（光学专业论文）三维多层光存储系统的研究与计算机仿真.pdf

摘要 摘要 随着信息技术的发展，人们对信息存储容量的要求越来越高。多层( 三维) 光 学信息存储作为一种提高信息存储容量的手段已受到人们的广泛关注。 本文主要围绕三维光存储技术中的多波长多层和双光子存储技术展开研究。 在多波长多层光存储系统中，先设计一个多层光存储介质，并对存储系统的调焦 系统采用一种新的斜入射的调焦技术：然后应用衍射理论对探测器上接收到的光 强进行了分析；在双光子多层存储系统中，主要对折射率不匹配所引起的问题进 行了理论分析和计算机仿真。本课题主要内容包括以下几个方面： 首先，设计一个多层光存储介质，并对其设计要求和分析方法进行了说明。为 了保证存储系统的各层信号分离和信号强度的要求，并且克服层间串扰的问题， 本文采用了一种新的斜入射的调焦技术。 其次，从波像差的角度出发，采用z e r n i k e 多项式作为工具，推导了光学读取 头的像差总体容限要求。然后利用光盘衍射理论分析了光存储系统探测器上的光 强度分布，并模拟讨论了影响光存储系统光强分布的诸多因素，结果表明：信息 单元光强分布满足s t r e h l 判据，说明了该存储系统能进行三维读写，验证了理论的 可行性。 再次，由于现有的光盘衍射理论都是基于聚焦误差为零的基础上，当盘片处 于离焦状态时，原理论分析都不适宜直接应用。为此文中最后基于菲涅耳公式和 标量衍射理论，分析了不同离焦状态时，探测器上的光强分布情况，并模拟了聚 焦误差信号与离焦信号之间的关系曲线。 最后，对双光子存储系统中存储分辨率和信息读出信号强度的影响因素进行 了理论分析，估算了存储系统能实现的分辨能力。此外，由于三维数据点存储在 介质的内部，因此在读写过程中激光需要经过两层不同折射率的介质，折射率的 不同将对聚焦点处激光强度的分布产生影响。本文从理论上和模拟上对折射率不 匹配引起的问题进行了分析。 总之，通过对三维光存储所涉及的一些问题进行了研究，对这些问题的研究为 今后三维信息存储向实用化方向发展打下了基础。 关键词：三维光存储，斜入射，衍射理论，光强分布，折射率不匹配 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n t sf o rh i 。g hd e n s i t y d a t a s t o r a g e a r e i n c r e a s i n g a s am e t h o do fi m p r o v i n g s t o r a g ec a p a c i t y , t h r e e - d i m e n s i o n a lo p t i c a ld a t as t o r a g eh a sb e e nw i d e l yi n v e s t i g a t e d n l ep a p e rm a i n l yi n v e s t i g a t e st h em u l t i l a y e ro p t i c a ls t o r a g et e c h n o l o g y , s u c ha s t h e m u l t i w a v e l e n g t hm u l t i l e v e lo p t i c a ls t o r a g e a n dt w o - p h o t o no p t i c a l s t o r a g e t e c h n o l o g y i nt h em u l t i w a v e l e n g t hm u l t i l e v e lo p t i c a ls t o r a g es y s t e m ，am u l t i l a y e r o p t i c a lm e d i ah a sb e e nd e s i g n e da n daf o c u sa d j u s t i n gd e v i c e 、析t 1 1d i pi n c i d e n c eh a s b e e na d o r e d b a s e do nt h el a s e rd i f f r a c t i o nt h e o r y , t h el i g h ti n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no n d e t e c t o ri sa n a l y z e d i nt h et w o - p h o t o no p t i c a ls t o r a g es y s t e m ，t h ep r o b l e m sw h i c ha r e i n d u c e db yt h em i s m a t c ho fr e f r a c t i v ei n d e xa r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da n ds i m u l a t e d t h ef o l l o w i n ga r em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i s ： f i r s t l y , am u l t i l a y e ro p t i c a lm e s ai sd e s i g n e d , t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n d a n a l y s i sm e t h o da r ee x p l a i n e d i no r d e rt os e p a r a t e t h e s i g n a l sa m o n gl a y e m ，t o g u a r a n t e et h es i g n a li n t e n s i t yf r o mt h er e c e i v e ra n dt oa v o i dt h ec r o s s t a l k ，an e wf o c u s a d j u s t i n gt e c h n o l o g yo fd i pi n c i d e n c eh a sb e e na p p l i e d s e c o n d l y , a i d e db yz e r n i k ep o l y n o m i a l ，t h et o l e r a n c eo fo p t i c a ls y s t e mh a sb e e n o b t a i n e db a s e do nw a v ea b e r r a t i o nt h e o r y t h i sr e s u l ti sv e r yi m p o r t a n tf o rd e s i g n i n g a n dm a n u f a c t u r i n go fo p t i c a lp i c k u ph e a d b a s e do nt h ed i f f r a c t i o nt h e o r ya n a l y s i s ，t h e l i g h ti n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no nd e t e c t o ri sa c h i e v e d ，a n ds i m u l a t i o ni sc o n d u c t e da n d f a c t o r sw h i c ha f f e c tl i g h ti n t e n s i t yd i s t r i b u t i o na r ea n a l y z e d t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e s t h a tl i g h ti n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no fc o n c a v ep i tm e e t ss t r e h ls t a n d a r d t h es y s t e mc a n p e r f o r m3 一dr e a d i n ga n dw r i t i n gs i m u l t a n e o u s l y , w h i c hp r o v e st h a tt h i st h e o r e t i c a l a n a l y s i si sp r a c t i c a b l e f i n a l l y , t h eo p t i c a ld i f f r a c t i o nt h e o r y , w i t h o u tc o n s i d e r i n gf o c u se n 0 r ，c a n n o t d i r e c t l ya p p l yt ot h ed i s p l a c e m e n to fd i s k 砀eo p t i c a li n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no nd e t e c t o r u n d e rd i f f e r e n td e f o c u s i n ga m o u n ti sd e d u c e do nt h eb a s i so ff r e s n e lf o r m u l aa n ds c a l a r d i f f r a c t i o nt h e o r y n 圮s i m u l a t i o nc u i v e sw h i c hi n d i c a t eh o wt h ef o c u se r r o ri n t e n s i t y v a r i e sw i t hd e f o c u s i n gs i g n a l s i nt h ee n d ，s i n c et h ed a t ab i t sa r es t o r e dw i t h i nt h em e d i a , l a s e rl i g h tw i l lp a s s t h r o u g ht w ok i n d so fm e d i a ( s u c ha sa i ra n ds t o r a g em e d i a ) 、析t hd i f f e r e n tr e f r a c t i v e i n d e x t h em i s m a t c ho fr e f r a c t i v ei n d e xw i l li n f l u e n c et h ea b e r r a t i o na n di n t e n s i t yi n s h i t h ef o c u s t h i sp r o b l e mh a sb e e na n a l y z e db a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d c o m p u t e rs i m u l a t i o n i nc o n c l u s i o n , s o m ea s p e c t so ft h r e e d i m e n s i o n a lo p t i c a ls t o r a g es y s t e mh a v eb e e n i n v e s t i g a t e d ，w i c hw i l lb eh e l p f u lt op u tt h r e e d i m e n s i o n a lo p t i c a ld a t as t o r a g em e t h o d i n t op r a c t i c e k e yw o r d s ：t h r e e d i m e n s i o n a lo p t i c a ls t o r a g e ，d i pi n c i d e n c e ，d i f f r a c t i o nt h e o r y ，l i g h t i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o n ，r e f r a c t i v ei n d e xm i s m a t c h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名鱼鸯左 吼聊年歹肌日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 躲雌 导师签名：盈堕笪军 日期：为q 年歹月日 第一章绪论 第一章绪论 本章阐述光存储技术的起源与发展，对其研究现状进行综述，并对目前国际 上高密度光存储的最新技术和几个主要研究方向进行介绍，并展望其发展趋势， 最后简要介绍本文研究的主要内容。 1 1 课题的目的和意义 进入二十一世纪后，随着科学研究和信息产业的迅猛发展，人类已进入经济 信息化、信息数字化的高科技时代。信息技术已经成为国家经济发展、社会进步 及国防实力增强等不可或缺的技术之一。由于信息的多媒体化，简单的数据、文 字、图像、声音等小数据量信息己经不能满足社会信息化的需求，人们不断追求 具有大数据量的活动图像和高清晰图像，加之信息更新速度的加快，这无疑使得 信息量以惊人的速度增加。 同时，随着信息网络技术不断发展，网络已经进入了千家万户。在信息社会 中，其中最具代表性的是电信、广播电视和计算机三大网络融合成为统一的、综 合的、多功能的“信息高速公路”。在“信息高速公路 中，人们必须考虑如何有 效地存储和管理越来越多的数据信息，如何更充分地利用信息存储空间。于是，? 信息的获取、传输、存储、显示、处理等技术得到了快速的发展。它们之间是相 互关联、密不可分的。但在这几个环节中，信息存储是信息领域最重要的前沿技 术之一。在此情况下，光信息存储技术应运而生并迅速崛起，成为信息学领域继 电子信息技术之后新的发展方向。 以光盘为代表的光学数字信息存储技术自7 0 年代开始研究和开发，己经历了 近3 0 年的发展。作为继磁存储之后新兴起的重要信息存储技术。与磁存储相比， 光存储技术具有很多优点：( 1 ) 数据存储密度高、容量大、携带方便。( 2 ) 寿命长、 功能多、在常温环境下数据保存寿命在1 0 0 年以上。且可根据用途采用不同介质 制成只读型、一次写入型或可擦除型等不同功能的光盘。( 3 ) 非接触式读写和擦除。 ( 4 ) 信噪比高，可达5 0 d b 以上。( 5 ) 生产成本低，数据复制工艺简单、效率高。 由于光存储技术具有以上优点，因此近年来光存储技术取得了快速发展，其 中光盘存储发展最为迅速。近年来光信息存储不仅在技术上取得了重大突破，在 第一章绪论 商业性规模化生产方面也获得了巨大的成功，逐渐形成了一个引人注目的高科技 产业。现在，以光盘为代表的光学二进制数据存储技术己经成为人类社会在信息 时代中不可缺少的信息载体，并且因其渗透性极强和自成体系而倍受社会的关注。 现在，c d 和d v d 光盘己经成为记录音、像信息和计算机外部设备的基本设施。 在这些存储设备中，使用了激光束对信息进行记录和读出。但是在光数据存储中， 光存储密度最终受限于电磁波的衍射极限，每个数据位的尺度受所用光学系统衍 射极限的限制( 即使用无穷大物镜进行写和读操作，可以达到最佳分辨率的数据位 也不可能小于半个波长) ，现在己商品化的光盘和磁盘几乎己接近了这个极限。这 一点严重地限制了光存储面密度的进一步提高。 三维光存储与二维光存储相比具有以下优点：( 1 ) 巨大的信息存储量。从理论 上讲，在三维光存储中，信息点可存储在旯3 的体积内，存储密度可达到 1 0 1 3b i t s c m 3 ：( 2 ) 任意和并行存储：( 3 ) 高信息存储率和读出率、小尺寸且成本低 廉、相邻层信息间的串扰较小、可研制可擦重写型存储器。为进一步提高数据的 存储容量，克服存储密度对存储容量的限制，充分利用存储介质的空间，许多研 究人员在二维存储的平面之外，再附加上第三维，如：体空间的z 轴、频率等，即三 维光存储是对存储的维度进行扩展，将存储空间由二维延伸到三维，实现多层存 储，这大大提高了存储系统的存储密度和存储容量，而且使并行存储和读出、与 下代光电计算机匹配成为可能，是存储技术研究和发展的重要方向之一。 1 2 国内外现状及发展趋势 多波长多层光存储及其读写方法是由清华大学光盘国家上程中心发明的一系 列专利技术。并且容易与现行c d d v d 格式相兼容，其驱动技术也与d v d 相似，不 同的是需要加入分色镜和滤波色片来选择荧光，并需要校正物镜的球差。国外在 这方面未见报道。 1 9 9 3 年，日本大阪大学的k a w a t a 等人1 1 j 采用单光束双光子聚焦方式，在光致 变色材料二芳基乙烯衍生物中实现t 2 6 层位相单元数据存储，层间距为5 微米，信 息层间有窜扰。1 9 9 8 年，俄罗斯莫斯科州立大学k o r o t e e v 等人以p m m a 掺杂有机光 致变色n p 材料分子为存储介质，采用带隔离层的所i w 2 5 d 的堆积层盘片结构l 引， 实现了两层存储1 9 9 9 年，美国纽约州立大学hep u s a v a r 等人 3 1j 羽单光束双光子写 入和单光束荧光读出方式，实现了存储密度达到1 0 0 g b i t s c m 3 ，仅实现了四层光存 储。2 0 0 3 年，希腊佩特雷大学p o l y z o s 等实现了层间距为4 微米的三层光致漂白存 2 第一章绪论 储【4 。齐国生等人对葱衍生物体系光致变色材料进行高密度多层记录和读出。清华 大学的廖宁放等用单光束双光子在俘精酸配中进行了多层存储 1 9 9 4 年，j a a n i s o 等实现了室温下光子选通永久性光谱烧孔l s l 1 9 9 5 年，瑞 士联邦研究所的研究员通过给介质施加电场，在一个光谱烧孔中存储了6 0 0 0 幅全 息图。国内，长春物理所获得了室温寿命3 0 0 h 的永久性光谱烧孔 美国加州理工学院p s a l t i 博士领导体全息存储研究小组在l c m 3 的晶体存储材 料中记录和再现1 0 0 0 0 幅全息图。国内，清华大学和北京工业大学分别在妮酸铿和 掺铁妮酸铿晶体中实现了一千多幅图像的存储与恢复。 1 9 9 8 年，日本德岛大学的w a t a n a b e 等人1 6 且7j 在透明硅中进行了微爆研究并实现 了4 0 层微爆存储2 0 0 1 年，北京大学龚旗煌等) 用放大级飞秒激光 ( 1 0 h z ，1 2 0 f s ，8 0 0 h m ) 在石英、融硅中进行了微爆存储实验，研究了微爆存储特性。 2 0 0 2 年，澳大利亚的mg u 等首次用飞秒脉冲激光( 8 2 m h z ，8 0 f s ，8 0 0 n m ) 在掺杂的p m m a 中实现了两层微爆信息存储2 0 0 3 年，西安光机所的陈国夫等用放大级飞秒脉冲激 光在熔石英等中实现了多层微爆存储，并研究了微爆存储特性和工艺。 1 3 目前常用的三维高密度光存储技术 三维光存储从长远看代表着高密度光存储的发展方向，它将存储空间从二维 扩展到三维，可大大提高存储的容量和速度。目前国内外实现三维光存储的途径 主要包括双光子吸收三维体存储【2 】【6 引、多波长多层光存储、全息三维存储、光谱 烧孔三维体存储【4 l 及飞秒激光三维信息存储等。 1 3 1 多波长多层光存储技术 多波长多层光存储【8 】【9 1 0 】技术采用不同敏感波段的多层光致变色材料作为记 录层，用多种波长激光通过合色和分色装置实现多记录层的并行读写，将光存储向 频率维进行了扩展；通过控制记录层的厚度总和在焦深之内实现了对多个记录层的 统一寻址：多波长在空间重叠，不但避免了系统体积的增大，而且使得存储系统的容 量增加。 多波长多层光存储的特点是： 有效增加光盘存储容量。若第1 1 个记录层容量为e 比特，采用n 层存储后容量 可增加到罗一e 比特。 - 一一= i ” 三i 电子科技大学硕士学位论文 提高数据读写速度。在多波长多层光存储中，对多个记录层的读写是并行的， 因此读写速度可显著提高。 可通过层间编码提高编码速率，减少冗余数据，进一步提高存储容量。 可直接在商用盘基上旋涂制造盘片，工艺简便，并可利用现有设备。 可与现有光盘良好兼容。 1 3 2 双光子吸收存储技术 1 9 7 6 年，d y o n d e rl i n d e 首先提出了将双光子吸收应用于光存储的概念。双 光子存储，即利用双光子存储材料的基态分子在一定波长和强度光作用下，同时 吸收两个光子，从而产生分子结构的变化，并导致材料的吸收谱、折射率、荧光 发射等变化进行存储。与分子性质变化相对应，双光子存储可以有三种读出方法， 即荧光读出、折射率变化读出和非线性吸收读出。双光子吸收是一个非线性过程， 要求两个光子同时吸收，而不是光子的累积。具体实现上是：一束平面光用于选择 工作面，而另一激光束则照射在已选择的面上实现读写。也可通过二元光学器件 将两种不同波长的光通过不同路径会聚在同一焦点，使得只有焦点处存在两种波 长的光子并发生反应，而其他感光层由于没有两种波长的光同时存在，而不发生 反应。 根据两种光子同时作用于某种介质时，能使原子中某一特定能级激发到另一 稳态，并使其光学性能发生变化的原理，当两个光束从两个方向聚焦至材料的空间 同一点时，便可实现三维空间的寻址与读写。 当一束聚焦的高斯光束入射到吸收样品中，对于与入射光强成线性关系的单 光子吸收激发，每一层介质的粒子都可能发生光子的吸收和激发。线性激发对相 对于焦平面层的上层和下层存储数据发生强烈的干扰。对于吸收率与入射光强度 的平方成正比的双光子吸收激发，每层的净激发与该层离焦点距离的平方成反比 【1 1 1 。因此，能够将信息写到某一特殊的焦平面层而不会对超过瑞利范围的邻近层 发生串扰现象。具有双光子吸收的光致变材料的发现，为逐点三维存储提供了实 现的可能。以光致变色为基础的数字存储技术，利用光子作用下发生的化学变化 实现信息存储，是一种光子吸收的存储技术，它的反应时间极短( 皮秒或飞秒) ， 能够实现高速存储；此外，由于这种反应建立在分子尺度上，因此理论上可将单 个信息符尺寸缩小到分子量级，从而有利于大幅度提高介质的存储密度【1 2 j ，实现 高密度存储。 4 第一章绪论 1 3 3 全息三维光存储技术 全息数据存储f 1 3 1 4 1 5 】的概念是美国科学家p i e t e r 于1 9 6 3 年提出的，基本原理 是一束经过空间调制而携带信息的物光束( 0 ) 与另一束以特定方向入射到材料中 的参考光束( r ) 在存储材料中相交的空间中发生相干形成明暗交替的干涉条纹，条 纹轨迹取决于两光场的相对位相：两光束位相相同的地方是亮区，位相完全相反的 地方是暗区干涉条纹被存储材料以折射率或吸收等性质的变化记录下来，在材料 中形成类似光栅的结构数据图像。数据图像包含了物光和参考光的振幅和相位信 息。不同的数据图像与不同的参考波面一一对应。读出过程利用了光栅结构的衍 射，用与参考光相同的光源从相同的角度入射到存储材料中时，使衍射光束经受 空间调制，从而较精确的复现物光束的波面，在强度上通常比原来的物光要弱。 通过一个面探测器( 通常是c c d ) 读出存入的数字信息的图像。用不同角度或位相的 参考光束，或用不同的记录光，在存储介质中遍布全息图就形成了体积( 三维) 全 息存储，每一幅全息图都可以在适当的读出条件下分别读出。全息图是相干光束 在相交空间产生的干涉图，每一位的信息都分布在整个体积中，故记录介质局部 的缺陷和损伤不会引起信息丢失。 全息图的正确读取依赖于读出的干涉图像与写入信息是否相同。如果在这过 程中干涉图像改变，重现的图像将与输入数据不同。此外，记录和读出时温度的 不同将明显地通过热膨胀作用产生不良的结果。体全息存储发展的关键是获取合 适的存储材料及存储的信息稳定，为使全息存储变成有效的技术，要求存储材料 几乎没有缺陷。 1 3 4 光子选通光谱烧孔光信息存储技术 固体基质中的掺杂分子由于局域环境的差异出现能级的非均匀加宽，当用窄 频率带激光照射后，在掺杂分子吸收带内，在激光频率处出现吸收的减小。这种 现象叫光谱烧孔。由于可以通过改变激光频率在吸收带内烧出多个孔，即利用频 率维数来记录信息，从而可在一个光斑存储多个信息。如果上述光化学或光物理 反应可以长时间保存，则孔可以长时间保存称之为持续光谱烧孔。 1 9 8 5 年w e m o e m e r 提出光子选通光谱烧孔的存储方式，他将频率作为附加 的第三维存储因素，在同一空间区域上，用某一频率的强光照射介质，使介质对 这种频率光的吸收达到饱和，测量介质对一定频率范围的光线的吸收光谱，可以 读出写入的光频率，用这种方法进行的数据存储可使存储的密度提高数千倍以上。 电子科技大学硕士学位论文 目前，光谱烧孔光存储的研究主要是用2 类材料：s m 离子掺杂的无极材料以 及电子转移反应得到的有机材料体系。由于目前材料的电子俘获陷阱不能深，因 而烧孔的孔深较浅，随着温度的升高，孔宽度将逐渐增加，当温度达到室温时， 孔会被填平而消失。要做成实用的存储器，要求材料的荧光线宽与孔宽的比值大， 能在高于液氮温度形成为数很多的孔，并且形成的孔能在室温下保存，因而寻找 室温下能永久性烧孔的材料是关键。普遍存在着工作温度低、孔的稳定性差等问 题。要使光子选通光谱烧孔存储付诸应用，必须解决室温写入和长久保存的问题。 1 3 5 飞秒激光微爆三维信息存储技术 微爆三维光存储是以飞秒激光作为信息写入光源，利用存储介质对强飞秒脉 冲激光的非线性吸收现象，进行光数据存储的。当携带有信息的飞秒脉冲被聚 焦到绝缘的透明介质体内，由于非线性作用使得原本透明的介质【1 6 j 【1 7 】在局部变得 不透明，激光能量被强烈吸收并沉积到物质内部，导致焦点处物质直接汽化，在 介质体内产生一个微小( 小至亚微米尺度) 的空腔结构，移动脉冲激光在介质体内 的聚焦点位置，可以在透明介质的三维空间范围内实现多层空腔结构。因此，空 腔的有无可实现二进制信息存储。这种存储方式折射率对比度高，用普通可见光 照射，通过对记录数据的透射光强度的测量可以实现对记录数据的读出。 目前基于光子吸收、全息存储及光谱烧孔等三维光存储技术在理论和实践上 都在不断取得突破。实际上，在d v d 中已走向了多层和多面存储，如单面双层的 d v d - 9 和双面双层的d v d 1 8 等。虽然它还不是真正意义上的三维存储，但它反 映出光存储正在努力突破二维存储的极限，实现更大的存储容量。由此可见，虽 然目前三维光存储在实用化和产业化的过程中仍然有许多问题需要解决，但在需 求的巨大刺激下，三维存储技术将得到巨大的发展并应用到信息存储领域。 1 4 论文的研究意义和主要研究内容 超高密度大容量数据存储始终是信息科学中不可缺少的关键研究领域，在国民 经济建设及现代军事科学技术中具有十分重要的地位，是信息社会和知识经济迅 速发展的重要支撑技术之一。本课题主要围绕高密度光存储技术中多层( 多波长和 双光子) 技术展开研究，其目的在于通过对这些技术的研究，掌握并发展其中的关 键技术，为进一步提高光存储容量提供技术支持。 本论文对三维多层光存储系统( 多波长多层和双光子) 的研究及计算机仿真 6 第一章绪论 的研究，主要做了以下几个方面的工作： 1 设计一个多层光存储介质，并对光盘的设计要求和分析方法加以理论分析， 使得设计的多层存储介质满足一定的波长对应特定层，并对多波长多层光存储系统 引入了一种新的斜入射的调焦技术，克服了层间串扰的困难，达到分离每一层的信 号和对任意层面进行选址的目的；从而保证了各层信号分离和信号强度的要求。 2 多波长多层光盘存储系统中，聚焦物镜必须能够对不同波长的光消色差，利 用c o d e - v 软件设计了复消色差物镜。 3 以衍射光学为基础，详尽地分析了光束孔径匹配对光斑尺寸，物镜焦深的 影响，并对激光束的准直系统进行分析设计。 4 从波像差的角度出发，并采用z e m i k e 多项式作为工具，推导出了光学读取 头的总体像差容限要求，并利用光盘的衍射理论，研究讨论了各种因素对光信号强 度的影响。 5 由于现有光盘的衍射理论是基于聚焦误差为零的基础上，当存储系统处于 离焦状态时，原理论分析不再适用。为此本文基于菲涅耳公式和标量衍射理论，分 析了不同离焦状态时，探测器上的光强分布情况，并模拟了聚焦误差信号与离焦 信号之间的关系曲线。 6 对双光子存储系统中存储分辨率和信息读出信号强度的影响因素进行了理 论分析，估算存储系统能实现的分辨能力：并对双光子存储系统的折射率不匹配所 引起的像差和存储点强度问题进行了理论分析和计算机仿真。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章三维多层光存储系统的分析设计 2 1 三维光存储系统的组成原理图 该系统利用不同频率的光波不发生干涉这一有利特点，采用多波长激光进行 三维立体分层记录信息，n 种不同波长的激光从激光器中发出，各波段激光在子午 和弧矢面上的发散角度不同，方向相互不平行，经过整形和准直系统并合光后，成为 方向完全重合的圆形平行光束，然后再经过复消色差物镜系统聚焦于光盘上的同一 点，被相应的记录介质吸收能量后反射，多波长光束回到主光路后按照波长分光，然 后被不同的探测器接收读取信息。 1 | 凰斗 睦蠹箬童j 隧麴 阂 圜斗 234 图2 1 三维信息存储系统的组成图 1 半导体阵列激光器2 准直器3 合色器 5 四分之一波片6 聚焦物镜7 多层光盘 6 小洲焦i ，道伺服 4 多波长偏振分光镜 8 阵列光电探测器 此系统由四部分组成，第一部分：光源及准直器；第二部分：合分光( 束) 系统( 图 中蓝框部分) ；第三部分：聚焦物镜及调焦寻道伺服；第四部分：误差伺服及探测器。其 中第一、四部分基本上可以引用已有光盘中的相关技术，第二、三部分则因为多 波长而带来了一些需要研究的新问题，它们是关系多波长读写头原理能否实现的 重要问题。 2 2 存储系统容量计算 7：上 第二章三维多层光存储系统分析设计 理论上每层的存储容量：= 掣b i t p i t c h ，去与去分另i j 为存储介质的最 r r 大半径与最小半径、是信息符的长度、肭是信息坑的宽度、层数：m 缈= 言盟、 “m ” 是光盘的厚度、是层的间隔，因此总的容量：= c 口榭缈。 此三维多层光盘系统中，以三层为例，采用5 3 0 n t o 、6 5 0 n t o 、和7 8 0 n t o 的半导 体激光光源，复消色差物镜的数值孔径取0 6 ，这样从理论上可以分别得到直径为 0 2 4 7 p m 、0 3 0 3 肛m 和0 3 6 3 1 t m 的光斑如果采用三波长读写光盘，信息坑宽度为 0 2 5 - - 0 3 6 5 t m a ，这样单面光盘的存储容量可超过2 0 g 。 2 3 多波长多层光存储介质的设计 多波长( n ) 多层( n ) 光存储系统是需要在光盘盘基上镀n 个记录层，且每个记录 层都在光学头复消色差物镜的焦深之内每个记录层都是由一种光致变色材料组成， 分别只能与一种激光发生作用，而对其它波长的激光全部透射；其设计思路是在基 ，片材料上镀多层膜，通过控制薄膜的厚度和折射率来计算出薄膜的光学特性i l 叫( 吸 收率、透过率、反射率) 使其各层对不同波长光的反射率，透射率在人为的控制范围 。内。 运用特征矩阵法可以计算一层或多层薄膜的反射，透射和吸收系数这种方法 虽然物理概念不明显，但确在数学上比较严谨而且带有普遍性，也易于应用计算机 进行计算。 当一束偏振情况已知的光入射到第s 层介质时，由波长和入射角可得特征矩 阵 1 4 1 ： i 。 - 二s i n 肛i 协 l c o s p s 式中，屈：三粤7 7 s c o s 见；t 为介质薄膜的厚度；厶为光在真空中的波长； 9 展 峨 傩 每 a 魄 _-_-_1-。_-_l i i 埏 电子科技大学硕士学位论文 仇= 亿一逛；而：见= a r c c o s 为第s 层介质内光的传播角；其中包为入射 介质中的入射角多层介质的矩阵为各层介质矩阵的乘积， m = m s m - 1 m - 2 鸩m 设空间某点光的磁场切线分量与电场分量的比鄙哦沪鬻( 2 - 1 ) 刚矿箍，卜褂阱 p 2 ， 式中巨、巨和e 分别为入射、反射和透射的电场强度幅值切向分量由上式 可得： 茎 = 心旭- t 尥鸠m 乏 c 2 哪 由式( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式可得到界面s 右边的总导纳为：矿= 鲁，这样即可求出幅 值反射系数为： 户= 詈善，则：能量反射系数r = h 2 = 静( 表示复数共轭) 胖卜端；撇秘 口= 襻n j b + c 嵩n 。b + 1 _ 南弘l 万稿j l l _ 可西j 式中r e 为复数的实部，通过上边的方法我们可以求出每层介质膜的吸收率。 下面以6 层光盘为例，说明光盘的设计要求和分析方法，设光强为厶的入射 光束聚焦在光盘内的第f 信息面上，反射后的出射光强为t ，则出射后光强的相对 l o 第二章三维多层光存储系统分析设计 值为l 例，如图2 - 2 i 。i = 4 s o = ( 1 一r ) 2 ( 1 一口) 墨 之= 厶厶= ( 1 - r o ) 2 ( 1 - r i ) 2 ( 1 - a ) 2 恐 毛= 厶厶= ( 1 一r o ) 2 ( 1 一墨) 2 ( 1 一是) 2 ( 1 一口) 3 恐( 2 - 4 ) i 4 = s , s o = ( 1 一r ) 2 0 一墨) 2 ( 1 一坞) 2 ( 1 一马) 2l - a ) 4 心 毛= l , l x o = ( 1 一民) 2 ( 1 一墨) 2 ( 1 一恐) 2 ( 1 一马) 2 ( 1 一r 4 ) 20 一口) 5 恐 乇= s u i o = ( 1 一r ) 2 0 一墨) 2 ( 1 一是) 2 ( 1 一马) 2 0 一心) 2 ( 1 一b ) 2 ( 1 一口) 6 r 其中r 为第一层光盘表面的反射率。r l 民为其余各信息面的反射率，口为单层 光盘的吸收率。 为了获得最大的光能利用率，计算中选择民= l ；为了方便电路系统对信号的 处理，希望光电探测器接收到各层的自动跟踪信号平均强度相同，既要求：= 一。， 由此可以得到计算各层信息面反射率的递推公式： 耻 + 丽1 吣l 2 ，3 ，4 ，5 ) ( 2 - 5 ) r = 圭( 色一历) 如果假设基片折射率为刀= 1 5 8 ，如果已知吸收率口和膜层的折射率为，第一层 表面反射率可以通过下面的公式求出： r 蜀 恐 恐 r j 恐 r 图2 - 2 信息面反射率计算示意图 电子科技大学硕士学位论文 r = ( ( 玎一n o ) ( n + n o ) ) 2 设满足：民= 1 ，= “条件的各信息面反射率由公式( 2 5 ) 和公式( 2 - 6 ) - i - 算， 结果如图2 - 3 所示： 墨= 0 0 0 4 ；恐= 0 0 8 2 ；恐= o 1 1 2 r 4 = 0 2 0 2 ；r = 0 3 4 9 ；民= 1 0 0 0 图2 3 各信息面的反射率要求 所以通过控制光盘内信息面的反射率，可以将各个信息层分开，也提高了聚焦 和信道跟踪信号的强度，因此可以达到明显的分层目的。 2 4 多层光盘调焦系统的设计 为了使激光束在光盘信 息层上聚焦成非常小的光点， 要求物镜与光盘问的距离很 小( 约1 0 m m ) 。为了保证聚 焦良好，调焦系统应能够保证矽 物镜与光盘间距离保持恒定， ” 使光盘的信息面始终处于焦 深之中。然而现有光盘的调焦 系统采用的垂直入射垂直反 射装置【2 1 1 【2 2 1 ，并不适用于多层 图2 _ 4 调焦系统的光路图 第二章三维多层光存储系统分析设计 光盘。对于多层光盘，这种装置将会导致调焦信号重叠在一起，另外，由于第一 层信号反射能量过大，其余几层，特别是最后一层，信号能量过小，因此无法分 离每一层的信号，容易造成误码，更无法进行选层，为了能够分离每一层的信号， 考虑采用斜入射的调焦系统，如图2 - 4 所示。 另外，考虑到接收器的大小，可以发现，当相邻两层之间的反射光斑通过调整光 路的参数，可以保证只有一层的光斑留在探测器，而另一层的光斑完全偏离出探测 器，因此，可以达到分层的目的后面第三章也对其在理论上面进行了分析。 2 5 光学头系统的设计 2 5 1 复消色差物镜的设计 在多层光盘系统中，复消色差物镜【2 2 2 3 】具有高分辨率能力和对多个激光波长 复消色差的功能，是光学头系统的关键元件之一。设复消色差物镜的数值孔径为 0 6 ，光盘感光材料层的总厚度只有2 1 a m ，为了有效地利用能量，要求复消色差物镜 。的焦深控制在2 1 x r n 左右；同时复消色差物镜的像差矫正状况要求轴上点接近衍射 极限，以确保数据读写的准确性；此外，根据实际操作的需要，物镜系统的后工作 - 距离应大于1 5 r a m 。在此前提下，尽可能缩短物镜系统焦距，从而达到消色差的要求， 7 利用c o d e - v 光学设计软件设计优化后焦距2 0 8 r a m ；总长度1 4 6 m m ，物镜后工作距 离为3 6 5 m m 。图2 5 是用c o d e v 软件设计的复消色差物镜系统的二维平面图；从图 2 - 6 的场曲图和图2 7 的色散曲线图上可以看出，这个复消差物镜基本上可以实现消 色差的作用。 图2 - 5 复消色差物镜系统的二维平面图 一一 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 6 复消色差物镜系统的场曲图 图2 7 复消色差物镜系统的色散曲线 1 4 第二章三维多层光存储系统分析设计 2 5 2 光学头光束孔径的匹配 光学头是光存储系统的核心器件，必须合理确定光源的光束孔径与系统的物镜 孔径比值，才能获得较小的光斑尺寸和合理的焦深本节从理论上详细分析了光斑 尺寸，焦深与光束孔径匹配的关系。 设入射光束为高斯光束，其截面光强，呈高斯分布，为了讨论方便我们定义引 入弯曲比t = d 6 d ，其中见为1 p 2 强度处的高斯光束直径，d ，为有限的透镜孔 径的直径。 物镜光瞳面上的复振幅分布为高斯分布 u ( ) = u oe x p 一( x 2 + y 2 ) 露 ( 2 7 ) 其中为束腰半径，且有= 见2 光瞳的透过率可以表示为 小珊咖，= 艇驯2 r ) 小一曲冉y 2 ) 西 咖，驯，护咖卜川唧愕例l 2 - 务fe x p _ 寺( 砖+ 训f y ) p ( 训 率取值与后焦面坐标关系为( z = 万x f ，乃= 考) ，即后焦面上( _ ，以) 点的复振幅 电子科技大学硕士学位论文 和位相正比于物体频谱所包含的频率分量( 正，) 的振幅和位相。当只考虑强度分 布时，前面的位相弯曲因子可取消 1 ( ) = 矧帆卟) ( 2 - 1 1 ) 由于u ( x ，y ) 和尸( x ，y ) 都具有员对称性，为了计算方便使用极坐标， 设： ，2 = x 2 + y 2 此时的傅立叶变换为汉克尔变换所取代 日 u ( ，) - o x v ( - ；2 露) ) = 帮 为了描述光斑的光强分布，以后的推导删去了不必要的常量因子和位相因子， u 和p 乘积的汉克尔变换【2 4 】的结果是两者汉克尔变换的卷积 ( 咖日俐= e x p ( - p 2 国0 2 ) 掌甥 其中p = x f g f ，是一阶贝赛尔函数，对上式进行归一化处理可得 ( 小e x p ( - p 2 2 - 2 ) 掣 ( 2 _ 1 3 ) 可以看出后焦面上的光强分布直接依赖于弯曲比t 的取值，卷积的结果是某种意 义上的平滑效应，它会使焦点能量分布更趋于分散。这是由于孔径的衍射效应造 成的。对于衍射受限系统，光斑直径和焦深分别表示为 d = k 旯n a a z = d n a ( 2 - 1 4 ) 其中k 为比例因子，名为激光的波长，n a 为会聚物镜的数值孔径，对公式 ( 2 1 2 ) 进行离散化数值分析可以得到取半值光强处的光斑尺寸时比例因子k 与弯 曲比丁的关系 1 6 第二章三维多层光存储系统分析设计 m 4 5 + 蔷务一丽0 3 2 2 2 5 协 结合公式( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) n - - - y 以得出如图2 8 的关系曲线，可以看出：弯曲比越小， 能量利用率得到提高，但光斑直径越大，焦深越大，从伺服的角度考虑希望焦深 大一些，而光盘高密度存储的特点，要求有较小的光斑尺寸，但光斑变大，存储 密度变小，所以必须优化弯曲比。同时兼顾光能利用率和光斑尺寸两方面的要求。 图2 8 光斑直径和焦深与弯曲比的关系 2 5 3 激光束准直系统设计分析 半导体激光输出的不是完整的球面波形，而是在平行和垂直于发射结的平 面上发