（物理电子学专业论文）波导多层光卡的存储机理与关键技术.pdf

波导多层光卡的存储机理与关键技术 摘要 三维光存储是数据存储领域一个重要的研究方向，本文研究了一种基于波 导多层存储原理的波导多层光卡的相关理论和技术问题。通过对光卡漏光机理、 光卡器件的制作、读出系统的研制等几方面的分析，阐述了波导多层光卡的存 储机理和关键技术。 本文介绍了几套可行的波导多层光卡制作方案及过程。实际采用单层写入， 多层粘合的方式，完成了五层波导光卡的制作，并对他们的数据读出效果进行 了实验观察。基于不同于现有光盘读出方式的侧面耦合及页面读出方案，我们 设计开发了一套适合于波导多层光卡的全新读出系统，并分析了波导多层光卡 读出系统对单元器件( 包括光学系统、寻址器件、信号读出与处理系统等) 的 基本要求。 波导多层三维光卡利用波导缺陷的漏光效应读出数据，如何提高漏光效率， 选择最佳参数制作光存储器件是波导多层光卡中一个重要的问题。根据波导多 层光卡单元与光栅结构的类似性，我们提出了一种简化的一维光栅模型用于研 究波导多层光卡器件的光传输及漏光机理，并结合传输线方程和微扰理论详细 计算和分析了波导多层光卡的传播模式和辐射功率及不同光卡参数对它们的影 响，得出了漏光效果与光卡材料折射率，信息坑深度，信道间距及占宽比之间 的关系，从而为波导多层光卡器件的设计优化提供了基本的分析依据。 关键词：多层光存储；波导多层光卡：数据记录；数据读出；器件制作；漏光 机理：辐射功率。 波导多层光卡的存储机理与关键技术 a b s t r a c t t h eo p f i c a it h r e e - d i m e n s i o nm e m o r yi sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l do fd a t a s t o r a g e a r e a t h i sp a p e rs t u d i e st h em e c h a n i s m s a n dt e c h n o l o g i e so fo p t i c a l w a v e g u i d em u l t i l a y e rc a r d ( o w m c ) ，w h i c hi sb a s e do dt h ep r i n c i p l e so fw a v e g u i d e m u l t i l a y e rs t o r a g e t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss e v e r a lf e a s i b l ew a y st of a b n c m et h eo w m cd e v i c e a c c o r d i n gt ot h ep r o c e d u r eo f m o n o l a y e r - r e c o r d i n ga n dm u l t i l a y e r - b o n d i n g ，w e m a d ef i v e - l a y e ro p t i c a lc a r d s ，a n do b s e r v e dt h e i rd a t ar e a d 吨p e r f o r m a n c e s b a s e d o nr e a d i n gm e t h o do fs i d e - c o u p l i n ga n dp a g e - r e a d i n g ，o w m cr e a d i n gs y s t e mi s d e s i g n e da n ds o m ec o n d i t i o n sa l ea n a l y z e dt om e e tt h ed e m a n d so fo w m c c o m p o n e n t s ，i n c l u d i n gt h es u b s y s t e m so fo p t i c s ，a d d r e s s i n g ，r e a d i n ga n ds i g n a l p r o c e s s i n g b e c a u s eo w m cr e a d sd a t av i a t h el i g h tl e a k a g eo fw a v e g u i d ed e f e c t s , i t sv e r y i m p o r t a n ti s s u e st oi m p r o v et h el e a k a g ee f f i c i e n c ya n do p t i m i z et h ep a r a m e t e r so f c a r ds t r u c t u r e a c c o r d i n gt ot h es i m i l a r i t yb e t w e e nm o n o l a y e ra n dg r a t i n gs t r u c t u r e s ， as i m p l e1 dw a v e g u i d e - g r a t i n gm o d e li s p r o p o s e d t o i n v e s t i g a t et h ew a v e p r o p a g a t i o na n dl i g h tl e a k a g e o fo w m c o u ra n a l y s i s i sb a s e do nt h e t r a n s m i s s i o n - l i n ee q u a t i o na n dp e r t u r b a t i o na p p r o a c h b yu s i n gt h i sm e t h o d ，w e a n a l y z e dt h ee f f e c t so fs t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h eo w m cp e r f o r m a n c e s ，o b t a i n e d t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h el e a k a g ee f f i c i e n c ya n dt h er e f r a c t i v ei n d e x ，p i td e p t h ，a s p e c t r a t i oa n dt h es p a c eo fs i g n a lt r a c k s i tp r o v i d e sab a s i ca n a l y s i sf o rt h eo p t i m i z a t i o no f t h eo p t i c a lw a v e g u i d es t o r a g ed e v i c e k e y w o r d s ：o p t i c a lm u l t i l a y e rs t o r a g e ，o p t i c a lw a v e g u i d em u l t i l a y e rc a r d ，d a t a r e c o r d i n g ，d a t ar e a d i n g ，d e v i c ef a b r i c a t i o n ，l i g h tl e a k a g em e c h a n i s m ，r a d i a t i o np o w e r h 果。 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已 经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了 谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子 版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文 进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行 检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解 密后适用本规定。 作者签名： 日期： 波导多层光卡的存储机理与关键技术 第一章前言 随着近年来计算机技术和互联网技术的迅猛发展，人们所获取、处理、传输、 存储的信息量正以指数方式日益增加。在信息技术的几个环节中，存储技术是其 中一个关键技术。如何提高存储器的存储容量和传输速率是存储工业中永恒的研 究课题，许多科学家和工程技术人员一直献身于这个领域。 根据记录方式不同，信息存储装置大致可以分为磁、光两大阵营。其中磁记 录方式历史悠久，应用也很广泛。而采用光学方式的记忆装置，因其容量大、可 靠性好、存储成本低廉等特点，越来越受世人注目。t f l 前普通的1 2 0 m m 的c d 光盘能存储6 5 0 m b ，d v d 光盘的存储容量单面单层已经达到4 7 g ，双面单层则 达9 4 g 2 1 。随着计算机技术，特别是多媒体技术以及网络的发展，需要处理和存 储的数据量大幅度增加。例如，一部普通长度的电影没有压缩的数据量将超过 1 0 t b 。大型探测器，如哈勃望远镜，所传回的数据量达到每天1 0 t b 。显然现在 基于二维方式的光存储器已难于满足这种日益增长的要求了【 j 。 当光存储发展到d v d 时，其记录符尺寸已接近了光学记录极限【4 】。根据光 的波动理论我们得知。在光的衍射极限下，光线的聚焦直径d 与光波长a 成正比 而与物镜的数值孔径n a 成反比，即d = o 6 1 2 n a ，存储密度正比于( n a 2 ) 2 。 在二维存储的前提下，传统的提高存储密度的方法将会变得非常困难。传统方法 是缩短激光波长和提高物镜的数值孔径。首先波长的减小毕竟有限，这不仅是由 于器件本身的研制比较困难，而且当波长达到紫外时，塑料盘基对光的传输性能 可能减弱，从而给应用带来困难。此外用于光存储系统中的大数值孔径的非球面 透镜的制作在工艺上比较困难。因此，突破这一存储极限，实现更高密度的存储 成为目前新一代光存储技术研究的主要内容【5 】。 1 1 三维光存储技术的发展 在衍射效应的制约下，传统的二维光存储几乎达到了极限。突破二维的限制， 合理利用三维空间，提供了实现高密度存储的一种良好解决途径【6 1 。从原理上讲， 三维存储有着巨大的理论存储容量。个记录点可存储于五3 的体积内，也就是 说，对于一个体积为v 的存储体来说，如使用的存储波长为兄，则其存储量可达 波导多层光卡的存储机理与关键技术 到矿，岔。例如，如选用波长为c d 使用的7 8 0 n m 时，一个1c m 3 的存储体可存储 2 x 1 0 1 2 位，即2 5 x 1 0 ”字节。相当于3 0 0 张c dr o m 盘的存储量。可见，三维 存储可在不改变激光波长的情况下，极大的提高存储密度嘲。而且，由于理论上， 其密度与波长的三次方成反比，因此与二维存储相比，缩短波长在三维存储中会 获得更大的收益。这一节将对现有的一些三维存储方法作一个简要介绍。 ( 1 ) 全息体存储技术【7 _ 1 ” 1 9 6 3 年，美国科学家p i c t e rj v a nh e c r d c n 曾提出了利用全息技术进行数据存 储的概念。光学体全息数据存储基理如图1 1 所示，可简单描述为：待存储的数 据( 数字或模拟) 经空间光调制器( s l m ) 被调制到信号光上，形成二维信息页，然 后与参考光在记录介质中干涉形成体全息图并被介质记录，利用体全息图的布拉 格选择性，改变参考光的入射角度或波长以实现多重存储。 图1 - 1 体全息存储原理图 光学体全息数据存储具有如下几个显著特征：数据冗余度高、数据并行传输、 存储密度高、寻址速度快、具有关联寻址功能。但全息存储实用化的困难仍不少， 例如全息图的寿命问题。全息存储器结构复杂、价格昂贵的问题都有待进一步解 决。所以获取合适的存储记录材料至关重要。 ( 2 ) 双光子多层存储技术 双光子多层存储技术( t w o p h o t o nm u l t i l a y e rm e m o r y ) 1 1 2 - 1 7 1 由 d a p a r t h e n o p o u l o s 等人提出。它的基本原理是根据两种光子同时作用于原子时， 能使介质的原予中某一特定能级上的电子激发至另一稳态( 双光子吸收没有中间 波导多层光卡的存储机理与关键技术 态，两个光子的波长可以相同也可以不相同) ，并使其光学性能发生变化，所以 若使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 与写入，读出。由于双光子过程只在光束的焦点或双光束的交点处才有较大的发 生几率，因而可以对空间中的点独立的寻址。这种方法能实现t b i t s c m 3 的体密 度。1 9 9 7 年，a s d v o m i k o v 等人( u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a , u s a ) 采用双光束写入、 单光束读出的方案，实现了多达1 0 0 层的三维存储实验【1 2 】。1 9 9 8 年，y k a w a t a 、 s k a w a t a 等人( o s a k au n i v e r s i t y , j a p a n ) 用双光子吸收技术，在光折变晶体 l i n b 0 3 ( i o 1 0 m m x 8 0 0 l 上i 】n ) 上进行了三维光学记录【j 。国内清华大学从1 9 9 5 年开 始这一领域的研究，在光色材料俘精酸酐中进行了双光子存储实验，开展了多色 多层存储技术研究，并获国家发明专利；中国科技大学开展了光致抗蚀剂双光子 存储和偶氮液晶聚合物非线性光存储实验：此外，中科院感光所还对双光子光色 存储材料的合成和制备工艺开展了研究。 ( 3 ) 荧光多层存储技术 f m d ( f l u o r e s c e n tm u l t i l a y e rd i s c ) 技术是在光盘片上的凹槽中置入某种荧 光性的聚合物，当激光照射到荧光性聚合物时，会发热并释放出一种频率不同于 激光的光线。而光盘机中的测光头会搜寻这种荧光而忽略激光，这样就可以不必 经过光反射的动作，而产生出可读的数字信号，如图1 2 。 图1 2 荧光多层存储原理图 2 0 0 0 年，美国c o n s t e l l a t i o n3 d 公司提出了荧光多层存储技术1 8 1 ，研制了 2 0 多层c d 密度的荧光多层存储系统( f l u o r e s c e n tm u l t i l a y e rd i s c ，f m d ) 。2 0 0 0 年 十月已制成5 0 g b 的数字视频光盘。十一月在c o m d e x 会议上，该公司称一层 c d 大小的光盘就可以存储1 , 0 0 0 g b 数据之多。荧光多层存储技术采用在信息坑 波导多层光卡的存储机理与关键技术 中填注荧光介质的方法记录数据。会聚光束照射于信息位时会激发出荧光由于荧 光的波长与激光的波长不同，检测器件通过感应荧光来读出数据。 荧光多层存储技术的优点在于：( 1 ) 损耗小。每一层都是透明的，层与层间 无反射界面。( 2 ) 灵敏度赢。只需吸收l 的入射光就能激发出荧光。( 3 ) 无串扰。 激发的荧光信号不会被其他荧光材料吸收。( 4 ) 数据冗余度高。能承受一定的光 盘或驱动系统缺陷。( 5 ) 兼容性好。能与现有的c d 、d v d 系统兼容。( 6 ) 并行读 写。数据传输率比单层光盘快得多。 影响荧光多层技术实用化的主要困难在于数据记录方法和存储盘制作工艺 复杂，对数据读出系统的灵敏度要求很高。此外荧光材料的选择也有一定局限。 ( 4 ) 波导多层光存储 2 0 0 2 年本课题组提出了波导多层光存储1 9 2 1 1 的概念。这种波导多层光存储 技术能够有效地抑制层间串扰。不仅如此，由于它所采用的新原理，它还具备一 些其它光存储方法所不具备的新特性。 波导多层光存储的基本原理【2 1 - 2 2 1 包括：利用波导缺陷记录数据；利用波导缺 陷的漏光效应读出数据：利用波导对光的空间约束作用抑制层间串扰。该方法可 以采用单光子记录材料，从而克服双光子记录方式设备和技术上的困难。读出数 据可采用传导光照明方式，通过收集波导缺陷漏出的散射光来读出数据，这样既 保持了发光型读出灵敏度高的优点，又不存在双光子技术中荧光读出的数据擦除 效应，同时也避免了荧光多层技术中复杂的数据记录方法和盘片制作工艺。而且， 如采用非相干光源读出，有利于提高系统灵敏度。波导多层存储方法已申请了国 家发明专利1 1 9 , 2 0 1 。 1 2 数据卡存储技术的现状与发展 随着信息技术的发展和人们生活的需要，便携式的数据卡应运而生。所有存 放了一定量信息( 数据) 的卡片型物件，我们通称之为数据卡。 光卡技术是计算机光盘存储技术的孪生兄弟，出现于八十年代中期，至今已 有二十多年历史，随着激光存储技术的成熟与推广，光卡技术也正以极快的速度 渗透到计算机应用的各个领域。与采用磁存储技术的磁卡和采用微电子技术的i c 波导多层光卡的存储机理与关键技术 卡相比，采用光存储技术的光卡具有以下特点：( 1 ) 存储寿命长。磁卡的信息一 般只能保存2 3 年。而采用光存储介质，寿命一般可在1 0 年以上。( 2 ) 存储密 度高。容量大、携带方便。目前i c 卡的存储容量最高为几百k b 。( 3 ) 非接触式 读写信息。用光束读写，不会磨损和损伤存储体，这不仅延长了存储寿命，而 且使存储体可以自由拆卸、移动和更换。( 4 ) 信噪比高，光盘的信噪比可达5 0 d b 以上，而且经过多次读写不降低。( 5 ) 单位信息的价格低。由于光学存储密度高， 其单位信息价格可比磁记录低几十倍。 光卡的核心制造技术掌握在世界上仅有的两家光卡制造公司手中( 美国l c c 公司和日本的c a n o n 公司) 。国内目前尚没有拥有光卡制造技术的企业，国内 的光卡完全通过进口，价格十分昂贵。目前的光卡采用两维存储数据，存储容量 受到限制，光卡读写原理和现有光盘的读写技术类似。 本课题组提出了波导多层光卡的概念，是对原有光卡技术的一个突破与创 新。波导多层存储的结构原理与上述的三维存储方法相比具有其独特的优势。基 于该原理制作的波导多层光卡因而也具有其很多优势，将在未来的存储领域占有 其重要的地位，得到广泛的应用。 下表比较了波导多层光卡、现有光卡、磁卡、i c 卡的主要功能 磁卡 i c 卡 现有光卡波导多层光卡 记录容量 7 2 bo 5 1 2 8 k b 4 0 0 k 2 8 m b1 0 m 以上 写入方式 磁头 电接触w o r m 型，激 直写，光刻 光r o m 型， 照相制版 读出方式磁头电接触 反射激光一电散射光信号一 流 图像数据信号 数据记录形式磁带磁极变化e p r o m或 光带上的陷坑任何形式的波 e e p r o m 反射率的差异 导缺陷 反复使用可以e p r o m 不可w o r m 型，可 r o m 不可再 以 再生型，不可 也 e e p r o m 可以 再生 安全性能 一般高 高 高 波导多层光卡的存储机理与关键技术 1 3 课题来源及其意义 波导多层光存储的课题得到了国家自然科学基金( 6 0 3 7 7 0 0 6 ) 和上海市科技 发展基金( 0 3 6 1 0 5 0 3 3 ) 的项目资助，属于原创性课题，处于国际前沿领域。沿着 这方向开拓，可以形成我国三维光存储研究的特色，具有重要的学术意义和技 术价值。波导多层三维光卡的课题同时得到南京师范大学学生科学基金 ( 2 0 0 4 x k o l 4 ) 项目资助。初期目标实现的波导多层光卡的信息存储容量可以达 到i o m - - 2 0 m ，约为现有光卡容量的2 3 倍。i c 卡容量的1 0 0 多倍，并且耐用 可靠，使用寿命长。利用不同的加密方式，可以具有极强的保密性和防伪功能。 由于寻址光采用侧面耦合的方法，可实现无机械运动和并行存储设计。如果设计 成无机械运动结构，将在航天航空等特殊领域具有重要的应用前景；如果同时采 用并行读写方式，数据传输速率也将可以大大提高。光卡有着极为广泛的应用前 景，可以用于身份识别、医疗保健等日常生活及工作的各个方面，携带方便，存 储容量搭，具有很强的实用性。因此，波导多层光卡技术一旦实现，将会带来良 好的经济效益。 1 4 本文主要研究内容 本人在导师指导下，围绕波导多层光卡的研制与开发，主要完成了以下工 作： ( 1 ) 开发设计了波导多层光卡的原理性实验，从实验上证实了波导多层存储 理论的正确性，并得到了很好的实验结果。通过对现有c d 光盘侧面耦合分辨率 实验，验证了波导多层存储方式实现高密度存储的可行性，为波导多层存储的实 用化提供实验依据。 ( 2 ) 探索了光卡的制作方法。选择了合适的光卡材料，信息记录方式，以 及多层光卡的粘贴方法。完成了初步的光卡存储器件。存储容量可达1 0 m 2 0 m ， 单片存储密度可达到准c d 密度。 ( 3 ) 将耦合理论应用到波导多层光卡系统中，为进一步提高波导多层光卡的 性能提供了理论依据。分析了入射光与波导的耦合条件，并通过实验完成了两者 之间的耦合，实现了波导多层光卡的层选址。同时研究了光卡的漏光机理，分析 波导多层光卡的存储机理与关键技术 了传导模式与辐射模式的耦合。推导出信息坑不同参数对读出信号漏光效率的影 响，为光卡器件的研制及性能的改善提供了理论依据。 ( 4 ) 设计了并行的页读出方式。选择了适合本光卡系统的页读出方式，这种 方式不同于现有传统的光存储系统的读出方式，对数据读出速度的增加以及信噪 比的提高都有帮助。 ( 5 ) 静态读卡装置的搭建。充分借鉴其他光存储技术的原理，参考它们写 入、读出、驱动、纠错所采用的方法，提出一些可以参考的适合于波导多层光卡 实际应用的读写方法、制作工艺及驱动技术，为进一步研制实用化波导多层光卡 奠定了基础。 以上几个方面都是与波导多层光卡器件研制紧密联系的几个方面。除此之 外，我们课题组还需解决以下几个关键技术：( 1 ) 继续选择合适的光学材料，研 究光卡的制作工艺，提高光卡的存储密度，增强读出信噪比；( 2 ) 改善耦合装置 及实现层选址的关键器件，提高耦合效率； ( 3 ) 完成光卡读出系统的制作，为 波导多层光卡实用化系统的推出打下基础。 波导多层光卡的存储机理与关键技术 第二章波导多层光卡的基本结构及原理 2 1 波导多层光卡基本结构 波导多层光卡存储器【2 l | 矧是由多片平面光学薄膜叠合而成的。图2 1 是一种 波导多层光卡的结构示意图，它可以看成是多个三明治结构单元的重复排列。三 明治结构单元的第1 、2 、3 层分别代表芯层、记录层和包层。相邻的3 2 1 3 层 组成完整的平面波导结构，其中记录层用于存储数据( 设信息符材料的折射率为 蜥) ，芯层用于传导寻址光束，包层起限光和隔离作用。由于是重复排列，且每 次寻址光束只照射到其中一个芯层中，下面描述原理时仅以其中的一个三明治结 构单元为例进行描述。为了清晰起见，在本文中我们提及的波导多层光卡单元即 指每一个三明治结构单元。 图2 - l 波导多层光卡的结构示意图( 三层数据) 1 芯层2 记录层3 包层 波导多层光卡的记录原理曙2 1 是利用波导缺陷来存储数据，即信息以波导缺陷 的形式被写在记录层中。任何能够使波导产生缺陷的方式，都可以考虑用来进行 数据记录。波导多层光卡的数据记录方法将在下一章波导多层光卡的制作中具体 说明。波导多层光卡的读出原理是利用波导缺陷对传导光的散射或泄漏效应：采 用侧面耦合方式实现层选址：利用波导对光的空间约束作用抑制层阃串扰。下一 节开始我们将具体说明波导多层光卡的读出原理。 波导多层光卡的存储机理与关键技术 2 2 数据读出原理 2 2 1 侧面耦合读出方式 波导多层光卡的读出原理包括利用波导对光的空间约束作用实现层选址和 利用波导缺陷的漏光效应读出数据。由于波导对传导光的限制和隔离作用可以有 效地抑制层间串扰。图2 - 2 是波导多层光存储器的读出原理示意图。如图所示， 光束从侧面耦合进入波导后，被限制在该层波导内传播，光传播到波导缺陷处时， 波导光的全反射条件不再满足，从而一部分能量以散射光的形式泄漏出去。当光 从波导中漏出后，沿垂直于波导平面的方向观察，数据以发光点的形式以较大的 反衬度在暗背景中显示，可以通过光电探测系统获取信息。 图2 - 2 波导多层光卡的读出原理示意图 为了有效地抑制层间串扰，在层选址时利用侧面耦合的方法，使激光束只 耦合进其中的一层波导中。要选择光卡的不同层，实现层选址，可以通过光源与 光卡的相对移动来完成。上图所示的是光源移动的情况，也可以通过移动光卡本 身来实现。但不管采用哪一种方式，探测器前会聚透镜的聚焦点要会聚到选定的 那层数据上，提高光束耦合进波导层的效率，这样才能提高本层读出信号的强度。 同时不会产生层间的串扰，最大限度地使探测器探测到漏出光。 这种读出方式的可行性已经在我们的原理性实验中得到证实，具体可以参 看文献 2 2 1 。 2 2 2 读出分辨率实验 我们利用刻有预刻槽的c d r 光盘进行了读出分辨率实验：用波长为6 5 0 r i m ， 波导多层光卡的存储机理与关键技术 功率为t o m w 的半导体激光器从侧面照射基底层，再在光学显微镜( o l y m p u s ， i x 7 0 ) 下观察，为c d r 光盘预刻槽的侧向耦合散射光照片。如图2 3 所示，可 以发现有很明显的信息槽。己知c d r 的槽间距为1 6 u m 。这个试验证实了侧向 耦合散射光读出方式这种方式可以读出分辨出c d 密度的信息，同时由于我们采 用多层的存储技术，最终波导多层光卡将具有高于c d r 光盘密度的读出能力。 图2 - 3c d r 光盘预刻槽的侧向耦合散射光照片 2 2 3 侧面耦合方式的特点 我们将侧面耦合方式与常规方式观察结果进行了对比。多层透射方式光源正 对薄膜表面照射，我们从薄膜另一面进行观察，通过薄膜透射光强的差异，反映 出薄膜表面的形貌。 ( i ) 图像对比度大 图2 - 4 是对压有信息坑的聚碳酸脂( p c ) 薄膜进行观察的实验对比照片。( a ) 为多层透射方式，( b ) 为侧面耦合方式。对比发现，常规透射方式下，写入信息 部分与背景缺乏明显的对比度，观察较为困难，不能够得到清晰的观察结果。而 如果采用侧面耦合方式读出，信息坑散射的光与暗背景的对比则明显很多，得出 了清晰的观察结果。从这个实验我们能够看出，侧面耦合读出方式在读出薄膜表 面形貌方面优于常规透射方式，读出图像对比度大，因而信号的信噪比高。 o 波导多层光卡的存储机理与关键技术 图2 - 4 压有信息坑的p c 薄膜观察照片 ( 2 ) 抑制层间串扰 图2 5 是另外一组对光刻法刻制的样品进行观察的实验对比照片。在这个对 比实验中，我们同样也能看出侧面耦合方式读出的图像对比度要高于常规透射方 式。同时，我们发现在样品的左下角处，有两处明显的缺陷是我们光存储过程中 所不需要的污点。污点的存在对于信息的读出产生的影响可以从图中显示出来。 ( a ) 图的多层透射方式，可以看出明显的污点掩盖了存储器件中的信息部分。 而与之对应的( b ) 图，则不易看出污点的影响，仍然能够较好的反映出原有信 息坑的情况。这反映了侧面耦合方式对层间串扰有较强的抑制作用 图2 - 5 光刻信息坑观察实验 2 3 上方波导光屏蔽效应 波导多层光卡存储采用波导对光的限制和隔离作用，使得传导光只限制在耦 合进的一层中传播，如图2 6 所示，只有一层的信息坑发光，从而有效地抑制了 层间串扰，实现层选址。但是，客观上上方的波导层对信息点散射出来的有用信 号光还是存在影响。这一节主要分析上方波导对被选中层读出光的影响。 图2 6 上方波导的光屏蔽效应 波导多层光卡的某一层数据被读出时，散射出来的光在最终被探测器接受 之前，会受到上方波导的影响，降低信号质量，这种影响称之为屏蔽效应。如上 图所示，只有一定立体角度内的光能通过上方波导，最终被探测器接收到。产 生光屏蔽效应的原因主要有三个：1 反射：上方膜层界面对光的反射；2 散射： 上方波导缺陷( 信息符) 对光的散射；3 吸收：上方介质对光的吸收。下面分 别讨论以上这三种效应对信号光能量损耗的影响。 2 3 1 上方波导界面对散射光的反射 图2 7 光线在两介质分界面上的反射和折射 考虑如图所示的分界面，其两侧是折射率分别为n 1 和珂2 ( 九z 代表平均：p o ) 是概率密度：0 1 2 的角标1 2 代表上表面。 丢嵴2 。s 忡h 孕c o s 咿一( 孕删) 2 】 ( 2 4 棚 磊c n ，e ，2c 。s b x p 心c 。s 2 钏。丽c _ c ，2 k 2 c 。s “ 阱5 1 式中口k ：挈( 吒+ 吒) m p 2 石c _ b ，2s n q ( 2 4 - 6 ) 式中勘为芯层的有效厚度勤= d + 忐+ 忐 a , = 1 2d p p d z “i 1 篓等“，4 。磅鬻分贝2 p 2 老珥e ；s i n 辞 25 i n 辞。 f 2 小7 ) ( i ) 表面散射损耗与表面特性k 2 有关。也就是说光卡信息坑的各个参量与散射 波导多层光卡的存储机理与关键技术 ( 3 ) 衰减效率与嚷矿有关，即与波导芯层有效厚度有关，波导越厚，散射损耗 越小。 2 5 本章小结 本章描述了波导多层光卡系统的基本结构及原理。分析了波导多层光卡的 信息记录和读出原理以及侧面耦合的数据读出方式。波导多层存储的技术特点 有：侧向光波导耦合的选层方法，多样化的数据记录形式和数据读出方式。通过 现有已制成器件的实验结果表明，波导多层存储方法的原理正确，技术可行。通 过读出分辨率实验证实了侧向耦合散射光读出方式具有高于c d r 光盘密度的 读出能力，从而证实了波导多层光卡读出及记录方式的可行性。通过和多层透射 读出方式的对比实验体现了侧面耦合数据读出方式较之于现有常规方法的优势。 此外，本章定性地分析了波导材料的透明度、折射率、芯层厚度、传导模式等因 素对光卡器件设计和制作的影响，从而对后续的光卡制作及进步理论分析提出 了方向。 波导多层光卡的存储机理与关键技术 第三章波导多层光卡的制作 在制作波导多层光卡的过程中，需要综合考虑多方面的影响因素，选择合适 的制作方法及与之相对应的光卡材料，这一章主要描述了波导多层光卡器件的制 作方法。波导多层光卡主要采用单片写入，多层粘合的方式。这种方法有利于简 化器件的制作工艺，有较强的可行性。 3 1 波导多层光卡的数据记录 3 1 1 数据记录原理 c d 、d v d 光盘都是以信息坑形式记录数据的，其信息坑的线宽已达到亚微 米量级。如今随着科技进步，利用机械微操作使介质在纳米尺度上发生结构改变 已成为可能。如应用扫描探针显微技术( s p m ) 进行超高密度数据记录，已有许多 成功的报道。数据记录原理可以是利用热压效应、光热效应，光化学效应等；数 据记录方式可以是浮雕型、烧蚀型、起泡型、相变型等。波导多层光卡的数据记 录原理是利用波导缺陷来存储数据。理论上任何能够产生波导缺陷的方式都能够 作为数据记录方式进行制作。波导缺陷的表现形式可以是多种多样的，波导缺陷 存在的位置可以是波导的表面，也可以是内部。波导材料折射率的变化，表面形 貌的改变，对传导光的吸收、激发的不同等都可以产生波导缺陷。这种以波导缺 陷记录数据的方式也使得它在器件材料的选择上拥有很大的余地，这也为数据记 录方法提供了广阔的创新空间。下面将具体介绍几种常用的数据记录方法的记录 原理。 ( 1 ) 直写法 直写法是以激光器或电子( 离子) 发生器作为信息记录工具，利用激光束或电 子束与存储器记录层的直接相互作用，使作用处介质的物理性质产生变化或相变 而形成信息点实现信息记录的方法。图3 1 是直写法的原理图。 波导多层光卡的存储机理与关键技术 激光柬电子离子束 图3 1 用直写法进行数据记录示意图( 先写后合) 图3 1 是先在单层上写入数据，然后将各层叠合起来，这种方式称之为先写 后合。我们也可以先将各层叠合后再写入数据，这种方式称之为先合后写。先合 后写方式可采用激光束聚焦方法进行记录，如图3 2 所示。该方法将记录光束聚 焦于某波导片的记录层，使焦点处介质的物理性质产生变化或相变，形成局部的 信息点，从而记录下数据。通过研究光束与记录信息点的作用效果，可寻求出最 佳记录条件。 ( 2 ) 全息法 图3 2 用直写法进行数据记录示意图( 先合后写) 图3 3 全息法记录示意图 全息法是将同一光源分成两束，一束从侧面耦合进入波导和记录层，作为 1 9 波导多层光卡的存储机理与关键技术 参考光；另一束垂直聚焦于记录层作为物光，物光在聚焦前经过调制而携带信息， 两光束在记录层内干涉形成衍射光栅，从而记录下数据。图3 3 是全息法的原理 图。全息法可采用的记录材料是光致聚合物，重铬酸盐明胶等。全息法所要解决 的关键技术是：分光技术，波导耦台技术及显影技术。 ( 3 ) 光刻法 ( 直写曝光o r 掩模曝光) + 显影 + 填料 图3 - 4 光刻法记录示意图 光刻法是集成光路精细加工工艺中常用的方法。如图3 4 所示，光刻法的记 录机理是：光刻胶曝光后溶解度发生变化，用溶剂除去可溶部分形成沟槽，然后 在沟槽中填充信息符材料。光刻法可采用的记录材料是光致抗蚀剂( 光刻胶) 。 其所要解决的关键技术是：掩模技术，显影技术及填料技术。这种方法使波导表 面产生沟槽，波导材料的物理性质发生改变，从而形成波导缺陷。 ( 4 ) 压铸法 注入塑料 ( 热压 o r 注塑) +填料 图3 - 5 压铸法记录示意图 压铸法是利用模具在聚合物表面压制信息坑，然后填注信息符材料。关键 技术：模具制作技术，填料技术。压铸法可用的记录材料为热塑聚合物等。 波导多层光卡的存储机理与关键技术 3 1 2 波导多层光卡数据记录技术 在充分借鉴现有超高密度信息存储技术条件的基础上，基于波导芯层材料， 记录层材料的要求，以及波导多层光卡制作工艺的要求，我们对以上几种方法进 行了探索，选择了部分可行的方法对数据进行记录，下面将进行具体介绍。 ( 1 ) 直写法 我们用直写法记录数据时利用聚焦激光束在聚合物薄膜上直接写入数据。利 甩激光的热效应使薄膜的吸收或折射率特性产生局部变化，形成波导缺陷。当激 光照射到材料表面时，被照射的材料吸收光能并迅速转变为热能，导致焦点处温 度急剧上升，当温度达到一定湿度时，材料特性发生变化而出现标记日】痕。 我们首先使用绘图软件设计出所需要记录的信息符的大小与分布，然后利用 南京大恒光电技术有限公司生产的m a s 0 1 型激光打标机( n d ：y a g 激光器 1 0 6 4 n m 波长光束) 在聚合物薄膜上打点。我们制作了1 4 层数据样品，这些样品 以点阵形式记录数据，为了区分不同层，每一层我们设计了不同字符的图形。 图3 - 6 是将制作的这1 4 层数据样品叠加后，层与层间产生空气间隙，这个 空气间隙在多层光卡中就作为了光卡的包层，采用侧面耦合读出方式，通过显微 镜装置观察，并以数码相机拍摄观察结果的照片。 图3 - 6 直写法记录的数据样品侧面耦合观察结果( 1 4 层叠加) 图中字母a n 分别对应第1 1 4 层。可以看出直至最后一层，仍能够清晰 地分辨出所记录的数据点，并且每层所记录的数据均清晰可见，每个被读出的层 均能明确反映出本层所记录的数据情况相邻层的数据影响很小，甚至为零。观 波导多层光卡的存储机理与关键控术 察结果表明了层与层之间的串扰很小，叠加超过十层后数据读出仍然清晰，这也 就再次验证了波导多层光卡方案的可行性。 但是由于国产打标机分辨率较低，最小线度仅能达到数十微米量级，并且控 制精度较差，所记录数据点的深度、大小等无法准确控制，不能够满足光卡制作 精度的要求。同时，这种使用打标机直写的方式，是通过热效应使材料表面特性 发生变化，因而也就需要大功率的激光打标系统，这也正是这种方式的局限性， 较难提高记录数据的分辨率。我们调研了国外的打标机产品，发现进口打标机价 格太高，并且仍然不能确保达到我们所需的精度和分辨率。所以仅仅采用此方法 制作了原理性器件，并没有采用打标机直写的方法继续下去。 ( 2 ) 光刻法 光刻法是我们采用的另外一种数据记录方法。在实验用盖玻片上旋涂光刻 胶，用光刻法记录数据。首先采用绘图软件对所需记录的信息符进行编辑，然后 利用光亥q 机( 苏州大学维格公司) 在旋涂有光刻胶的盖玻片上进行数据记录。这 里我们选择了正性光刻胶，激光光束聚焦到光刻胶上曝光，曝光部分的光刻胶在 显影液中被除去，被融解的部分就在光刻胶上形成凹坑，这种凹坑正是我们所需 要的信息符形式。改变曝光的时间，就可以改变信息坑的深度。通过改变光刻机 中物镜的放大倍数也可以改变信息坑的尺寸。 图3 7 是以光刻法制作的准c d 密度单层波导数据读出结果。每个信息坑的 尺寸仅为1 3 u m 1 3 , u r n 。将多个这样的单层选择合适的方法粘合起来即可得到波 导多层光卡。 图3 7 光刻法记录的单层数据样品( 侧面耦合观察方式) 波导多层光卡的存储机理与关键技术 ( 3 ) 模压法 模压法是利用金属模板在聚合物表面上压制信息坑的方法，金属模板是在光 刻法的基础上制作的。采用模压法的优点是不需用玻璃做波导的芯层，可以做出 全聚合物材料的存储器件。 模压法制作的单层波导数据读出结果如图3 8 所示。 图3 8 模压法制作的单层数据样品( 侧面耦合观察方式) 此实验结果验证了模压方法可行性，随着研究的深入，技术的成熟，将可以 采用现有光盘的制作材料及部分工艺，增强了工艺上的可操作性。从而可以推进 光卡产业化的实现。 3 2 波导多层光卡材料 根据数据记录的不同方式( 直写法、光刻法、模压法) ，以及符合波导多层 光卡原理的要求，我们选择了适合波导多层光卡的记录层材料以及芯层材料。分 别用玻璃片、聚碳酸脂( p c ) 、聚甲基丙烯酸甲脂( p m m a ) 、纤维素片( p c f ) 、 聚脂( p e t ) 等材料进行了大量的实验，选出了适合不同数据记录方法的器件材 料。 3 2 1 芯层材料 基于上一章节中对波导材料特性要求的分析，我们选择t _ - 种材料来作为光 卡的芯层材料： ( 1 ) 芯层材料一：盖玻片 波导多层光卡的存储机理与关键拄术 我们采用了国内常用的盖玻片作为芯层的材料，它的折射率为1 5 1 5 ，厚度 达到o 1 7 r a m 。国外的生物化学和生物医学实验专用的一种盖玻片韧性很好，不 易破碎，适合于本光卡器件的制作。国外的产品有：v w rs c i e n t i f i ci n c s e l e c t e d m i c r o c o v e rg l a s s ，厚度在o 1 m m 左右，尺寸有多种规格：2 5 x 2 5 m m ，2 2 x 6 0 m m 等。 在使用之前我们需要将之用去离子水清洗，然后用电吹风吹干。由于玻璃材料的 质地较脆的影响，选择此材料作为芯层时，记录信息的方法不能选择直接压制即 直接将芯层作为记录层的方法，因此我们选择了在芯层外另外附着记录层的方 法。 ( 2 ) 芯层材料二：聚碳酸酯( p c ) 聚碳酸酯( p c ) 是一种综合性能优良的非晶型热塑性树脂，以其光转移性 高、偏转温度好、韧性与耐磨损性出众而为人瞩目，是目前最主要的光盘基板用 树酯。它的透光率超过9 0 ，折射率达到1 5 9 。从透明度、硬度、折射率等多方 面考虑，它都不失为良好的芯层材料。 3 2 2 记录层材料 根据数据记录方式的不同，我们可以选择相应的记录层材料。如果记录方式 为直写法或模压法，数据可以直接记录在芯层材料表面。若采用光刻法，则需要 在芯层上旋涂光刻胶作为记录层，材料的选择需要注意以下几点：( 1 ) 记录层材 料必须与芯层和包层材料( 用于粘合的材料) 相容，亦即可被涂布于芯层上。f 2 1 光刻胶应该具有较高的分辨率，以便提高数据记录的密度。( 3 ) 数据写入并完成 显影、定影的过程后，记录层材料应具有永久性的数据记录能力和读出能力，在 合理的时间范围内应该维持稳定不能变质，当其暴露于周遭的光线或读出光源不 能产生劣化。 ( 4 ) 波导多层光卡的读出方式决定了材料必须具有较好的透明度 ( 5 ) 记录层材料的折射率与芯层包层的折射率必需满足一定的关系。( 6 ) 信噪 e v , j k 。必须有足够高的信噪比和高的抗缺陷性。 粘合层材料需要根据不同的光卡材料及粘合方式进行选择，这将在下节粘合 方法中提及。 2 4 波导多层光卡的存储机理与关键技术 3 3 波导多层光卡的粘合 波导多层光卡的制作必然需要考虑层间的粘合问题，将单元结构整合在一 起。我们通过研究，主要实验了边缘粘合、光学胶粘合和硅橡胶键合三种适合本 光卡系统的粘合方法。 3 3 1 边缘粘合法 当采用玻璃做基片时，因为玻璃有足够的硬度，可采用边缘粘合法，这时利 用层问空气作为包层。这种方式的优势主要有：( 1 ) 由于空气的折射率很小，空 气层和芯层间的折射率差较大，选用空气做包层，容易得到较为理想的效果。( 2 ) 制作工艺较为简单，易于操作。因而在未来的应用中，只要制作好单层结构，可 以对已有光卡方便地添加新的数据层从而增加光卡携带地信息量。 利用边缘粘合法空气作包层也有其局限性：利用空气做包层，层与层之间较 少有附着点，由于重力的影响，存储器件容易发生形变导致耦合条件等发生改变 影响数据读出效果。但是由于这种方法应用于光卡，便携式的光卡的尺寸较小， 因此受重力的影响也小，带来的形变对读出效果的影响可以忽略。 我们用这种粘合方法已经完成了波导多层光卡的制作。下一节中将介绍使用 这种方法粘合制成的光卡样品，采用侧