原理,材料的选择主要解决热稳定性和晶化速率的矛盾.通常加入起催化作用的金属,形成三元体系.图99(a)给出相变过程中介质体积随温度的变化情况，图99(b)给出透射率随温度的变化情况。图-可擦重写光盘材料特性,62,一.可重复擦写相变光盘存储原理,2)存储原理与过程近红外波段的激光作用在介质上，能加剧介质问络中原子、分子的振动，从而加速相变的进行。因此近红外激光对介质的作用以热效应为主.图 写、读、擦激光脉冲与其相应的相变过程,63,一.可重复擦写相变光盘存储原理,1)信息的记录。对应介质从晶态C向玻璃态G的转变。选用功率密度高、脉宽为几十至几百纳秒的激光脉冲，使光斑微区因介质温度刹那间超过熔点Tm而进入波相，再经过波相快淬完成到达玻璃态的相转变。2)信息的读出用低功率密度、短脉宽的激光扫描信息道，从反射率的大小辨别写入的信息。一般介质处在玻璃态(即写入态)时反射率小，处在晶态(即擦除态)时反射率大。在读出过程中，介质的相结构保持不变。,64,一.可重复擦写相变光盘存储原理,3)信息的擦除对应介质从玻璃态G向晶态C的转变。选用中等功率密度、放宽脉冲的激光，使光斑微区因介质温度升至接近Tm处，再通过成核生长完成品化。在此过程中，光诱导缺陷中心可以成为新的成核中心，因此激光作用使成核速率、生长速度大大增加，从而导致激光热品化比单纯热品化的速率要高。 总之，激光热致相变中通过成核生长过程完成晶化：随着温度的升高，非晶薄膜中有晶核形成，晶粒随温度升高而长大。激光作用使这一过程速度很快。,65,一.可重复擦写相变光盘存储原理,2.激光光致相变 随着激光波长移向短波，激光的光致相结构变化效应逐渐明显，相变机制也与热相变的机制不同。研究表明，符合化学计量比的介质不仅可以用单纯加热的方式使之晶化，还可以不加热、通过激光束或电子束的粒子作用在极短时间内完成品化的全过程.这一过程中，介质在光激发作用下通过无原子扩散的直接固态相变实现从玻璃态到晶态的突发性转变，在晶化突然发生的瞬间，介质中光照微区的温度还来不及升高至晶化温度Tc之上，因而相变速度极快。,66,一.可重复擦写相变光盘存储原理,高功率密度的激光脉冲作用下，介质内部发生的带间吸收和自由载流子吸收。由于入射激光束不与非晶网络直接作用光子能量几乎直接用来激发电子.图.光致相变介质内部光吸收过程光致晶化过程包括光致突发晶化和声子参与的弛豫过程,67,二.可擦重写磁光盘存储原理,概述磁光(MO)存储技术是利用激光和强磁场同时作用于记录介质来实现数据存取的。MO利用聚焦激光照射在光盘记录层上形成极小的光斑,当光斑温度上升到居里点时,磁畴随外加磁场的作用而改变磁化方向(用0或1表示)。当磁畴温度恢复到环境温度时,磁畴呈高矫顽力,从而实现数据的写入;擦除时,只需翻转外加磁场的方向即可。光盘的记录层很薄,通常是夹在透明聚碳酸酯或玻璃之间的一层磁合金。 目前磁光薄膜的记录方式有补偿点记录和居里点记录两类，前者以稀土钴合金为主，后者则多为稀土铁合金。下面我们以补偿点写入的磁介质为例来讨论磁光记录介质的读、写、探原理。,68,GdGo薄膜是利用补偿点写人的典型材料。Gd和Go的磁化强度对温度有不向的依赖关系，见图.在补偿点，它们的正、负磁化强度正好等值反向，净磁化强度为零。,69,1.信息的写入有一垂直于薄膜表面的易磁化轴。在写入信息之前用一定强度的磁场H0对介质进行初始磁化，使各磁畴单元具有相同的磁化方向。在写入信息时，磁光读写头的脉冲激光聚焦在介质表面，光照微斑因升温面迅速退磁，此时通过读写头中的线圈施加一反偏磁场，就可使光照区微斑反向磁化，如图914(a)所示，而无光照的相邻磁畴磁化方向仍保持原来的方向，从而实现磁化方向相反的反差记录。,70,2.信息的读出信息读出是利用Kerr效应检测记录单元的磁化方向。,71,实际应用时，光盘的信噪比与Kerr角的大小密切相关，若反射光强度为I，且光盘的本底噪声主要来自散射效应，则信噪比可近似表示为实用磁光盘的Kerr角数值不大，一般只有零点几度，如图915所示为此磁光盘的信噪比需落在4550dB的范围内。要获得较高的信躁比，必须进行大角的材料研究。,72,3.信息的擦除 擦除信息时，如图 (c)所示，用原来的写入光束扫描信息道，并施加与初始H0方向相同的偏置磁场，则记录单元的磁化方向又会恢复原状。由于翻转磁畴的磁化方向速率有限，故磁光光盘一般也需要两次动作来写入信息。即第一转，擦除信息道上的信息；第二转，写入新的信息。,73,7.光盘衬盘材料,概述 光盘衬盘厚1.2mm外形很像一张透明唱片。其直径尺寸按1984年ISOx3B11推荐的国际标准共有直径公制单位mm356，300，200，130120等规格