（物理电子学专业论文）提高光存储性能参数的理论研究.pdf

摘要 信息时代里的一个重要问题就是如何处理我们每天面l 临的的大量声音，图像，数据 和文字等信息。随着世界上各类事物之间的关系变得更加复杂和联系的更加紧密，人 们已经开始意识到了掌握信息的存储、处理和传输技术迫在眉睫。光盘存储技术是在 二十世纪发展起来的以光波载息的存储技术，具有存储高存储密度、高信息输入输出 速率、快速随机存取信息及存储寿命长等特点，目前已成为多媒体和信息高速公路的 关键技术之一。 本文介绍了光存储技术的基本原理，光盘驱动器的基本结构，分析了影响光信息性 能参数的主要因素，通过理论计算，提出了提高光存储容量及密度、数据速率、存取 时间的方法。其中重点介绍了提高光存储容量及密度的方法。在传统的缩短激光器波 长、增大数值孔径的基础上，提出了突破衍射极限的方法，即采用三维存储和使用超 半球形的f 司体浸润透镜等方法来实现近场光存储，从而缩小光斑的尺寸。 关键词：光信息存储性能参数理论研究 o n eo f t h eg r e a tp r o b l e m m so ft h ei n f o r m a t i o na g ei sh o wt o s t o r et h e 尊u to f s o u n d , i m a g e sd a t aa n dw o r d st h a ta s s u l to u rs e n s e se v e r d a y a st h ew o r l db e a 2 0 m e sm o r e i n t e r c o n n e c t e da n dc o m p l e x ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt om a s t e rt h et e c h n o l o g yo fs t o r a g e ，d i s p o s e a n dt r a n s m i to fo p t i c a li n f o r m a t i o n t h eo p t i c a ld i s ks t o r a g et e c h n o l o g ye m e r g e di nt h e s e v e n t i e so ft h e2 0 t hc e n t u r y b e c a u s ei t si n f o r m a t i o ni sc a r r i e db yl i g h tw a v e ，i th a sh i g h t s t o r g ed e n s i t y , h i g h ti n p u ts p e e d ，l o wc o s ta n dd u r a b l e i th a sb e c o m eo n eo fk e yt e c h o n o l o g i e s o fm u l t i m e d i aa n di n f o r m a t i o nh i g hw a y i nt h i sp a p e r , t h eb a s i cp r i n c i p l e so fo p t i c a ls t o r g et e c h n o l o g ya n dt h eb a s i cs t r u c t u r eo f d r i v e r sw c r ei n t r o d u e c d , t h ef a c t o rt h a ta f f e c tt h e p e r f o r m a n c ep a r m e t e r s w e r e a n a l y z e d , t h r o u g h t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，t h e i m p r o v i n go p t i c a ls t o r a g ec a p a c i t y a n d d e n s i t y , t h e d a t ar a t ea n da c c e s st i m em e t h o di sr e p r e s e n t e d ，i nw h i c hi n t r o d u c e dw i t h e m p h a s i st h ei m p r o v i n gs t o r a g ec a p a c i t ya n dt h ed e n s i t ym e t h o d i nt h et r a d i t i o n a lb y s h o r t i n gt h el a s e rw a v e ，i n c r e a s e st h en u m e r i c a la p e r t u r ei nt h ef o u n d a t i o n ，p r o p o s e dt h e b r e a k t h r o u g hd i f f r a c t i o n l i n i tm e t h o d r e d u c t i o nf a c u l as i z eb yt h r e e d i m e n s i o no p t i c a l s t o r a g ea n du s es i la c h i e v en e a r - f i e l do p t i c a ls t o r a g e k e yw o r d s ：o p t i c a li n f o r m a t i o ns t o r a g ep e r r o r m a n c e - p a m m e 妇m m a z c a t m 由 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，提高光存储性能参数的理论研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：鳖塑! 幽年弓月坫日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、搏士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：! 殛堑i兰堕年三月鲨日 指制币躲嚷赵乒蝣王月母 第一章一绪论 相对于利用磁通量变化和磁化电流进行写读的磁盘，我们把用光学方式写读信息 的圆盘叫做光盘，光盘存储技术是采用磁盘以来最重要的新型数据存储技术，它综合了 高密度磁带巨大的存储容量和磁盘能快速随机取数的优点，并具有一系列独特的优良 性能。 。 长久以来，光学存储技术以其极大的存储容量和低廉的存储价格，给信息界带来了 巨大的希望，世界上一些科学技术与工业高度发达的国家，相继投入了大量的人力、财 力和物力，从事光学存储技术的研究与开发，不同学科的科技人员，在各自的基础上 进行了开拓性的研究工作，逐步掌握了各项单元技术，使光盘存储技术终于走出了实 验室，达到了成熟的阶段，它既丰富了人类的精神生活，也为信息存储处理领域增添 了异彩。 1 1 引言 现今人类社会一大特点，就是信息资料的飞速增长。据统计，科技文献数量大约 每7 年增加一倍，而一般的情报资料则以每2 3 年翻一番的速度增加。人们不得不把 愈来愈多的宝贵时间，用于文件的记录、整理、存储和汇集。数量庞大的档案资料不 仅占用空间，更主要的是给资料的分析、检索和传播带来了极大的困难。所以迫切需 要一种高密度、大容量的文件资料和档案的存储检索系统。随着计算机工业的迅速发 展，计算机应用已渗透到科学技术和社会生活中的各个领域，要处理的信息量急剧增 加，现有的存储设备不能满足日益增长的需要，因而也迫切需要一种特大容量的联机 存储器，这就是光盘存储器应运而生的原因“。 纸张是具有上千年历史而至今仍最广泛使用的存储媒体，但它的存储密度低，占 用体积大，也不易检索和永久保存。第二次世界大战期间开始使用的微缩胶片技术， 存储密度高，成本低，也能永久保存，但记录的资料不能修改和补充，也不易自动检 索，磁记录技术发展起来以后，磁带和磁盘存储器得到了广泛应用。它们特别适宜于 和计算机联用，存取信息极为方便、可靠。但使用磁带时，检索信息的速度太慢；磁 盘的存储容量也有限。这些存储媒体将在社会中占据各自的位置，继续发挥它们的作 用。 二十多年以前，在发明激光之后不久，就开始了高密度光学数据存储的研究和发 展工作，以便把激光的可控能源用于信息存储。激光的一个主要特点，就是可以把它 聚焦成能量高度集中的极小的光点。在光学记录系统中，在1 z n 2 级的纪录点上，集中 的能量通常可达到几兆瓦c m 2 的峰值强度。激光的这一特性，为超高密度的光学系统 提供了可能性。实际上，这种潜力就是研究和发展激光存储器的动力。 在光学存储器领域内，6 0 年代进行的主要是基础研究工作，到7 0 年代，进一步取得 技术突破，各项单元技术趋于成熟，组成了光学存储系统，”1 应用范围不断扩大，光盘存 储技术之所以愈来愈得到高度重视，一方面是因为它具有广阔的应用前景：另一方面也 是由于激光器、存储介质、器件等基础技术不断取得进展。目前，这一技术仍在迅速 发展，日新月异，呈现出一派兴旺发达，异彩缤纷的景象。 1 2 光存储技术的形成 光学存储的研究与发展工作，可以追溯到很久以前。早在1 9 5 5 年，就产生了有关 光盘存储器的设想。由于当时技术水平的限制，特别是缺少合适的光源，这方面的工 作直到6 0 年代才逐渐展开。 1 9 6 1 年，美国斯坦福大学着手研究光学式电视录像盘，开始了这方面的基础研究 工作。当时用银盐感光材料作为高灵敏度的纪录介质，采用高压水银灯作为光源，试 验在盘片上纪录和读出视频信号。 。 发明激光之后，早期的工作集中于研究激光光束与材料介质之间的相互作用以及 有关的物理现象，试图把它们用于写入、读出和擦涂操作，当时特别注意研究可擦式 介质，因为研究人员认为，可任意选址的激光存储技术将有可能取代磁纪录技术。由 于多项单元技术尚处于初创阶段，研究工作未能取得显著进展。 6 0 年代后半期，许多生产电子消费产品的厂家开始研制新型视频设备，1 9 6 9 年， 荷兰飞利浦公司开始研究激光电视录像盘，1 9 7 2 年9 月5 日，在它的研究实验室举行 的会议上，向国际新闻界展出了能长时间播放电视节目( v i d e ol o n gp l a y ) 的光盘系 统，从此开始了光学存储技术的兴旺时期。 1 9 7 4 年4 月，飞利浦与美国m c a 公司开始进行技术协作，各自发挥所长，m c a 分 担光学录像盘的研制工作，飞利浦则主要研制播放机，随后发展成m c a - 飞利浦型电视 录像系统。1 9 7 7 1 9 7 8 年期间，日本的先锋、日立、松下、三菱等公司相继发表了各 自的电视录像盘。1 9 7 8 年1 2 月，美国m a g n a v a x 公司( 飞利浦的子公司) 开始出售v h 一8 0 0 0 型播放机，成为最早的激光电视录像盘播放机商品。1 9 8 1 年1 0 月，日本先锋公司开始 出售l d - 1 0 0 0 型电视录像盘播放机，采用半导体播放器作为读出光源“1 。 光盘存储技术最先成功用于电视录像盘，实现了商品化，有了一定的市场，这主 要是由于电视录像盘非常适于采用生产密度纹声频唱片所有的大批量生产技术，其原 材料价格也比其他任何大容量只读存储器系统更低。此外，它对误码率的要求也远不 如数字应用领域那样严格。 在开始研制电视录像盘之后不久，一些公司已着手研究把光学存储技术应用于声 频记录。1 9 7 7 年，日本三菱电机公司在光盘上记录了用脉冲代码调制( p c m ) 的声频信 号，发表了动态范围在9 0 d b 以上的高保真度声频唱片，之后即成为这种唱片的主流。 1 9 8 2 年秋，这种规格的数字声频唱片系统开始在市场出售”。 电视录像盘和激光声频唱片的实用化，使光学储存技术的发展受到了巨大鼓舞。 这些消费性电子产品不仅使光盘设备得到了广泛认可，充分证实了光学存储技术经受 了实践的考验，益趋成熟，日臻完善，半导体激光器、光学写读头等都成了大批量生 产的零部件，工艺日益先进，成本不断下降。所有这些都为研究与发展光学数据存储 2 设备创造了条件。 人们很早就设想把光学存储技术用于计算机。从r 9 7 7 年起，日本的日立、松下、 东芝、三菱等公司，欧洲的飞利浦等，相继发表了用作图像和文件存储器的光盘存储 系统，经过不断改进后推向应用，1 9 7 9 年，正式提出了用于计算机的大容量存储器方 案，飞利浦拟采用半导体记录和读出，美国的r c a 公司则提出用h e n e 激光器进行读 写。1 9 8 3 年，以美国的s h u g a r t 和存储技术( s t c ) 两家公司为代表，终于发表了用于 计算机的光盘存储产品。s h u g a r t 公司提供0 p t i m e m l 0 0 0 型，采用直径1 2 英寸的只写 一次式光盘，记录密度为1 4 5 0 0 位英寸2 ，存储容量为单面1 千兆字节。1 9 8 3 年秋季， 美国存储技术公司推出了第一台大容量高性能光盘存储系统s t c 7 6 0 0 ，作为i b m 主机的 外存储设备。它仍是不可擦式光盘，直径1 4 英寸，单面可存储4 千兆字节的数据，预 期工作寿命为l o 年。只要所有用的操作系统是孵s s p l 3 ，这种光盘存储系统就能与 i b m 公司的3 7 0 、4 3 0 0 和3 0 系列机完全兼容。可擦除性是计算机用存储系统一直追求 的目标。经过科技人员不懈的努力，像磁盘一样可以随机存取、反复擦写的光盘机终 于在1 9 8 8 年研制成功“。 1 3 光存储技术的特点 h 光存储技术的优点： 记录密度高、存储容量大是光盘存储的最重要的特点之一。 光盘存储系统激光器作光源。由于激光的相干性好，可以聚焦为直径小于 0 0 0 1 m m 的小光斑。用这样的小光斑读写，光盘的面密度可高达1 0 7 1 0 8b c m 2 ， 为普通磁盘的十倍到一百倍。一张c d r o m 光盘可存储3 亿个汉字。我国花了1 4 年 方才出版的中国百科全书共一亿二千多万字，也就是说，全部的百科全书还装不满一 张c d - r o m 光盘! 目前规模生产的光盘比特字长约为0 4 u n ( d v d 光盘) 。正在研 究开发的蓝光光盘信息符的长度将降至o 2 a n 。光盘容量很大，现市场销售的直径 1 2 0 m m 的d v d 光盘，面容量己达到4 7 g b 。最新推出的蓝光光盘，面容量达到3 0 g b 。 单盘容量为1 0 0 g b 的技术也正在研究之中“1 。 光盘采用非接触式光学读写，光学读写头与记录盘片间通常有大约2 m m 的距 离。这种结构带来了一系列优点：首先由于无接触，没有磨损，所以可靠性高、寿命 长，记录的信息不会因反复读取而产生信息衰减；第二，记录介质上附有透明的保护 层，因而光盘表面的灰尘和划痕，均对记录信息影响很小，这不仅提高了光盘的可靠 性，同时使光盘工作和保存的条件要求大大降低；第三，焦距的改变可以改变记录层 的相对位置。这使得光存储实现多层记录成为可能：第四，光盘片可以方便自由地交 换，并仍能保持极高的存储密度。这既给用户带来使用方便，也等于无限制地扩大了 联机存储容量。 激光是一种高强度光源，聚焦激光光斑具有很高的功率，因而光学记录能达到 相当高的速度。例如p a n a s o n i c nl f 一7 3 0 0 的写入速度可以接近1 5 m b s ”。 影像还原效果好，记录在光盘内的信息具有还原效果好、影像质量高的特点， 3 尤其是在记录的字迹浅淡，字迹扩散、底色发黄、含有污迹或有局部破损等缺陷的原 件时，由于光盘记录会使其中灰色调消失，因此，光盘信息的还原影像反而比原件图 像的反差大、线条清晰，而且会使原件上的某些缺陷( 污迹、破痕等) 减轻或消失。 此外，在进行活动画面显示时，还可利用调速方法改变其动作的快慢，甚至使活动画 面静止不动或进行反时序动作显示。 易于和计算机联机使用，这就显著的扩大了光存储设备的应用领域。 一 生产成本低廉、数据复制工艺简单、效率高。目前光盘盘片和光盘机的生产技 术都己成熟。盘基用有机高分子材料注塑而成。只读盘上的信息是在注塑过程中模压 在盘基上的。复制过程中盘片所需的加工周期仅2 秒左右。按现有设备工艺材料水平 计算，只读光盘每兆字节的生产成本低于0 1 分人民币。一次写入光盘每兆字节的成本 也仅0 2 分人民币，是最廉价的信息记录载体，已经成为计算机标准外设和常规的家用 电器。 圆光存储技术的缺点 光学读写头无论体积还是重量，都还不能与磁头相比，这影响光盘的寻址速度， 从而影响其记录速度。一般说来，光存储读写速度比磁盘低。 由于光盘的记录密度如此之高，盘片上极小的缺陷或针孔也会弓l 起错误。光盘 的原生误码率比较高，使得光盘系统必须采用强有力的误码校正措施，从而增加了设 备成本。 ， 另外，由于目前还未建立统一的光盘技术国际标准，光盘技术的通用性较差，影 响推广使用，等等。光存储存在的技术问题，有的已经或正在解决，有的成为研究的 重要课题。今后，在科学技术不断进步的过程中，记录介质、记录方法和系统性能会 不断改进和提高，随着光盘与磁带( 盘) 和缩微胶片等多种记录载体和信息存储技术 的结合，光盘存储技术一定会达到更加完善的程度，满足人们对信息处理的多种需要“1 。 1 4 光存储的主要性能参数 1 存储容量 存储容量是指能存储在光盘中的信息容量。一般说来，采用的格式化标准不同，存 储容量也不尽相同，如常用的6 5 0 i b 等。 2 存储密度 存储密度是指在媒体上的单位长度或单位面积内所能存储的二进制位数。 3 平均读取时间 平均读取时间是指激光光头移到指定的数据存放位置并读取该点数据所花费的时 间。在这里，首先是光头移到指定的数据轨道的时间，当光头已到达正确的数据轨道 上时，要等待驱动器把单位数据转到光头上方。这段时间间隔叫旋转时间，当单位数 据到位后还要等待一段时间才能把数据从c d 盘片上载入驱动器的缓冲区。这三段时 间间隔加在一起才使读取时问“。 4 数据传输率 4 它是单位时间内从数据源传送到光盘的二迸制位数或字节数等单位表示。 5 信号噪声比 即信噪比，是信号电平与噪声电平之比，以分贝( d b ) 表示，从光盘上读出信息 时，信噪比愈大，可靠性愈高。但由于多种原因，各种类型的信噪比差别很大。 6 误码率 误码率，就是从光盘上读出信息时，出现差错的位数与读出的总位数之比“。 1 5 光盘存储器的主要类型 几乎没有任何技术像光存储那样，在很短的时间内就形成了种类繁多的产品。这 些产品工作原理不同，生产工艺各异，使用方法五花八门，应用领域千差万别。从使 用的角度我们可以将光盘分为只读的和用户可写的两大类。 顾名思义，只读型即c d 系列光盘上的信息是厂家在生产过程中写入的。首先将 数据、图像、声音以及程序软件等信息组织成计算机数据，接着再转换成相应的光盘 数据格式，然后通过光刻工艺，将信息刻制在玻璃盘上，经过电镀后形成金属化母盘， 用母盘就可以对聚酯类的普通光盘进行批量压制。只读光盘具有低廉的制造成本，t 优 良的音像质量，是目前光盘产业的主导产品。国际上已为c d 系列光盘制定了各种标 准。 ，1 9 8 1 年为激光数字音频光盘制定的规格c d - - d a ，是一本红色封面的小册子，俗 称红皮书。激光唱盘是第一个以数字化信息形成记录的光盘产品。在此之前问世的激 光视盘( 影碟机) ，影响信息是以模拟信号记录的。 c d - - r o m 作为计算机的外存设备，得到非常迅速的发展。1 9 8 5 年的黄皮书标准 为c d - - r o m 的物理格式和地址等做了明确的规定。1 9 8 7 年正式规定了c d - - r o m 的 国际标准i s 0 9 6 6 0 。c d - - r o m 驱动器的共同特点是具有标准的计算机接口“”。 绿皮书规定的只读光盘标准称为c d i ，它重点强调了可交互性。交互特性很强 的系统需要复杂的操作系统管理。c d i 配备有称为c d r t o s 的操作系统软件。 随着多媒体技术的发展，视频光盘即v c d 目前以成为国内市场上的抢手货。v c d 的标准是在红皮书、黄皮书、和绿皮书基础上创立的，称自皮书。高清晰度电视、数 字化电视等技术将进一步攉动光盘家电产品的迅速更新换代。超高密度的v c d 光盘， 或称d v d 的标准已经制定，它成为光盘音像市场主导产品的时代即将到来。 c d 系列光盘品种繁多，许多厂商为自己的产品制定了相应的标准。另外，技术的 交叉又进一步丰富了c d 光盘家族，例如橘皮书规定了一种新的光盘格式，叫作c d r ， 从数据物理格式上讲属于只读型光盘，但是c d r 是可以一次性写入的j i l l 。 光存储技术一出现，就与计算机结下了不籍之缘。可写光盘基本上都是用与计算 机的。经过不断的发展，作为计算机外设用的光盘已经形成了三个商品系列：c d r o m ( 只读光盘) 、w o r m ( 一次性写入光盘) 和r w ( 可擦重写光盘) 。 与只读型不同，w o r m 光盘和可擦写光盘上的信息是由用户多次或者一次性写 入，因此其存储方式和制造工艺与之有本质的区别。w o r m 盘在写入过程中，光盘介 质的结构特性发生永久性改变，因此，数据可以长期保存，反复读出。这种特性最适 合存储具有永久保留价值且不需要更改的信息，如科研中的地质、地理、天文、海洋、 环境等资料性数据以及管理办公部门的档案 1 2 1 0w o r m 盘可以和其他外存设各联合使 用，以发挥各自的特长。与硬磁盘一起使用，能在容量和速度上相互弥补，而与可擦 写光盘联合使用，可以分别存储一个应用系统的临时性数据和永久性信息。 ， 可擦写光盘既像普通磁盘一样可以随机存取方式反复擦写，重写次数可达数万至 数十万次，又具有容量大的优点，从而使得普通用户在制作多媒体软件方面几乎彻底 解除了信息存储上的后顾之忧。随着网络技术的日益普及，特别是互联网的迅速发展， 可擦写光盘还可以在接受由网络传输的大量声像图文信息及其他数据软件方面大显身 手。一旦可擦写光盘商品化生产价格低到普通用户可以接受的程度，将会使计算机信 息存储技术和家用电器生产，例如录放机等进入一个新的时代。 1 6 光存储技术的最新发展 ， 随着光学技术、激光技术、微电予技术、材料科学、细微加工技术、计算机与自 动控制技术的发展，光存储技术在记录密度、容量、数据传输率、寻址时间等关键技 术上将有巨大的发展潜力“”。在2 1 世纪初，光盘存储将在功能多样化，操作智能化方 面都会有显著的进展。达到或超过光的衍射极限( 纳米量级) 的高密度光存储技术和 超大容量三维体存储技术，则是研究和开发的熟点。 为了提高存储密度和数据传输速率，光存储正在由长波向短波、低维向高维( 即由 平面向立体) 、远场向近场、光热效应向光子效应、逐点存储向并行存储发展“。 提高光盘存储密度的途径很多，其中见效最快的是缩短激光波长以缩小记录光斑 尺寸的方法。2 0 世纪8 0 年代中期至9 0 年代中期推向市场的以c d 家族为代表的第一 代光盘，光源采用8 3 0 r a m 和7 p 心n m 波长的红外半导体激光，其存储容量为6 5 0 m b ( 。 8 m b 锄2 ) ；9 0 年代中后期开始出现、现在占领市场的以d v d 家族为代表的第二代光盘， 光源采用6 5 0 r i m 波长的红色半导体激光，其存储容量为4 7 g b ( - 0 0 m b c m 2 ) ；通过 发展蓝绿光( 4 0 0 5 0 0 n m 附近) 光源和这一波长范围的新型短波长记录材料和器件， 采用超分辨记录和探测技术，又可能将光盘和这一波长范围的新型短波长记录材料和 器件，采用超分辨记录和探测技术，又可能将光盘的记录密度迸一步提高( 相当于c d 密度的加倍左右) ，容量达到1 0 1 5 g b 。这就需要输出稳定且功率足够高的短波长激 光光源和对短波长激光灵敏且性能稳定的存储介质。2 0 世纪9 0 年代下半期出现的g a n 类蓝光激光器为蓝光光盘记录技术打下了良好的基础。1 9 9 9 年2 月索尼等9 家公司已 宣布他们联合研制成功了蓝光光盘“，。 采用近场光学扫描技术和其他纳米技术使磁光、相变等目前已广泛应用于光盘存 储介质和一些新型光存储密度大幅度提高，也是一个广为研究的课题。目前的各种光 驱均使用包含物镜的光学头进行写、读、擦操作，由于物镜距盘片记录层往往为几个 毫米，是一种远场光存储方式。在远场情况下，光无法聚焦成直径小于半波长的点， 使存储密度的提高受到限制。基于近场光学原理的近场光存储技术是实现超高密度和 6 超大容量存储的重要途径之一，有可能将存储密度提高若干个数量级。国际上己发展 了一种新型近场光学聚焦系统，运用飞行光头和固体浸没透镜使存储密度的提高受到 限制。基于近场光学原理的近场光存储技术是实现超大容量存储的重要途径之- 有 可能将存储密度提高若干个数量级。国际上已发展了一种新型近光场聚集系统，运用 飞行光头和固体浸没透镜( s o l i di m m e r s i o nl e n s ，s i l ) 使透镜与记录层的距离缩小到 1 0 0 2 0 0 n m ，从而突破衍射极限，大幅度提高存储密度，达到6 g b c m 2 ，相当于d v d 光盘存储密度的1 0 0 倍。目前研究的重点是进一步缩短透镜与记录层的距离并且实现 有效和可靠的控制“”。当然，光纤探针的记录材料的性能也是近场光存储技术的关键 问题，国外各大存储公司尤其是美日两国的一些著名大企业如松下、索尼、a t t 、i b m 等都已开展了这方面的研究。 三维立体存储是超大容量信息存储的重要途径。这方面的研究目前集中在三个方 向：体全息存储、双光子吸收三维存储和多层记录存储。利用光致折射率变化效应的 体全息存储由于能进行并行传输和处理而充分发挥光学的优点，在原理上具有高存储 容量( 数百g b ) ，高传输速率( 1 g b s ) 和快速选定数据单元( 小于1 0 0 1 j s ) 的内在能 力。全息存储器可用于随机存取器和光驱间的快速缓冲存储。美国、日本、英国等国 家都投入了大量的人力和资竞枢砑究和开发，己接近实用化阶段。1 9 9 5 年美国匡家存 储工业联合会组织了一个由大学、工业部门及政府部门在内的1 2 个单位组成的联合研 究体，开展“光折变存储材料”和“体全息数据存储系统”两个项目的研究，系统地 对材料、器件、光学系统、信号处理和可能的应用展开全面的研究，总投资7 0 0 0 万美 元。其他技术方面国际上也在积极探索，美国a r i z o n a 大学利用双光子吸收进行三维光 存储，日本京都大学则报道了利用超短脉冲诱导玻璃折射率的变化进行光存储的研究。 另外，美国已研制出使用次数达百万次的多层电子俘获三维光盘样品“。以上这些都 是光子引发的光信息存储，比传统的光热型光存储的响应速率快得多皮秒至纳秒量 级) ，有可能形成超快速超高密度光存储体系。 光存储介质一直是光存储技术研究的关键。因此，寻找适合于快速超高密度和超 大容量信息存储材料的努力从来都被放在首要地位。无机光存储材料的研究较为成熟。 磁光材料和相变材料已在现行光盘存储中得到实用，但进一步改进和提高它们的性能 使之适合短波长记录和近场光学存储仍是一个十分活跃的领域。无机光折变材料和电 子俘获材料作为三维立体存储介质正在被人们通过复合或掺杂而向实用化发展。近年 来，有机光存储材料引起人们越来越大的兴趣，有机聚合物和有机染料用于短波长记 录，近场光学存储和三维立体存储的研究报道越来越多。例如，中科院上海光机所对 于菁、花菁、偶氮和螺哦嗪等燃料的光存储性能进行了系统研究，其中有些已实用化“”。 2 0 世纪8 0 年代以来，人们发现某些有机和生物分子具有优异的光致变色性能。有大批 研究人员积极开展光致变色材料用于光存储的研究。但此类材料的稳定性和抗疲劳性 等方面还与实用化的需要差距较大；近年来一种新型生物光致变色材料的特性引起了 世界各国科学家的广泛关注，这就是嗜盐菌紫膜中的光敏蛋白细菌视紫红质 7 ( b a c t e r i o r h o d o p s i n ) 简称菌紫质( b r ) 。这种分子具有优异的光致变色和高速光电响 应功能，有望满足今后高速、海量存储和数据信息并行处理的需求1 1 5 。近年b r 生物 分子器件的研究进入了一个飞速发展的阶段，每年都有大量关于b r 研究成果的报道， 已成为信息处理和光计算等方面的重要研究方向。日本通产省已将生物分子计算机研 究列为未来工业基本技术研究与发展的项目，并制定了总投资为1 0 0 亿日元的十年计 划。俄罗斯开展的“r h o d o p s i n 计划”，目前在很多方面仍然是军事秘密。美国的s y r a c u s e 大学分子电子学中心b i l g e 教授的研究小组利用b r 己成功地研制出海量三维存储器和 用于神经网络与并行计算中的相关存储器 1 s l e 但是从总体发展水平来看，在光存储特 别是超高密度光信息存储方面的应用研究目前国际上还基本处于刚刚起步的阶段“。 为了进一步提高光存储的性能参数，人们一直在寻求新的方法和途径。 8 第二章光存储技术的基本原理 光存储技术是一种通过光学的方法读写数据的技术，有别于计算机技术中常用的 磁储存方式。它的工作原理是改变存储单元的某种性质( 如反射率、反射光极化方向 等) ，利用这种性质的改变来存储二进制数据。在读取数据时，光检测器检测出光强和 极化方向等的变化，从而读出存储在光盘上的数据。本章主要介绍光存储系统的基本 原理，包括光盘存储系统的写读原理，以及只读光盘、一次性写入光盘和可擦重写光 盘的存储原理及相关工艺。 2 1 光盘存储系统的组成及写读原理 2 1 1 光盘存储系统的组成 光盘存储系统将所有光学、电气和机械部件组合在一起，形成一个有机的整体， 以完成与写入读出数据有关的基本功能，并实现自检操作。 它的功能部件包括： ( 1 ) 激光源和与之相连的形成读写光点的光学系统，通过它可将数据写入光盘或 由其中读出。 。 ( z ) 检测和校正读写光点与数据道之间的定位误差的光电系统。通过光检测器产 生聚焦伺服与跟踪伺服信号，根据这些信号在与光盘垂直方向上移动聚焦透镜，在光 盘的半径方向上移动聚焦透镜或使跟踪反射镜偏转，即可相应地实现聚焦控制和跟踪 控制，把激光聚焦在光盘的记录层上，使光点中心与信道中心吻合。 ( 3 ) 检测和读出数据的光电系统。通过数据光检测器产生数据信号，在记录过程中 还产生形成凹坑( 或其他信息标志) 的监测信号。 以上所述的激光二极管、光学元件和光检测器，组成小巧的光学读写头，即光头。 ( 4 ) 移动光头的机构。光头安置在平台或小车上，并与直线电机连接，以便在径向 读写数据，矫正光盘的偏心。 ( 5 ) 写读数据通道中的编码译码，以及误差检验与校正( 即e c c ) 电路。 ( 6 ) 光盘，也即数据存储媒体。 ( 7 ) 光盘旋转机构。由直流电机转动光盘，通过旋转编码其产生伺服信号，控制光 盘转速，以便进行写读操作。 ( 8 ) 光盘机的电子线路，包括控制所有运动机构的伺服电路，和把数据传送到光盘 以及从光盘上输出数据的通道电路“1 。 我们或把光盘存储系统分为两大功能部件，即控制处理机部件与写读部件。前者 控制从用户到光盘和从光盘返回到用户的数据流，它又可分为数据处理机( 其中包括 接口模件，数据缓冲器，格式化电子线路，误差检测与校正电路) ，系统电源，以及包 括微处理机和有关硬件的微控制器。写读部件则又可分为光盘机( 包括电气一光学系 统和继续结构) 与光盘机电路( 其中包括伺服电路和通道电路) 两部分。 9 2 1 2 光盘系统的写读原理 早在1 0 0 多年前，爱迪生发明了留声机。留声机是以金属唱针为探头，以唱片为 基础介质，利用唱针在旋转唱盘上刻下不同划痕的纹路记录下声音，然后在放唱片时 唱针在这些刻槽纹路上与唱片发生摩擦，提取记录下的信号，经放大后还原成能听到 的声音。光盘的记录和提取过程也与此大体相似，我们称之为“写入”和“读出”。不 过这里所用的“探针”不是宝石唱针，而是半导体激光器发出的一束“激光”。盘子不 再是“唱片”，而是对光十分敏感的“光盘“”。 ， 利用激光的单色性高、方向性好和高亮度的特性，将光束聚焦成妒1 抑左右的微小 光点，使能量高度集中，在存储介质中形成极微小的光照微区，使光照部分发生物理 和化学变化，从而使光照微区的某种光学性质( 反射率、折射率、偏振特性等) 与周 围介质有较大反衬度，这就实现了信息的写入( 存储) ；再用低强度的激光束，聚焦成 光点，扫描信息轨道，根据反射光的变化读出写入的信息。这就是光盘最基本的写读 原理。 用图2 1 可以说明光盘的写读原理“。图中用l i e - n h 激光器作为写读能源。激光 器的输出被分成强度不等的两束光，其中9 0 用于记录，1 0 用于读出。记录光束用光 调器产生的信息信号进行调制，经过调制的记录光束经聚焦系统聚焦成直径约1 姗的 光点，正好落在光盘存储介质的平面上，于是有一定宽度和间隔的记录光脉冲就在介 质上形成一连串的物理标志，它们是相对于周围的背景在光学上能显示出反差的微小 区域，如凹坑。在记录过程中，光盘在电机带动下以一定速度旋转。如果载有光头的 小车作匀速直线运动，则烧蚀的凹坑形成等节距的螺旋线信道。如果在记录数据时， 小车停止不动。只有在光盘每转结束时，写入光束断开，小车才将光头定位到下一个 信道位置上，然后开始记录新的数据，这时凹坑形成的信道就是同心圆。这样，光盘 就以记录斑的形式写入了大量的信息位，如图2 2 所示。 读出光束经反射镜、光束分离器、反射镜、径向跟踪器反射镜、聚焦系统物镜， 也聚焦在光盘存储介质的平面上，形成微米大小的读出光点。读出光束的功率定要 比写入光束的功率低，以保证读出光点的功率密度小于存储介质的记录闺值，否则将 破坏盘面上原已写入的信息。读出光从盘面上返回，透过光束分离器。由于数据道上 没有凹坑的地方对读出光点的反射特性有差异，就可以将信息分离出来。读出光束对 光盘表面的信息纹迹扫描，读出光点被反射回来受到了凹坑长短和间距的调制。受调 制的反射光经过光检测器转换成电信号，再经电路系统解调处理，就恢复成所要记录 的信息( 例如视频或音频信号) 。 上述读写方式写后就可以立即读出，可检测出记录信号和读出信号之间韵任何差 异。如发现某段有不可校正的错误，可将该段作废，在下一个地址重新写入信息。这 就是写入后立即读出的原理。 l o 图2 1 光盘读写系统 光盘记录光斑示意图 2 2 只读型光盘的存储原理 只读型光盘的存储原理示意图如图2 3 所示。 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，m a s t e r ) ，再经喷 镀、电镀等工序制成副盘( 又称印模，s t a m p e r ) ，然后再经过“2 p ”注塑形成r o m 光 盘。 1 1 图2 3r o m 存储原理图 一 ( 1 ) 衬盘甩胶i 且儿 、一 ( 2 ) 调制曝光 ( 3 ) 显影刻蚀 ( 4 ) 喷镀银层 ( 5 ) 电镀镍层 1j 乙 ，。 i _ l 【。j 银 一_ 一 厂7 _ i ” 8 ，一，上 二 l ： ： 儿 盱鬲 ( 6 ) 镍膜剥离 _ j l 一一 l一，、 图2 4r o m 主盘、副盘制各工序 r o m 光盘制作工艺如图2 4 所示1 ) 4 1 0 ( 1 ) 衬盘甩胶 对玻璃等衬盘进行精密研磨、抛光后进行超声清洗，得到规格统一、表面清洁的 衬盘；在此衬盘上滴以光刻胶，放入高速离心机中甩胶，以在衬盘表面形成一层均匀 的光刻胶膜；取出放入烘箱中进行前烘，以得到与衬底附着良好且致密的光刻胶膜。 ( z ) 调制曝光 将膜片置入高精度激光刻录机中，按预定调制信号进行信息写入。若衬盘以恒定 角速度旋转，同时刻录机的光学头沿径向匀速平移，则可在甩了胶的盘片上刻录出螺 旋形的信息道。 ，( 3 ) 显影刻蚀 将刻有信息的盘片放入显影液中进行监控显影，若所用光刻胶为正性光刻胶，则 曝光部分脱落( 若为负性光刻胶，不曝光部分脱落) ，于是各信息道出现符合调制信号 的信息凹坑，凹坑的形状、深度及坑间距与携带信息有关。这种携带有调制信息的凹 凸信息结构的盘片就是主盘。由于此过程中所用的光刻胶一般为正性，因而所得主盘 为正像主盘。 ( 4 ) 喷镀银层 在主盘表面喷镀一层银膜。这层银膜一方面用来提高信息结构的反射率，以便检验 主盘质量，另一方面，还作为下一步电镀镍的电极之一。 ( 5 ) 电镀镍层 在喷镀银的盘片表面用电解的方法镀镍，使得主盘上长出一层厚度符合要求的金属 镍膜。 ( 6 ) 将上述盘片经过化学处理，使得镍膜从主盘剥脱，形成一个副盘。 、 ( 7 ) 上述主盘每一个都可以通过( 5 ) 、( 6 ) 步骤的重复，制得若干个副橡子盘_ 副盘； 而每一个副盘又都可以通过( 5 ) 、( 6 ) 步骤的重复，制得若干个正像子盘。 将上述所得正像或副像子盘所为“印模”( s t a m p e r ) ，加工中心孔和外圆后装入“2 p ” 喷塑器中，经进一步的“2 p ”复制过程来制作批量r o m 光盘。 “2 p ”是曲o t o p o l y m e r i z a t i o n ( 光致聚合作用) 一词的缩写，其物理过程如图2 5 所示。1 。 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，然后制成主盘及副盘。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5 0 0 0 片盘片。 用户只要有一台搔放机就能享受光盘上的逼真音、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。 u n 图2 5 “2 p ”过程演示图 2 3 一次写入光盘的存储原理 ( 1 ) 一次写入方式 一次写入光盘是利用激光光斑在存储介质的微区产生不可逆的物理化学变化进行 信息记录的盘片，其记录方式主要有以下几种“； 烧蚀型；存储介质可以是金属、半导体合金、金属氧化物或有机燃料。利用介 质的热效应，使介质的微区熔化、蒸发，以形成信息坑孔 图2 6 ( 8 ) 。 气泡型；存储介质由聚合物一高熔点金属两层薄膜组成。激光照射使聚合物分解 排出气体，两层间形成的气泡使上层薄膜隆起，与周围形成反射率的差异而实现信息 的记录 图2 6 ( b ) 。 。 熔绒型：存储介质用离子刻蚀的硅，表面呈现绒状结构，激光光斑使照射部分 的绒面熔成镜面，实现反差记录。 图2 6 ( c ) 。 合金化型：用p t - s i 、r h s i 或a u s i 制成双层结构，激光加热的微区熔成合 金，形成反差记录 图2 6 ( d ) 。 相变型：存储介质多用硫属化合物或金属合金制成薄膜，利用金属的热效应和 光效应便被照微区发生非晶相到晶相的相变 图2 6 ( e ) 。 在上述各类一次写入光盘中，以烧蚀型率先推出商品。本节将以它为实例，着重 讨论光盘的介质优选、存储原理以及结构的优化设计。 ( z ) 光盘存储介质的基本要求 光盘对存储介质有多方面的要求，综合概括起来主要包括以下几方面： 分辨率及信息凹坑的规整几何形状 1 4 f) ，卜弋 ( a ) 烧蚀型 熙慈勰 ( b ) 气泡型 ( d ) 合金化型 ( e ) 相变型 图2 6 各类型的一次写入光盘 这是为了保证光盘能在高存储密度的情况下获得较小的原始误码率。图2 7 示出 已记录的信息坑孔，坑孔边缘形状不规整的偏差程度用6 表示。当读取激光束从信息 道的无记录区扫入或扫出信息凹坑时，定位读取信号的“1 ”，否贝i j 为。0 ”。这样得到 的都地区信号波形如图2 7 中下方所示。若存储密度为1 0 8 b c m 2 ，每信息位仅占有 1 o n 2 的面积。存储介质应能保持这些显微坑孔的规整几何形状并以更高精度分辨它们 的位置，这就要求边缘偏差6 落在1 0 0 4 以内，以保证原始误码率小于1 0 。3 。 没有中间处理过程 存储介质要能在实时记录数据并能及时读出信息，不需要任何中间处理过程，只 有这样才可能使光盘能实现写后直读( 即d i r e c tr e a da f t e rw r i t e ，d r a w 功能) 以保 证记录数据的实时检验。 较好的记录阈值 记录与只是指在存储介质中形成规整信息标志所需要的最小激光功率密度。只有 适当的记录闽值可以使信息被读出次数大于1 0 8 次仍不会使信息凹坑发生退化。记录阈 值过高或过低都会影响凹坑质量和读出效果。 ， 记录灵敏 要求存储介质对所用的激光波长吸收系数大、光响应特性好，能在较高的数据传 输速率、保证波形不失真的情况下，用很小的激光功率形成可靠的记录标志。如用波 一霄 长8 3 0 n m 、到达盘面功率1 0 m w 左右、脉宽可调的激光对高速转动的多元半导体盘片记 时间 图2 7 读取分辨率示意图