（光学专业论文）三维信息存储衍射理论分析及计算机仿真.pdf

摘要 本文基于传统的光盘记录技术因受激光衍射光斑极限的限制( 微米数量 级) ，存储密度有限，且其信息传输速率较低，故提出一种新型的三维存储技术。 它具有以下特点： 1 它具有三层信息存储介质，容量大。 2 利用保偏光纤对三种波长光的并行传输，使得平均寻道时间短，数据 存取速度快。 本文主要完成了三个方面的内容： 第一、设计了一个三维存储系统，并对系统的每个单元进行了阐述和分析。 创新之处是：采用能发出5 3 0 h m ( 绿光，1 5 m w ) ，6 5 0 n m ( 红光，1 5 w r y ) 、7 8 0 h m ( 近红外，1 5 m w ) 三种波长激光的半导体激光器阵列作为光源：信号探测器采 用能同时检测这三种波长的探测器阵列；采用保偏光纤对三种波长光的并行传 输：设计聚焦物镜的参数和三维存储介质的结构。 第二、对存储系统进行衍射理论分析。包括正则坐标的引入，信息单元的 周期排列结构简化，准直光束相对于光轴产生倾斜，相互调制和道间串扰等问 题。 第三、根据理论推导，进行了详细的仿真计算，并分析了影响光强分布的 诸多因素。 就文章提出的存储系统而言，能实现系统对三层信息的同时读写，既增大 了存储容量又提高了数据传输率。这种思路的提出，对今后进一步提高存储容 量与数据读取速率有一定的启发作用，为信息存储拓宽了发展方向。 文章的第四章得出的模拟结果表明：信息单元光强分布满足s t r e h l 判据， 说明了该系统能进行三维读写，验证了理论的可行性。 关键词：三维存储、保偏光纤、标量衍射理论、光强分布、计算机仿真 a b s t r a c t t r a d i t i o n a lo p t i c a ld i s cr e c o r d i n gt e c h n o l o g yh a sl i m i t e ds t o r a g ed e n s i t ya n d l o wi n f o r m a t i o nt r a n s f e rr a t ed u et ol a s e rd i f f r a c t i o ns p o ts i z el i m i t a t i o n ( m i c r o n o r d e ro f m a g n i t u d e ) a n e wt y p eo f 3 一ds t o r a g et e c h n o l o g yi sp r o p o s e di nt h e s i s w i t hf o l l o w i n gf e a t u r e s ： 1 i th a s3 - l a y e ri n f o r m a t i o ns t o r a g em e d i a ，w i t hl a r g ec a p a c i t y 2 t h r e ew a v e l e n g t h sc a l lb es i m u l t a n e o u s l yt r a n s f e r r e di np a r a l l e lw i t h p r e s e r v i n gp o l a r i z a t i o nf i b e r a sar e s u l t ，a v e r a g ea c c e s st i m ec a nb ed e c r e a s e d ，a n d d a t aw r i t t e na n dr e a ds t o r a g er a t ec a nb ei n c r e a s e d t h r e et a s k sa r ec o m p l e t e l yr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s 1 an e w3 - ds t o r a g es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n di t si n d i v i d u a lu n i ti s e x p a n d e do na n da n a l y z e d i t so r i g i n a l i t yi s ：t a k i n gt h r e e k i n d sw a v e l e n g t h s ( 5 3 0 n m ，6 5 0 n m ，7 8 0 h m ) o fs e m i c o n d u c t o rl a s e ra r r a ya sl i g h ts o u r c e ；ad e t e c t o r a r r a yw h i c hc a nd e t e c tt h e s et h r e ew a v e l e n g t h si su s e d ；t h r e ew a v e l e n g t h sa r e s i m u l t a n e o u s l yt r a n s f e r r e di np a r a l l e lw i t hp r e s e r v i n gp o l a r i z a t i o nf i b e r ；p a r a m e t e r s o f f o c u s i n go b j e c tl e n sa n ds t r u c t u r eo f 3 一ds t o r a g em e d i aa r ed e s i g n e d 2 b a s e do nd i f f r a c t i o nt h e o r y , t h e3 - ds t o r a g es y s t e mi sa n a l y z e d i ti n c l u d e s i n t r o d u c t i o no fc a n o n i c a lc o o r d i n a t e s s i m p l ep e r i o d i c a la r r a n g e m e n to fc o n c a v e p i t s ，t h ee f f e c t so ft h eo b l i q u i t yo fc o l l i m a t e db e a mt oo p t i c a la x i s ，a n dt h em u t u a l m o d u l a t i o na n dc r o s s t a l k 3 b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o ni sc o n d u c t e da n df a c t o r sw h i c h a f f e c t i n gl 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 t o r a g es y s t e mm e n t i o n e di n t h et h e s i sc a nr e a l i z et or e a da n dw r i t eo f3 - l a y e ri n f o r m a t i o nm e d i a ，s ot h es t o r a g e c a p a c i t ya n dd a t at r a n s f e rr a t ec a nb ee f f e c t i v e l yi n c r e a s e dr e s p e c t i v e l y t h i si d e ao f t h i n k i n gc a nb es e r v e da si n s p i r a t i o nt of u r t h e re n h a n c i n gs t o r a g ec a p a c i t ya n d i n c r e a s et h ea c c e s sr a t e ，a n di tc a nb ea d v a n c e dt h ei n f o r m a t i o ns t o r a g eo fw a y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t si nc h a p t e r4i n d i c a t e dt h a t ：l 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 e p 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 np e r f o r m3 - dr e a d i n ga n dw r i t i n g s i m u l t a n e o u s l y i tp r o v e st h a tt h i st h e o r ya n a l y s e sa r ep r a c t i c a b l e k e yw o r d ：3 - ds t o r a g ep r e s e r v i n gp o l a r i z a t i o nf i b e r s c a l a rd i f f r a c t i o n t h e o r yl i g h ti n t e n s i t yd i s t r i b u t i o nc o m p u t e rs i m u l a t i o n 1 1 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： 堇互坚圣 日期：牟年r 月口日 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) 签名：塾竺i 导师签名： 日期：协十年f 月 盟绰 电子科技大学硕士论文 第一章引言 光盘是利用激光写入信息和利用激光读出信息的光学信息存储器，因为它 也和磁盘一个样，也是做成盘子状，所以人们把它叫做光盘。在光盘上写入信 息的原理 1 _ 2 是利用激光照射在记录薄膜上时，在照射的位置上烧出小坑，或者 产生磁畴变化、相变，而没有激光照射的地方不发生这些变化。光强有变化的 和没有变化的分别表示“l ”和“o ”两个状态。激光束在盘面上扫描完毕，也 就完成了写入信息工作。 现代化的信息系统是由计算机集中控制管理，需要的数据从计算机数据库 取出，显示在终端屏幕上，经过处理的信息又送进计算机的数据库存储起来。 过去的计算机，其数据存储器主要是采用磁盘，它存储信息方便，又适合和计 算机及现代化通信设备联网。但是，当把它用于图像资料的存储时，就显得有 些“力不从心”。因为存储图像要求存储器有很大的存储容量。我们不妨算一 算，存储一页1 6 0 0 汉字的资料需要3 2 k b 的信息存储量，而存储一幅标准影像， 就约需6 0 k b 的信息存储量。因此，要信息高速公路能够高速率传输图像，需要 存储巨额信息的存储器。用普通磁盘恐怕比较难胜任，因为需要的磁盘太大了。 而光存储则可满足这一要求。 1 1 光存储技术的发展现状 1 1 1 国内现状 信息存储1 3 】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， 光存储是继磁记录之后新兴起的重要信息存储技术。近年来，光存储【4 4 j 不仅在 技术上取得了重要突破，在商业性规模生产方面也获得了巨大成功，逐渐形成 了一个引人注目的信息载体，并且因其渗透性极强和自成体系而备受社会关注。 我国对光盘技术及产品的研发、开发、生产及推广应用均已取得了显著成效。 2 0 世纪8 0 年代的光存储产品进入市场时，它比当时通常使用的紧密磁盘 具有高出一个数量级的存储密度。由于它采用非接触式读写操作，具有易于更 换盘片，保存寿命长，每位信息的成本低廉等优点而被认为是下一代数字存储 的主流产品。但是9 0 年代中期，由于磁盘技术得到了突破性的发展而使其记录 密度达到甚至超过了光存储的记录密度，另外由于光学头的质量比磁头大得多， 使得光存储的读写速度受收到了很大的制约。光存储技术将面临严峻的竞争， 如图1 1 5 1 所示。 电子科技大学硕士论文 图1 - 1 光盘与磁盘存储密度的增长 如何继续提高光盘存储密度已成为本领域中极为重要的研究课题，研究开 发新一代的高密度高速率数字光盘存储技术具有重要的现实意义。就光盘技术 与系统发展的潜能而言。在不久的将来，用户的所有信息，包括操作系统在内 的软件都可存储在光盘上，而不是用加载到h d d ( h a r dd i s cd r i v e ) 上，而且有可 能带来应用上的新概念，即每个人或部门只要单独携带自己的一张光盘，就可 以随时在任何一台计算机上运行自己独立的系统。有理由相信，新一代的密度 和容量更高的光盘会在多媒体应用方面起重要的作用，为下一代计算机增添新 的功能。总之，随着光盘存储技术的不断发展，光盘的可靠性、位存储价格、 可携带性、可重写次数、长期保存寿命等方面居于显著优势地位，在技术和市 场方面具有良好的前景1 6 。 在社会需求方面，近年来随着多媒体技术的发展，对计算机外存的容量和 速度提出了更高的要求。始于1 9 9 3 年的第一代多媒体技术，容量为6 5 0 m b 、 数据传输率1 m b p s 的光盘已完全满足要求。而预计始于2 0 0 5 年的第三代多媒 体技术，特别是三维动画的出现，预计要求外存容量至少为1 0 0 g b ，数据传输 率至少为5 0 m b p s ，现有的光磁软盘、磁光光盘婵】、相变光盘1 9 】均不能满足要求。 当然，光盘存储技术本身存在巨大的发展空间，随着高密度光存储技术研究工 作的进展，光盘存储将在容量、读写速度等方面不断提高并在数字存储领域重 新定位。 电子科技大学硕士论文 提高光盘密度和容量首先考虑的就是缩短所用激光器的波长和增大物镜数 值孔径，从第一代c d 光盘到v c d ，c d r o m ，c d r 、c d r w 到目前的d v d 1 0 q 3 l 光盘 再到新一代的蓝光光盘，它们的特性参数如卜1 表所示。 表1 - 1 光盘特性参数 技术手段 c d ，v c dd v d 蓝光光盘 镜数值孔径n a 0 4 5o 6o 8 5 激光波长x7 8 0 r i m6 5 0 n m 6 3 5 n m 4 0 5 n m 光斑直径1 7 4 a m 1 0 8 1 m 1 0 6 7 u r n 道间距1 6 1 u n 0 7 4 9 m 0 3 p _ m 凹坑最小长度 0 8 3 9 m0 4 9 r n0 1 6 p m 凹坑宽度 0 6 1 t m0 4 1 t m 0 2 6 r a n 容量 6 5 0 m b 4 7 g b ( 单层只读) 2 5g b 图卜2 为新一代的蓝光光盘( 图c ) 与普通密度的c d 光盘、密度较高的d v d 光盘记录信息符尺寸相比。 ( a )( b ) ( c ) 图1 - 2 普通c o ( a ) ，d v d ( b ) ，h c d c e ) 光盘记录信息符尺寸形貌比较 进一步提高光盘存储密度的基本方案是继续缩小信息符所占用的空间尺 寸，即加大光学头物镜的数值孔径和缩小半导体激光器的波长，这是当今提高 光盘存储密度和容量的主流技术。但这一技术路线发展至今所剩的空问已经不 大。例如上面介绍的蓝光光盘存储系统，其盘片覆盖层的厚度已降到0 1 m m ， 光盘具有较厚保护层的优点已逐渐消失，且继续大幅度地减小激光器的波长和 增大物镜数值孔径的难度很大，因此有必要采用新思路、新技术 1 4 - 3 6 寻求其它 提高存储密度和数据速率的途径，如图卜3 所示。 一一一 皇王型垫奎堂堡主笙奎 i 传统分辨率l = = = = = = = = = = = l 超分辩率 厂 广 f 维存储f = = = = = = = = = ：= f 三维甚至害维f 广 广_ i 光热效应l 匕= = = = = = = = = = = j 光量子效应i r 1r i 单光子l 匕= = = = = = = = = = ：= i 双光子 r 厂 l 二阶编码l 匕= = = = = 二= = = = = i 多阶编码l 厂 广 i 单通道i 匕= = = = = = = = = = = i 多通道i 图1 - 3 继续提高光盘存储密度与容量的各种技术战略 其中超分辨率技术的研究有两方面，一是采用近场技术。可以使数值孑l 径 超过1 ，甚至达2 3 ，所以信息符长度可同比例底减小，理论分析可达到4 0 h m 或更低。但这时物镜与光盘表面之间的距离趋于零，与目前光存储技术的要求 有距离，所以该技术最明显的用途是母盘刻录。其二是在盘片结构上作改进。 其他提高光存储容量最显著的方法是增加存储空间。另外，取消机械寻址可从 根本上改善寻址速度问题，但存储系统的结构也会发生重大变化；将信息存储 与处理相结合也是提高信息系统性能的重要方向。 近几年来，我国又在光存储领域取得一些突破性进展： ( 1 ) 在国家自然科学基金的连续资助下，中科院北京真空物理开放实验室、 中科院化学所、北京大学电子学系、北京大学化学学院科研人员组成的联合科 研小组，采用与国外不同的原理、设计和方法，设计、制备了一系列新型有机 复合和有机分子信息存储薄膜，成功地实现了超高密度的信息存储，在有机超 高密度信息存储材料领域的研究取得了突破性进展。2 0 0 0 年，他们在一种新型 有机分子薄膜上，利用扫描隧道显微镜( s t m ) 成功地实现了目前最小点径( o 6 纳米) 信息点阵的写入，相应的存储密度比国外1 9 9 8 年的结果提高了一个数量 级，是目前世界上信息存储密度最高的材料。在两个小时的扫描过程中，信息 记录图案非常稳定，没有发生可观察到的变化。同时他们在从小面积信息点阵 向信息存储器件发展方面，成功实现了较大面积晶态有序有机材料薄膜的制备 问题，为有机信息存储材料应用于信息存储器件迈出了重要的一步。这项基础 性、前沿性的研究成果，有望对新一代信息存储光盘的发展产生深刻影响，为 电子科技大学硕士论文 我国在该领域形成自己的理论，发展具有自主知识产权的信息存储材料和技术 打下了基础。 ( 2 ) 在国家自然科学基金和上海市科学技术发展基金的支持下，“蓝绿光 高密度光盘存储材料研究”项目组的研究人员在于福熹院士的领导下，经过3 年的努力，系统地研究了蓝绿光可录和可擦重写高密度光盘存储材料的化学成 分、微观结构、制备条件与其光学、光谱和光存储性能间的关系，取得了重大 进展：在蓝绿光无机光存储材料方面取得了一系列全新结果，有机材料用于蓝 绿光高密度光存储也取得了突破和创新，有多种材料可用于蓝绿光可录和可擦 重写高密度光盘存储。 ( 3 ) 清华大学研制的多波长多阶存储技术是国家重点基础研究9 7 3 项目 “超高密度，超快速光信息存储与处理的基础研究”阶段性突破。以国家光盘工 程中心主任徐端颐教授担任首席科学家的9 7 3 项目组经过3 年研究，取得了这一 独创性成果，并申报9 项中国专利和1 项美国专利。这项技术可以把普通c d 光 盘片的容量提高为目前的三倍，标志着我国光存储技术获得重要突破。 这项技术成果已经开始了正式的产业化进程，光盘驱动器，光盘录像机已研 制成功，普通光盘录像机只增加一个集成芯片，即可在容量为0 6 5 g 的普通光盘 上记录2 g 数据，录下3 个多小时的电影节目。用这种技术做成的光盘驱动器价 格与普通光驱近似，远低于d v d 光驱。 ( 4 ) 由部分家电企业和研究单位联合组成的北京阜国数码技术有限公司， 从1 9 9 9 年就开始这方面的探索。最终在2 0 0 1 年底研制新一代高密度数字激光 视盘系统e v d ，2 0 0 2 年4 月部分产品样品开始面世。与超级v c d 和d v d 相比， e v d 技术优势明显：容量比d v d 增高1 g ；采用最新编码技术，可满足画面清晰 度比d v d 高将近5 倍的要求；调整加大机芯光头发射功率，增强了读碟能力。 e v d 的出现从此结束了外国公司在这一领域的技术垄断。 1 1 2 国外现状 国外主要的光存储形式是各种d v d 光盘，在理论方面有如下进展： ( 1 ) 美国q u a n t e x 公司于1 9 9 8 年1 0 月在 o p t i c a lm e m o r yn e w s 上提出 了可通过对记录介质基片进行多层镀膜的方式实现多膜层记录，以提高其存储 容量。 ( 2 ) 新泽西贝尔实验室实现了利用了锥形光纤耦合物镜把激光聚焦到记录 膜层上，实现了激光束最佳光斑直径可达纳米级，为光纤耦合聚焦成微小光斑 提供了理论依据。 电子科技大学硕士论文 ( 3 ) 在国外，d v d 技术已实现两层信息记录，正向多层方向发展。但由于 该技术没使用光的波分复用技术，而利用传统的光学读写头欲实现多层( 3 层 以上) 记录已经比较困难。 1 2 本文的目的、内容和意义 为了提高光盘信息存储容量和速率，本文提出了一个新的存储系统。其 主要表现在： ( 1 ) 光源采用能发出5 3 0 n m ( 绿光，1 5 r o w ) ，6 5 0 n m ( 红光，1 5 w m ) 、7 8 0 n r n ( 近红外，1 5 m w ) 三种波长激光的半导体激光器阵列；信号探测器采用能同时 检测这三种波长的探测器阵列。 ( 2 ) 采用保偏光纤作为光束传输的元器件之一。它能使红、绿、蓝光同时 传输。 ( 3 ) 光学头物镜采用特殊设计，能将红、绿、蓝三色光同时聚焦到相应的 信息层。 ( 4 ) 信息记录层采用三层结构。 这种系统能使信息存储容量增加到1 1 4 g b ，同时还能提高数据传输速率到 3 2 m b s 。 在光盘存储技术中，光学头是关键性部件。光学头的功能通过其光学系统 来实现，最终检测出光盘信号以实现信息的读取。由于光学头存在各种波像差、 焦差、及跟踪伺服系统的寻迹误差，将明显地影响光盘信息的写入和读出，为 了得到可以检测的、信噪比高的理想信号，利用衍射理论，研究各种因素对光 信号提取的影响显得必要。 若对假定的理想模型找出光信号受影响的诸多因素，得出其物理模型的光 信号强度表达式，对优化设计，具有普遍的指导意义。 本文正是基于上述目的，在光的衍射理论中利用正则坐标，对p r o f h h o p k i n s 理论中的检测信号表达式进行了改进，按下述三个主要步骤进行计算机模拟： 1 ) 从激光光源发出的光的幅值分布开始，计算出扫描光点在物镜焦平面上 的幅值分布。 2 ) 由光盘结构引起光的衍射( 假设：光盘具有周期对称性分布，以简化模 型的计算，而该理论对更加复杂的模型结构仍然成立) 3 ) 检测器上光信号最终为：以径向和切向周期性为基础的傅立叶级数。( 有 电子科技大学硕士论文 利于用计算机软件进行模拟) 为得出傅立叶级数系数的表达式，主要难点归于两个积分： 1 ) r ( m ，竹) 2 ) d ( m ，n ，m ，n ) 其积分域为三个位置变化的单位圆的交叉重叠区域，该重叠域变化情况即使对 简单的具有周期性对称分布的光盘形式来说，也具有三百多种情况，而对更加 复杂的光盘结构形式将会有几百甚至上千种情况，若再涉及诸因素综合影响， 则变化情形会更加难以计算。 用人工直接输入重叠区域的网格位置变化数据来进行数据积分运算，费时 费力，且精确度不高。采用计算机模拟，自动对交叉重叠积分域划分等面积的 若干积分网格，并定出网格中心位置，自动判断网格中心是否位于积分域内， 以进行该积分的数值计算的方法。该方法完全由计算机自动处理，精确度高， 运算速度快，对光学传递函数口7 瑚】的计算具有普遍性意义。 文章提出的存储系统，能实现系统对三层信息的同时读写，既增大了存储 容量又提高了数据传输率。这种理念的提出，为今后进一步提高存储容量与数 据读取速率开辟了新的思路。 1 3 计算机环境 在t u r b oc c + + 进行运算得出数据并进行存储。 在m a 廿a b 中调用存储数据，进行仿真。 电子科技火学硕士论文 第二章三维信息存储系统的读写原理 2 1 三维信息存储系统的组成 三维信息存储系统【3 9 郴】的组成如图2 - 1 所示。 图2 - 1存储系统原理图 1 半导体阵列激光器 2 准直、整形透镜 3 偏振分束器( p b s ) 4 起偏器 5 耦合物镜6 保偏光纤 7 光学读写头8 聚焦透镜 9 光电探测器 阵列 1 0 三维记录介质 2 2 光盘系统光学单元技术4 6 】 2 2 1 光源 采用能发出5 3 0 n t o ( 绿光，1 5 m w ) 、6 5 0 n t o ( 红光，1 5 w m ) 、7 8 0 n m ( 近红 外，15 m w ) 三种波长激光的半导体激光器阵列。 2 2 2 准直、整形透镜，分束器，起偏器 1 准直和整形 由于半导体激光器发出的光束呈发散状，为了充分利用其能量，必须进行 准直使之成为平行光束，常用透镜实现在相互垂直的两个方向上准直，或用柱 面透镜实现单方向准直。而垂直方向不改变形状。 由于椭圆光束不利于能量的充分利用，常须将椭圆光束整形成圆形光束， 电子科技大学硕士论文 即在单方向，如椭圆短轴进行扩束长轴进行压缩，即可实现光束圆形化。常用 单棱镜、双棱镜实现光束的整形。 2 偏振分束器( p b s ) 原理如下：单色平行的自然光垂直入射到棱镜的一个表面时，它能使透射 光束为直线偏振光，振动方向在棱镜的主截面内；反射光束也是直线偏振光， 其振动方向垂直于棱镜的主截面。 偏振分束器按7 8 0 r i m 的光束选择。即7 8 0 r i m 的光束透射过偏振分束器后， 光强晟大。 3 起偏器 起偏器的作用是滤去与纸面垂直的偏振分量，保证三个波长的光以同一偏 振方向( 纸面内) 在保偏光纤中传输。 2 2 3 保偏光纤、聚焦物镜 1 保偏光纤 4 7 - 4 5 1 一般的轴对称单模光纤，可以同时传输两个线偏振正交模式或两个圆偏振 正交模式。若光纤是完全的轴对称形式( 几何形状为理想圆，折射率分布均匀) ， 这两个正交模式在光纤中将以相同的速率向前传播，因而在传播过程中偏振态 不会变化。实际的光纤由于多少同时存在着非轴对称性和弯曲，因而两正交模 式在传播过程中会发生耦合，其结果是：使光波的偏振态在传播过程中发生 变化；使光波在传播过程中发生“偏振( 模) 色散”，从而限制了单模光纤的 信息传播速率。因此一般的单模光纤不能用于传播偏振光，为此发展了能维持 光波偏振态的偏振保持光纤，即保偏光纤，其中包括高双折射光纤和低双折射 率光纤。 一般单模光纤双折射的定义为：两正交模式传播常数之差，即卢。卢，。模 双折射，又称归化双折射，其定义为 b ：丝：堡二鱼：竺卫 几；( 以+ 肌) “ 保偏光纤按日值大小分成低双折射光纤和高双折射光纤两类，后者又有单偏振 光纤( sp ，s i n g l ep o l a r i z a t i o nf i b e r ，只传输两个正交模中的一个) 和双偏振光纤 ( t p t w i np o l a r i z a t i o nf i b e r ，能同时传输两个正交偏振模) 之分。我们采用低 电子科技大学硕士论文 双折射光纤。 2 聚焦物镜 聚焦物镜将光束聚焦到光盘上，具体参数设计见2 2 5 。 2 2 4 光探测器阵列 光探测器阵列是一种光敏元件。受到光照射时能产生电动势效应，称为光 生伏打效应，能将光能直接转换成电能，也常叫光电探测器。常用光电二极管 探测器的光敏波长范围为3 5 0 l l o o n m ，符合半导体激光器的波长范围。高纯 度磁光器件灵敏度很高，若用1 0 m w 的光照射在l c m 2 面积上，能感知i n w 的 能量变化，其线分辩率可达0 1 l x m ，恰好符合光盘径向跟踪的要求。 2 2 5 三维存储介质 作为记录层，它是一种染料记录介质【4 9 1 。其记录机理是：当激光从保偏光 纤进入到物镜时，因为对于同一个透镜，不同波长的光束有不同的焦距，所以 经过物镜时，它们具有各自不同的会聚点，具体来说：不同的波长对应不同的 记录层，激光经调制后，经过系统光路，在伺服系统的控制下，实现对信息的 并行读写。在增加存储容量的同时，也提高了数据传输率。为了减小层间串扰， 我们可以选择波长分别为5 3 0 n m ，6 5 0 n m ，7 8 0 n m 作为对应不同信息层的工作波 长。 三维存储介质大概结构如图2 - 2 所示( 这里只显示两层结构，第三层与第 一、二层结构相同) 。存储方案见图2 3 。 1 0 电子科技大学硕士论文 图2 - 2 存储介质结构 图2 - 3 读写方案 第二、第三层之间的间隔层由相应波长的焦差决定。由于采用5 3 0 n m 电子科技大学硕士论文 6 5 0 n m ，7 8 0 n t o 三种波长作为记录信息的波长，所以下面将推算每种波长对应 的焦距，以及相应的焦差( 即间隔层厚度) 。其中三种波长的折射率( 聚焦物镜 的材料选择为：z f l 2 重火石玻璃) 分别为： 九= 5 3 0 n mn = 1 7 6 1 8 2 0 入= 6 5 0 n m r l = 1 7 5 4 8 5 6 = 7 8 0 n m n = 1 7 4 9 1 0 3 根据 厂2 丽1( h 一1 ) ( 二一二_ ) r 2 ( 2 1 ) 在( 2 一1 ) 式中，因为透镜置于空气中，故物方和像方的折射率都为1 。n 代表物 镜5 0 - 5 1 1 折射率，n ，r 2 分别表示物镜的两个曲率半径，如图2 - 4 所示。 图2 4 聚焦物镜衄率半径 为了计算出第一、二层，第二、三层之间的间隔层厚度，我们在t u r b o r c c + + 语言环境下编出以下程序。 # i n c l u d e # i n c l u d e 撑i n c l u d e # i n c l u d e # i n c l u d e m a i n ( ) c l r s c r ( ) ； i n t i ； d o u b l ef 【3 】，r 1 = 1 0 ，r 2 = - 9 ，f ； d o u b l en 3 】2 1 7 6 1 8 2 0 ，1 7 5 4 8 5 6 ，1 7 4 9 1 0 3 ； d o u b l ek = 1 r 1 1 r 2 ； 电子科技大学硕士论文 f i l e + f p ； f p = f o p e n ( ”d ：t x t ”，”、+ ”) ； f o r ( i 2 0 ；i = 2 ；i + + ) f 【i = 1 ( ( n 【i 】一1 ) + k ) ； c o u t f l i ； c o u t 簧 i 一色h h 7 磊 e 图3 - 2 离轴情况 q ， 0 7 e 为入瞳的轴向中心点，从轴外点q 发出的中心光线q e ，通过光学系统 后，入射到像平面o q 上的q 点，当e 不在物镜的前焦面时，这束光是非正常 入射。光束经q 点反射后在雪成像，与入瞳交于点豆。设豆的坐标为( j ，f ) ， 电子科技大学硕士论文 入瞳的半径为h ，当一束光从q 点出发，途经r 点，在像平面的o 点被反射后， 与入瞳交于点庶，则豆点坐标可表示为： i = 一x h歹= 一v h ( 3 - 2 7 ) 所以，当我们将入瞳的原点e 点移动到( 一i ，一歹) 处时，便可得到与简单情 况相同的情形。这时的交叉传递函数可写成 即 肿m 打) 2 n 山书强m 一詈扩争 ，+ ( 工一旦竺，_ y 一壁! ) 蚴( 3 2 8 ) pq 或将原点移动到 = m p ，y = 叫g ) ，则 肋 州) 2 旺_ ( m 申孵，m 功八x 一蚩，旷+ q v ) a x a y ( 3 - 2 9 ) 其结果只是将( 3 2 8 ) 式中的圆心( i ，刃移动到了( x = m p - 2 ，y = n q 一罗) 处，除此之外，重叠区域的值仍与前面叙述相同。如果光源q 关于入瞳不对称， 则光束的轴心光将与入瞳交于点磊，如果此点的坐标为： x o = 凰hy o = r o h ( 3 3 0 ) 那么光瞳函数中的r ( x ，y ) 就要写成 f ( x ，y ) ：e x p 一( 1 2 ) 仃【( x - x o ) ：+ ( y 一虬) 2 】) ( 3 - 3 1 ) 而前面的分析对此式仍然适用。 3 3 2 交错现象 交错时坑道的分布如图3 3 所示。 简单对称周期的凹坑分布的情形是：沿着“方向( 即同一信道方向) 对称 分布着坑点m = 0 ，1 ，2 ，且每个相邻的坑点中心距都为p 。沿着v 方向( 即 与信道垂直的方向) 同样对称分布着信道n = o ，1 ，2 ，。交错在某种意义上是 指相邻信道上的相应坑点沿着“方向错开了一个船距离，其余情况不变。因为 每个坑道的长度都经调制了，所以可用相应的长度成来表示坑点长方形部分的 长度。例如对于中心信道的第m 个坑点，其相应的坐标为u = m p ，长度参数 为： 8 m = f l 1 七m c o s ( 2 n - m p p ) 口为坑道长度平均值 电子科技大学硕士论文 m 为的调制幅度 p 为所在圆周的周期 s 图汹髓渤图 一p 叫 lnd d 露霹霹氐舟凇一 忐忒厂9 圆b 盎旦“ + y+ | 1 3 mk 图3 - 3 交错时的坑道排列 前面对于简单分布坑道的分析在这里也同样适用，我们让扁。( “，u ) 表示中 心信道的第m 个坑点( m p ，= o ) 的反射函数，定义坑外忘。( “，) 为零，当 把坑点m = 0 的中心作为坐标原点时，中心信道的反射函数可表示成： 氙 m p ，u ) ( 3 3 2 ) 第”条信道的反射函数可表示为： 氏( “一m p 一珊，u 一”g ) f 3 3 3 ) 它只是在上式的基础上沿着“7 方向移动了1 1 5 ，沿着u7 方向移动了w ，如此一 来，将所有的信道都考虑进来，则整个光盘的反射函数可表示为： k o ( “，d ) = 氪( “一m p 一珊，一n q ) ( 3 3 4 ) r o ( u ，u ) 就和前面在简单情况下分析的r ( “，u ) 相对应。上式的傅立叶反变换 为： 咤( x ，y ) = f e 艺艺氪( “一即一n s ，t ) - n q ) x e x p - i 2 z r ( u x + d y ) d u d