（计算机系统结构专业论文）光盘动态机械特性与测试方法研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要+ 恍盘是一种大容量、速度快捷的存储器。它具有介质可换、可靠性高、价格 低廉、适用于移动存储等优势，在计算机系统和消费类电子领域获得了广泛的应 用。光存储器在记录原理、记录密度及使用性能等方面具有巨大的技术潜力和广 阔的技术来源，是一种极具发展前途的海量存储设备。光盘的动态机械特性对光 盘系统性能与成本均具有重要影响。随着光盘存储器的存储密度和速度不断提高 的发展趋势，随着近场光盘、超分辨光盘、光磁混合记录等新技术的快速发展与 逐渐成熟，提高光盘动态机械性能及其测试水平已成为光盘产业界、研究部门和 学术界共同关注的热点问题之一。因此，对光盘动态机械特性及其测量方法的研 究具有重要的理论和实际意义。； 对光盘机械系统动态特性进行系统研究和定量分析的基础是对其建立较为完 善的、足够准确的数学模型。在系统地研究有关结构和实验资料的基础上，我们 给出了光盘机械系统轴向和径向动态特性的数学模型。根据所建立的数学模型针 对磁光盘进行了数值计算，其结果揭示了影响光盘机械系统轴向偏摆和径向偏摆 各因素的本质及相对量化关系，同时表明，构成光盘机械系统轴向偏摆的主要环 节是盘片的误差( 5 4 0 8 ) ，而引起该误差的主要因素是盘片信息层相对于盘毂定 位面的倾角( 占8 2 0 5 ) ；而构成光盘机械系统径向偏摆的主要环节是舷片的装夹 误差( 6 6 7 1 ，而其中的9 0 可以通过改进盘片的结构予以消除。研究了合理控制 盘片的制造公差以提高光盘机械系统轴向动态性能的方法；研究了改进盘片结构 并提高装夹水平以改善光盘径向动态特性的方法。同时，上述模型及数值计算结 果也为评估、改进现有测量方法，研究新的测量方法提供了理论依据。 f 国外广泛使用的光盘动态特性测试系统的测量原理与方法主要是国际标准推 荐采用的一类间接测量法，即基于标准伺服系统的跟踪法和跟踪信号法。根据我 们所作的研究表明，标准伺服系统的测试性能能够基本满足偏摆测量的精度要求， 但用于对高频信号极其敏感的偏摆加速度的测量则测量带宽明显不足。因此，该 类方法难以满足光盘技术发展的需要。我们研究并提出了优化标准伺服系统主要 设计参数以进一步发掘该类方法的技术潜力的迭代计算方法。 激光三角法是一种新的、能直接测量光盘轴向动态特性的方法。我们的研究 本文受九五国家科技攻关项目( 9 6 e 0 1 0 4 0 3 ) 和湖北省自然科学蔫金项( 2 0 0 0 g t 6 9 ) 资助 华中科技大学博士学位论文 工作首次成功地实现了该方法对盘片轴向动态特性的测试。对该方法的实验研究 和对标准聚焦伺服系统的仿真测试结果表明，激光三角法的测量精度和测量带宽 较之基于标准聚焦伺服系统的跟踪信号法有明显提高，其中，对于轴向偏摆和偏 摆加速度的测量精度分别提高了1 和1 0 以一 ：。对激光三角法的技术潜力的分析 表明，该方法是一种能满足未来光盘技术发展需要的光盘轴向动态机械特性测试 方法。 过道信号波形连续检测并实时定标的方法是我们提出的、可直接测量光盘径 向动态特性的新方法。我们的研究工作成功地实现了该方法对盘片径向动态特性 的测量。研究表明，过道信号波形连续检测法的测量精度和测量带宽较之基于标 准道跟踪伺服系统的跟踪信号法均有明显提高，其中，对径向偏摆和偏摆加速度 的测量精度分别提高了1 和1 0 以上。对过道信号波形连续检测法的技术潜力的 分析表明，该方法是一种能满足未来光盘技术发展需要的光盘径向动态机械特性 测试方法。 基于上述两种直接澳量方法而完成的d s s 一9 8 0 1 光盘机械特性测试系统，采用 过道信号连续测量与道间距光栅实时标定相结合的方法，解决了径向偏摆高精度 测试的难题。该方法和主轴夹具结构的独特设计相结合具有精度和成本的巨大优 势，在国际同类技术领域是具有重要意义的创新技术。d s s 9 8 0 1 的整体技术水平 达到了当前国际先进水平，并有很好的发展潜力和应用前景。j 关键词：光盘系统光盘盘片动态机械特性 伺服系统测量方法精度、 i i 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t 。 o p t i c a ls t o r a g es y s t e m sa r ec a p a b l eo fa c h i e v i n gu l t r a h i g hr e c o r d i n gd e n s i t ya n d f a s tr a n d o ma c c e s sc a p a b i l i t yw i t h p r o m i s i n gp r o s p e c t ，w i d et e c h n o l o g y r e s o u r c e sa n d g r e a tp o t e n t i a l o p t i c a ld r i v e sh a v et h ea d v a n t a g e so fr e m o v a b l em e d i a ，c h e a pp r i c e a n ds u i t a b l ef o rm o b i l ec a l c u l a t i o n s o o p t i c a l d r i v e sc a nb ee a s i l yf o u n di nt h e c o m p u t e rs y s t e m sa n d c o n s u m e re l e c t r o n i c sp r o d u c t s t h e d y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i co f t h eo p t i c a ld i s ks y s t e m sh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h e p e r f o r m a n c eo f t h eo p t i c a ld i s kd r i v e s t h en o v e lo p t i c a lr e c o r d i n gt e c h n o l o g i e s s u c h a sn f o d m a m o s ，o m b r ，d e m a n dm o r ec r i t i c a l d y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h e o p t i c a ld i s ks y s t e m s s oi t sn a t u r ea n di t sm e a s u r i n gm e t h o d sh a v eb e c o m et h ek e e n c o n c e l t lo f t h er e s e a r c hd e p a r t m e n t sa n dt h ew o r l do f t h eo p t i c a ld i s kp r o d u c t s b a s e do nt h et h o r o l 】l g hr e s e a r c ho nt h es t r u c t u r e so fo p t i c a ld i s k sa n dc o n c r e t e e x p e r i m e n t a ld a t a t h em a t h e m a t i c a l m o d e l so f d y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i co f o p t i c a ld i s k s h a v eb e e np r o p o s e db yu s t h ec a l c u l a t i o nb a s e du p o nt h e s em o d e l ss h o w st h en a t u r e a n dp e r c e n t a g e so fe a c hf a c t o rt h a td e t e r m i n e st h et o t a ld y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i co f o p t i c a ld i s k s t h em a i nf a c t o ro f t h eo p t i c a ld i s k s a x i a lr u n o u ti st h em a n u f a c t u r i n g e r r o r , w h i c hc o r r e s p o n d e n t st o5 4 0 8 o ft h et o t a la x i a lr u n o u t t h i sf a c t o rc a nb e m a i n l ya t t r i b u t e dt ot h en o n p a r a l l e le r r o rb e t w e e nt h er e c o r d i n gl a y e ra n d t h eh u b t h e m a i nf a c t o rt h a tc a u s e st h eo p t i c a ld i s k s r a d i a lr u n o u ti st h ec l a m p i n ge r r o r , w h i c h c o r r e s p o n d e n t st o6 6 7 9 0 o ft h i s e r r o ri sc a u s e db yt h ed i s k s s t r u c t u r e s o i m p r o v i n gt h em a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e ，t h eo p t i c a ld i s k s s t r u c t u r ea n dt h ec l a m p i n g m e t h o d sc a l li m p r o v et h eo p t i c a ld i s k s d y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i cg r e a t l y t h em o d e l s t o g e t h e r w i t hc a l c u l a t i o nr e s u l t sa l s op r o v i d eag u i d et oc h o o s e ，d e s i g na n de v a l u a t et h e m e a s u r i n g s c h e m e s t h em e t h o d sa n dt h ep r i n c i p l e so ft h ec u r r e n to p t i c a ld i s km e a s u r i n gs y s t e ma r e t r a c k i n gm e t h o da n ds i g n a lm e t h o db a s e do nt h es e r v os y s t e mr e c o m m e n d e db yt h e i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d t h eq u a n t i t a t i v es t u d ys h o w st h a tt h i s 由e t h o dc a nm e a s u r et h e r u n o u tp r e c i s e l y , b u ti tc a n n o tp r o v i d ee n o u g hp r e c i s i o nt om e a s u r et h ea c c e l e r a t i o no f t h er u n o u tt h em a i np a r a m e t e r so ft h es e r v os y s t e mc a nb ec a l c u l a t e da n do p t i m i z e d + s u p p o s e d b y k e y t e c h n o l o g y p r o g r a m i n t h e n i n t h5 - y e a r p l a n ( 9 6 一e 0 1 - 0 4 - 0 3 ) a n d n a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o n 坚丛! 蛔鲤也! ! ! 型嫂! ! ! ! i i i 华中科技大学博士学位论文 w i t ht h ep r o c e s s p r o p o s e db yu s 1 i l el a s e rt r i a n g l em e t h o dc a nm e a s u r et h ed i s p l a c e m e n td i r e c t l y t h em e a s u r i n g s y s t e mb a s e do nt h el a s e rt r i a n g l em e t h o d ，w h i c hc a nm e a s u r et h ea x i a ld e f l e c t i o no f t h eo p t i c a ld i s k sp r e e i s e l bh a sb e e nd e v e l o p e d b yu s t h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n dt h e c o m p u t e r s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h el a s e rt r i a n g l em e t h o di sm u c hm o r ea d v a r l c et h a nt h e m e t h o dr e c o m m e n d e db yt h ei n t e m a t i o n a ls t a n d a r d i tc a nb eu s e df o rm e a s u r i n gt h e n e w l yd e v e l o p e do p t i c a ld i s k s t h e s a m p l i n gt r a c kc r o s s i n gs i g n a lm e t h o da n dt h et r a c kp i t c hm e a s u r i n gm e t h o d h a v e b e e n p r o p o s e db yu s t h es a m p l i n gt r a c kc r o s s i n gs i g n a lm e t h o dc a nm e a s u r et h e r a d i a lr u n o u to ft h e o p t i c a l d i s k p r e c i s e l y t h e t r a c kp i t c hm e a s u r i n gm e t h o dc a n p r e c i s e l ym e a s u r et h ew i d t ho ft h et r a c kp i t c hi nr e a lt i m e t h eb a n d w i d t ha n dt h e p r e c i s i o nc o m p a r i s o nb e t w e e nt h es a m p l i n gt r a c kc r o s s i n gs i g n a lm e t h o da n dt h e m e t h o dr e c o m m e n d e d b y t h ei n t e m a t i o n a ls t a n d a r ds h o w st h a tt h ef o r m e ro n ei si n u c h b e t t e rt h a nt h el a t t e ro n e t h ef o r m e ro n ec a nb eu s e df o r m e a s u r i n gt h en e w l y d e v e l o p e do p t i c a ld i s k s d s s 一9 8 0 1m e a s u r i n g s y s t e mi sb a s e do nt h e s et w om e t h o d sa b o v e t h es a m p l i n g t r a c kc r o s s i n gs i g n a lm e t h o dt o g e t h e rw i t ht h et r a c kp i t c hm e a s u r i n gm e t h o da n dt h e u n i q u ec h u c kc a np r o v i d ee x c e l l e n tm e a s u r i n gp e r f o r m a n c ew i t hc h e a pp r i c e t h e s e t w oi n n o v a t e dm e t h o d sa r es i g n i f i c a n tf o rt h eo p t i c a ld i s k s d y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s m e a s u r e m e n t t h et o t a lp e r f o r m a n c eo fd s s 一9 8 0 1i sa sg o o da sc u r r e n ta d v a n c e d m e a s u r i n gs y s t e m s i nt h ew o r l d k e y w o r d s ：o p t i c a ls t o r a g es y s t e m ；o p t i c a ld i s k ；c a r t r i d g ed y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c ； s e r v o s y s t e m ；m e a s u r i n gm e t h o d ；p r e c i s i o n ； 华中科技大学博士学位论文 1 1 存储技术的发晨现况 1 绪论 最近的二十年是存储技术与设备飞速发展的二十年。以代表磁存储技术最高 水平的硬盘为例，据统计，2 0 世纪8 0 年代，硬盘容量每年的增长速度是2 5 到3 0 ； 9 0 年代增长速度达到6 0 ；2 0 0 0 年则达到1 3 0 【l 一1 。2 0 0 1 年前几个月，硬盘容 量就增加了1 倍。以上数据表明，硬盘容量增长的速度大大超过其它电脑芯片集 成度和工作频率提升的速度。在硬盘容量提高的同时，硬盘单位存储容量成本也 在显著下降。据磁盘趋势公司的报道，每兆字节硬盘的价格已从1 9 8 8 年的1 1 5 4 美元下降到1 9 9 8 年的0 0 4 美元。估计2 0 0 0 年每兆字节硬盘容量的成本为o 0 2 美 元。因此，有分析家感叹，磁存储的单位存储成本已低于传统的纸张存储。从市 场容量上看，1 9 9 8 年硬盘的出货量为1 4 5 亿台，而到2 0 0 2 年这个数字将上升到 2 5 亿，其市场价值将达到5 0 0 亿美元。 经过多年发展的硬盘技术已非常成熟p j 。未来几年，受“超顺磁效应” ( s u p e r - p a r a m a g n e t i ce f f e c t ，s p e ) 的限制，硬盘技术将发展到其存储密度的物理 极限。对于现有存储材料和硬盘技术，受s p e 限制，硬盘的最高存储密度有人估 计是1 5 0 g b i n 2 4 , 5 , 6 1 。目前产品能达到的水平约为2 0 g b i n 2 ，实验室能达到的水平 约为l o o g b i n 2 。为了突破s p e 的限制，i b m 、s e a g a t e 、m a x t o r 和许多生产商、 独立研究机构都在就此进行研究。按照目前硬盘发展的趋势，部分专家相信工业 界将于2 0 0 5 年遇到s p e 障碍。从硬盘技术的现状来看，在不影响位密度的情况 下，提高道密度和存储介质的矫顽力是突破s p e 障碍的关键。1 9 9 9 年出现的光磁 混合记录技术( h v b 棚r e c o r d i n g ) 将具有极高能量密度、极小面积的近场光斑的热 效应和磁记录原理结合起来，该技术方案允许采用具有较高矫顽力的存储材料， 在适当设计磁头磁场和光学头热场的前提下可提高道密度，拥有克服s p e 障碍达 到5 0 0 g b i n 2 存储密度的技术潜力，因而该技术一经出现即受到广泛的关注。p h i l i p s ， s h a r p h i t a c h i ，c a r n e g i e m e l l o n 都投入大量财力对此进行研究。 2 0 世纪7 0 年代发展起来的光盘存储技术是适应时代对大容量信息存储的要 求而产生的一种新的存储技术。这项技术将具有很高相干性和单色性的激光束汇 聚到光衍射极限的尺寸，使微光斑照射区域甩的某种存储介质产生物理变化，从 而导致该微小区域的某种光学性质( 如折射率、反射率等) 与四周介质形成较大 华中科技大学博士学位论文 的反衬度。因此，信息的写入过程是调制激光以载入要存储的信息，而读出过程 则是用激光来检测光信号，放大、懈调以取出信息【7 1 。 光存储产品的发展也是极为迅速的。二斗世纪八十年代光存储技术在音频和 视频领域的应用直接促进了光盘和相关产业的兴起。当前光存储产品可分为只读 型( r e a d o n l y ) 、一次写入多次读出型( w r i t e o n c er e a dm a n y , w o r m ) 及可擦重 写型( e r a s a b l e ，d i r e c tr e a da f t e rw r i t e ，d r a w ) 几类；其中前一类型的存储产品 都以复制法生产，因此，生产成本极低。这些产品的盘片尺寸都是1 2 0 m m 直径， c d 的单盘存储容量可达6 5 0 m b ，d v d 单盘单面可达4 7 g b ；从应用上看，作为 廉价的记录介质，它们可用于记录声音、视频、图像、文本和数字数据。另外对 于分发产品信息，样本等，此类产品也显示出其廉价、介质可换的巨大优势1 8 , 9 j 。 一次写入多次读出型光存储产品主要用在数据需要经常跟踪的场合。如文件 存档，图文处理，彩色印刷，计算机辅助工作站等。一张w o r m 型光盘的单盘 容量为5 0 0 - - - 1 0 0 0 m b ，并且在不断增长。当前发展最快的w 0 r m 型产品有c d r 和p h o t o c d 。这二种产品均采用c d 制式，因此可与c d r o m 兼容( 读出) 。 可擦重写光盘是最近l o 多年开发出的新一代光盘存储技术。这项技术突破了 光存储产品不可擦写的弱点。目前广泛使用的可擦重写光盘主要有磁光盘 ( m a g n e t i co p t i c a l ，m o ) 和相变光盘( p h a s ec h a n g e dd i s k ，p c ) 。磁光盘是利用磁 场对偏振光的克尔效应读出信息，利用热磁效应写入信息的。由于采用了高矫顽 力的磁性材料，磁光盘的可靠性和寿命均高于硬盘，是可靠性最好的可重写介质 之- - 1 1 0 1 。磁光盘最早应用于m a c 机系统，主要是作为图形，图像和桌面出版这类 要求容量大，可靠性高的数据存储；随着w i n d o w s 系统的出现，p c 机上图像和 音乐应用随之而来，磁光盘系统也在p c 机平台找到了应用】。目前，磁光盘是 可移动、介质可换、可擦重写类光存储产品中最活跃的一种。据统计，全球每年 磁光盘盘片的数量以3 0 的速度增长。截止2 0 0 0 年，全球磁光盘驱动器的数量已 超过7 0 0 万台，各类磁光盘盘片数量超过1 亿片 1 2 , 1 3 】。由奥夫钦斯基提出并得到 迅速发展的相变光盘也是可擦重写类光存储产品中重要的一员。相变光盘主要是 利用存储介质晶态和非晶态反射率的不同来记录信息的。其信息的读出是通过检 测记录介质反射率的不同来完成，其写入过程则是利用激光的热效应，通过改变 记录介质的物态( 晶态和非晶态) 来完成的。相变光盘的突出优点是，价格较磁 光盘低，读出原理和广泛使用的c d r o m 相似，因此可以在c d r o m 驱动器中 读出相变光盘记录的信息：但是相变光盘的寿命较磁光盘短，且比磁光盘易受环 境温度和环境光的影响【l4 1 。总起来看，相变光盘和磁光盘互有优势，相变光盘也 华中科技大学博士学位论文 是一类很有发展潜力的可擦重写类光存储产品。 和硬盘存储密度受到超顺磁效应限制一样，光存储产品存储密度也受记录位 ( p i tl e n g t h ) 尺寸和光点尺寸制约。记录位尺寸主要取决于记录材料的性质，而 光点尺寸主要决定于入射激光和驱动器光学器件的光学性质。提高光存储产品的 存储密度主要是围绕缩小记录介质的记录位( p i tl e n g t h ) 尺寸和缩小光点尺寸来 进行的。 1 2 光存储技术的发展趋势 随着i n t e m e t 的普及和数据密集型应用( d a t ai n t e n s i v ea p p l i c a t i o n ) 的深入发 展，存储技术将在二十一世纪扮演日益重要的角色。 资料表明，当前企业内部数据库容量的事实标准是t b 级【l5 】，而在个人办公 和家用环境中，对于存储容量的要求也是同益提高。三菱公司的调查资料屁示， 在以键盘输入为主的时代，仅仅是可移动存储部分的容量要求是1 0 1 0 0 m b ，而 在多媒体技术应用日益普及的今天，信息输入方式闩益多样化，来自i n t e r n e t 、 h o m et v 、数码相机和便携式数码摄像机( c a m c o r d e r ) 的信息输入要求的容量是 以往的1 0 0 倍以上【1 6 1 。据美国市场的统计，在未来的4 5 年内，由p c 机处理的 信息将比现在增加1 0 倍，也就是说，新世纪要求t b 级的记录存储容量。因此超 大容量是光存储产品的首要目标。 光盘的存储容量取决于存储介质和信号检出机制二方面。 从存储介质方面看，在不改变存储介质面积的前提下，高存储密度意味着大 的存储容量。因此提高存储密度是存储介质的发展方向。以d v d r o m 为例， d v d r o m 的记录位尺寸和单盘单面存储容量的关系如图1 - 1 所示。当前半导体 工业深紫外光蚀刻技术可加工的最小线宽为0 1 7 , t a n ，若d v d r o m 记录位按此线 宽计算，其容量难以超过3 0 g b ，如图1 1 左图的粗虚线所示。s o n y 公司于1 9 9 9 年发表了记录位尺寸为0 1 9 o n 、道间距为o 3 6t o n ，单盘、单面容量为2 0 g b 的 d v d r o m 光盘【1 7 】。根据图1 一l ，若要实现单盘单面达到t b 级的存储水平，以现 有d v d r o m 标准中记录位尺寸和道间距的关系来计算，记录位尺寸必须小于 4 0 n m 。因此，从现有技术的发展潜力看，单盘单面达到t b 级的存储水平是很难 做到的f 1 8 i 。 华中科技大学博士学位论文 b 酬r l l l 2 1 0 r s , p cc o d e o j j j j o o 0 0 0 一 孳寨冀： o o 0 冬太0 一 日“o n r l l ( 2 t 0 l r g , p c = o d e ： j j p l 图1 - 1记录位尺寸和d v d r o m 容量的关系 从数据检出的角度看，光学头能够到达的最大分辨率也是制约光存储产品容 量增加的一大因素。光斑尺寸决定了光学头的分辨率，而光斑尺寸又近似等于 2 n a ( 为入射激光波长，n a 为物镜数值孔径) 。显然缩小激光波长和增大数值 孔径是缩小光斑尺寸的有效途径9 2 0 】。由于存储材料对短波长激光的强烈吸收作 用，4 0 0 h m 的短波长激光可能是光盘系统所能采用的最短波长的激光。图i 2 给 出了入射激光波长为4 0 0 n t o 时，1 2 0 r a m 盘单面容量和光斑直径之问的关系。 b = s e do nd 4 w 帽l e n 9 廿州2 n 图1 - 2 光斑尺寸和光盘容量的关系町 在远场情况下，n a 最大极限为l 。因此，当入射激光波长定为4 0 0 r i m 时， 4 一e6口l一f_arl cj08重譬ptte ij生牛g曼oae皇io-嚣eg 华中科技大学博士学位论文 1 2 0 m m 盘容量最多能达到3 5 g b ，如图1 3 左图中的粗虚线所示。而要达到t b 级 的存储容量，在理论上n a 必须大于54 。 图1 - 3 数值孔径和盘片容量的关系i ” 综合以上介质和光学元件的情况，传统的技术及其发展潜力是难以满足大容 量存储的要求的。 新的光存储技术的出现为超大容量存储提供了可能。从光学器件方面看，近 场光学技术是较为引人注目的。 为了突破远场光记录n a 值不大予l 的限制，近场光记录在近年得到了迅速 的发展。图1 - 4 给出了二种近场记录光学头的方案。这二种方案分别是半球型固 态浸没物镜( h e m i s p h e r i c a ls o l i di m m e r s i o nl e n s ，s i l ) 和超半球型固态浸没物镜 ( s u p e rh e m i s p h e r i c a ls o l i di m m e r s i o nl e n s ，s s i l ) 方案1 “j 。 s i l n a = i l 。n a 圳 s s i l n a = n 2 * n a 制 图1 - - 4s i l s s i l 近场存储方案 在s i l 系统中，物镜数值孔径n a = nn a o b j ，而在s s i b 中，n a - - n 2n a o b j ； 其中n 为折射率。公布的资料显示，目前在s i l 系统中新采用的光学材料的最大 折射率为3 3 ，这意味着1 2 0 r a m 光盘的容量按d v d r o m 国际标准中记录位( p i t l e n g t h ) 和道间距( t r a c k p i t c h ) 的关系计算，其存储容量为3 5 0 g b 左右( 参见图1 3 ) 。 s i l 和s s i l 都是通过引入固态浸没物镜，增加折射率的方法来减小记录光斑的大 小。因此从本质上说，这两种方案都是准近场方案，密度潜力受限。此外，由于 华中科技大学博士学位论文 固态浸没物镜光学系统的引入，使光学头质量、体积增大，使其平均定位时间无 法与硬盘竞争。 国外还出现了光纤锥尖( o p t i c a lf i b e r t i p ) 和微孔半导体激光器( v s a l ) 以 及波导近场记录技术。前二种技术的原理结构如图1 5 所示。 光纤锥尖的存储密度取决于光纤锥尖的尺寸，用于实验的最小锥尖出口直径 为5 0 n m ，这意味着存储密度最高可达2 5 0 g b i n 2 。该方案的最大问题在于其较低 的写入速度和很低的功率耦合效率。 v s a l 技术在功率耦合效率上大大优于光纤锥尖1 2 3 1 。v s a l 的记录密度取决 于微孔的尺寸，该尺寸的大小既取决于加工一1 ：艺又取决于激光器内部的功率反馈 机制【”1 。因此要做到极小的孔也是很困难的。目前国外实验室达到的最高水平为 1 0 0 r i m ，国内的相应水平为2 5 0 n m 。 波导近场记录技术的功率耦合效率介于前两种技术之间，但波导锥尖的出口 尺寸利用半导体工艺较易于制作得很小。其出口尺寸为矩形，厚度方向尺寸6 用 溅射工艺保证，宽度方向尺寸b 由光刻得到。目前能提供足够写入功率密度的波 导锥尖尺寸国际上实验室水平为6 x b = 5 0 n t o 1 0 0 n m ，国内的相应水平为 5 嘶，l 2 5 0 n m 2 6 1 。 图1 - 5 锥尖光纤和小孔光学近场方案”1 全息存储及多层存储介质是光存储发展的另一重要方向。根据理论计算，如 果使用全息技术，在一个标准的c d 盘片大小的晶态表面可以存储t b 级的数据。 同时，全息技术读取信息的速度也是磁存储技术无法比拟的。正在开发中的新存 储技术在存储密度的潜力上都不能和全息存储技术相比。该技术吸引了像i b m 、 l u c e n t 这样的大公司参与。这些公司的目标是在1 0 年内生产出一种实用的商业化 全息存储系统。美国政府对全息存储技术也给予高度的重视。自九十年代中期以 来，美国国防部高级研究计划局成立了全息数据存储系统( h o l o g r a p h y d a t as t o r a g e s y s t e m h d s s ) 小组和光折变信息材料( p h o t or e f r a c t i v e i n f o r m a t i o ns t o r a g e m a t e r i a l ，p r i s m ) 小组，对全息存储材料和系统进行研究。成立于1 9 9 5 年的 6 华中科技大学博士学位论文 h d s s 的近期目标是在5 年内研制出一种实用的全息存储系统：而成立于1 9 9 4 年 的p r i s m 小组的目标则是在2 0 0 1 年年底生产用于全息存储的高级存储介质。随 着上述2 项工程的进展，一些内部人士已报道出一些最新进展。2 0 0 0 年年底，h d s s 小组展示了一种全息存储器，该存储器能以1 g b s 的速度读出，同时还展示了在 1 0 0 s 以内随机读取选定数据的能力。这一随机读取速度远远高于磁盘驱动器的 随机读取速度。但是从i b m 传出的信息却不那么乐观，在寻找合适的存储材料方 面，i b m 试验过包括铌酸锂和其它无机物在内的多种材料，但是所有试验过的材 料都无法提供主流商业存储系统所需的性能、容量和价格。同时，研制要求苛刻 的激光器，寻找低价检测器和空间光调制器也非易事。此外，还应看到，全息存 储写入速度较慢。因此，全息存储走向实用化还有较长的路要走。 具体到磁光系列产品上，日本三菱公司和s o n y 公司在政府的支持下联合了 c a n o n 、h i t a c h i m a x e l l 、s e i k o 等著名的企业准备在2 0 0 5 年推出3 5 英寸单片容量 达到1 0 0 g b 的磁光盘。届时其存储密度可达8 0 g b i n 2 。据介绍，这种新型的磁光 盘将采用紫外波长的激光( = 4 0 5 n m ) 1 2 7 2 8 1 及h i t a c h i m a x e l l 公司开发的磁放大 磁光系统( m a g n e t i c a m p l i 斯n g m a g n e t o o p t i c a ls y s t e m ，m a m o s ) 1 2 巩”】。 相变光盘的技术进步也是相当显著的， e n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c ei n c ( e c d ) 已研制出多值光存储技术( m u l t il e v e lo p t i c a ld a t a ) 。该技术可以成倍地提高存储 密度和存取速度。另外，近场光学技术、短波长激光器和存储介质也是e c d 重点 考虑的发展方向【3 1 - 3 5 。 我国的光存储技术研究与开发始于1 9 8 5 年。当前，国内的主要研究方向主要 是短波长( * 5 0 0 r i m ) 光记录，近场光记录，数字全息存储，光致多维存储( p h o t o i n d u c e dm u l t i d i m e n s i o n a ls t o r a g e ) 等方面。另外科学院主持的短波长高密度光存 储项目( s u p e r h i g i l d e n s i t yo p t i c a ld i s ks t o r a g ep r o j e c t ，h - d v d ) 确定的目标是在直 径为1 2 0 r a m 的h d d v d 的单面容量达到2 0 g b ，存储密度为1 0 g b i n 2 。在近场记 录方面，我国的一些研究单位进行了一些基础性的工作。如飞行光头和盘片之间 的能量传输的仿真计算、波导锥尖的矩阵计算、s u p e r r e n s 的理论和实验工作等 3 6 - 4 0 1 。在全息存储f 4 1 4 6 1 和光致多维存储4 7 1 方面，我国也已立项，并开展了系统的 研究和开发。 7 华中科技大学博士学位论文 1 3 光盘动态机械特性及其测试技术的发展 在本文中，光盘的动态机械特性是指光盘的轴向偏摆( a x i a l d e f l e c t i o n ) 及 加速度，径向偏摆( r a d i a lr u n o u t ) 及加速度。光盘动态机械特性和光盘驱动器的伺 服系统密切相关，是影响光盘系统性能的重要因素，是光盘制造的重要技术指标。 动态机械特性与驱动器伺服系统之间的关系对于光盘和硬盘是类似的，因此光盘 和硬盘动态机械特性的研究、测量方法可以互相借鉴、印证。 光盘和硬盘的显著区别之一在于介质可换性。光盘系统是介质可换的存储系 统。为了满足介质的可换性要求，光盘盘片和驱动器夹具的配合留有较大的间隙， 而该间隙大小随各次安装而随机变化，因而光盘的动态机械特性对光盘的影响要 比硬盘的大，盘片的动态机械特性对光盘系统而言就显得更有意义。图1 - 6 以磁 光盘为例，展示了磁光盘的结构框图，并特别给出了伺服系统误差检测单元的结 构和误差信号。 图1 - 6 磁光盘系统的结构框图 。乜中：f ： 技足学i 育l ：j ! i ： 爱沦叉 h1 。7卅+ 秣，j j 态机械4 r l i 、 系统r ：能f n l 彤1 1 硒 光髓动态机械特p f ：对) 匕珊系统。n 能的影i 帅虬h1 7 。 为了提高圯柱系统的一r 翰( 敬 l i 传输率、 7 均等待时m 等) ，光蕊系统的转j 出 提高得很快。系统转速的提高棚心地掇i 衔厂光穗，力态特r l ：堆频和晰波j m j ) - f n 频：簪， 而提高了对伺服系统带宽的要求。 现有传统结构的光蕊驱动器所采川的光。产义，j i ：作原婵均属j ：远场光 7 - 的 范畴聚焦光斑的人小受衍利极限n 1 限制。) 匕斑人小( 以比斑阿行d 衡f i = ) 1 ，光 学泌物镜数值孔住( n a ) 干入刺激光波k ( ) 的父系i ji 割l 一8j 傍缘给。 图i - 8 光斑人小! j 光学头数值孔行千入射激光波k 的火系 本章前面已经提到，缩小入刺激光波kx 和提高物镜数i t - f l , 行n a 通常址祝 高光盘存储密度的主要途径。传统光椭系统和拭j ，s i l 方案的近场光嚣t 系统都足 9 华中科技大学博士学位论文 通过这两个途径来提高存储密度的。 的提高不仅意味着存储密度的提高， 入射激光波长 的缩小和物镜数值孔径n a 也意味着伺服精度的提高【4 8 1 。以传统光盘轴 向( 聚焦) 伺服系统为例，轴向伺服的容许误著和彬。成f 比，因此，通过以上 m 途径提商光盘的存储密度必将对轴向伺服系统提出更高的要求。同样地，道密度 的提高也对径向伺服精度提出了更高的要求。新的光盘技术以提高光盘的存储密 度为主，存储介质密度的提高和信号检出技术的进步意味着更小的信息位尺寸和 更小的光斑，在这种情况下，相邻信息道问发生信号串扰的可能性将增大，同时 信号电平将降低。从而，对光盘伺服系统的伺服精度、光盘的动态特性及信号检 出的灵敏度都提出了更高的要求。因此，近场光盘为改进动态性能将采用加工精 度更高、光学性能、机械性能更好的玻璃盘基取代传统光盘的塑料盘基。光磁混 合记录技术与近场光记录技术理论上均可得到几十纳米的近场光斑。为了将光班 维持在近场光学的范围内，要求的跟随精度较传统光盘的伺服精度高出近百倍， 这实际上已难以用传统的轴向伺服控制的方法达到，因而近场光学头必须采用类 似硬盘磁头的浮动技术，以满足近场的稳定度要求。这时还必须同时使光盘机械 系统的动态特性得到很大改善，例如轴向和径向( 按1 0 0 k t p i 考虑) 偏摆的允许 范围减小到原来的2 0 + 3 0 ，估计才能达到目的。如果要达到2 5 0 k t p i 以上的道 密度( 近场技术可以支持该道密度) ，则径向动态偏摆需减小一个数量级以上。因 此，没有机械系统动态性能的大幅度提高，新一代高密度光存储或光磁混合存储 产品实际上是不可能的。 鉴于光盘动态特性的重要性，许多国家的公司及各科研机构都对此进行了深 入的研究，并得出了一些成熟的测量方法和测量系统。国外的研究机构对于光盘 盘片的动态机械性能均给予了极大的重视。日本东芝( t o s h i b a ) 公司、n h k 广播 公司、小野公