（计算机系统结构专业论文）近场记录光盘浮动技术研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 近场光记录是超高密度信息存储领域的一个重要分支，国际上正大力进行研究 与开发。目前，人们所进行的主要是一些静态记录的实现。近场记录光盘要实用化， 必须要在动态读写过程中保持头盘间距稳定在近场距离内，而浮动技术则是迄今为 止实现这一要求的最好方法。此外，利用浮动技术可以轻量化光学头系统，提高寻 道速度。再者，目前倍受磁记录晃和光记录界共同关注的近场光、磁混合记录技术 的成功也依赖于近场馈热的动态实现。因此，深入研究近场记录光盘有关浮动系统 的理论与技术就具有重要的理论和实际意义。 近场记录光盘的浮动技术和硬盘中采用的浮动技术有诸多相似之处，但同时也 具有自身的一系列特点。在借鉴硬盘浮动技术研究工作的基础上，我们对近场光记 录的有关浮动技术问题进行了系统深入的研究。 首先研究了合理的浮动间距确定方法。为此，建立了近场记录光盘头盘近场耦 合的功率传输模型，给出了计算方法与仿真结果以及浮动间距分别影响光功率损耗 和记录密度的规律。提出了综合考虑满足记录密度与写入功率两个独立要求的合理 确定浮动间距的方法。 根据对近场光记录浮动间距要求的分析，必须考虑粗糙度的影响。基于平均流 的思想，在假定粗糙度轮廓高度符合高斯分布的情况下，导出了能同时考虑粗糙度 大小和粗糙度轮廓特征影响的浮动系统流体动力学方程，并据此进行浮动系统的设 计。 针对近场记录光盘耳前研究中的主要三种技术，即波导锥尖技术，固体浸没物 镜技术以及微孔激光器技术开展浮动系统的研究。根据国家课题任务对上述三种技 术的实验研究要求，研究设计了两种结构尺寸的悬浮滑块。 考虑波导锥尖和微孑l 激光器技术的某些共同特点，设计了一种能同时适用于这 两种技术进行实验研究的带梯形后轨的三轨式滑块。对于固体浸没物镜技术的实验， 根据其特点，设计了一种带圆形后轨的三轨式滑块。根据以上设计，对上述两种滑 块构成的浮动系统分别进行了静、动态性能的仿真研究。 在静态性能方面，研究了加载力及加载位置的影响，滑块几何参数的影响以及 各制造和装配误差的影响等。对于动态性能，研究了起飞特性，气膜刚度、阻尼及 华中科技大学博士学位论文 其变化规律，悬浮滑块跟随盘片复杂模态振动的能力及跟随误差，以及滑块在受到 位移冲击和盘面凸起缺陷冲击的情况下保持姿态稳定及恢复稳定姿态的能力( 时i 础 长短) 。 通过以上研究得到了以下结果：1 ) 确定了两种滑块的几何参数( 尺寸) 及加载 力参数以及对应于滑块最小飞高容差的各参数的容差；2 ) 得出了加载力参数及滑块 各几何参数影响系统静态性能( 平衡姿态) 的规律及权重系数；3 ) 给出了基于上述 影响规律的系统静态性能稳定度的统计分析方法：4 ) 给出了浮动系统动力参数( 刚 度、阻尼、固有频率) 及其变化特性的仿真测试方法与结果；5 ) 建立了考虑气膜刚 度、阻尼分布特征与非线性性质的浮动系统动态特性综合分析的近似模型：6 ) 给出 了对滑块结构与浮动系统性能进行优化分析与优化设计的原理、方法与框图。上述 研究结果特别是系统静态性能稳定度的统计分析方法、系统动态性能综合分析近似 模型以及优化设计的方法与框图对于浮动系统的优化设计具有重要意义。 近场光、磁混合记录是近年来为突破磁记录材料的超顺磁极限而提出的一种新 技术。目前国际上对传统硬盘磁记录面密度的估计，对近场光、磁混合记录的实现 方法及其能达到的记录面密度前景等在认识上存在很大的差异。我们基于磁记录材 料产生超顺磁现象的机理，分析驱动器技术的潜力，对传统磁记录密度的极限作出 了自己的估计。在分析现有近场光、磁混合记录方案的基础上，认为基于波导锥尖 近场馈热的正交双梯度混合记录方案具有最好的实用化前景和最高的记录密度潜 力。根据我们对波导锥尖近场馈热特性的研究给出了这一技术方案近期能达到的记 录面密度水平及发展前景。在上述工作的基础上，对近场光、磁混合记录中由近场 馈热导致气膜温升的问题进行了讨论，对温升给浮动系统性能的影响进行了仿真研 究，得到了影响规律及相关的结论。结果表明，对于采用近场光馈热的浮动系统的 设计必须计入温度的影响，特别是对于近场光、磁混合记录，这一影响更为严峻。 随着记录密度的不断提高，头盘浮动间隙不断减小。目前近场光、磁混合记录 已经在研究l o r a n 以下的浮动系统。然而研究显示，由于浮动间隙已远小于空气分 子平均自由程( 室温下约6 5 r i m ) 而有使气膜浮动技术失效的危险。非牛顿液膜浮 动技术就是在这种背景下在近几年备受关注的。我们在前面建模工作基础上进一步 建立了考虑表面粗糙度影响的非牛顿液膜浮动系统模型，并据此使用国际上目前研 究中使用的一种“液体塑料”的参数对这类系统的性能进行了部分探索性的仿真研 究。研究表明，非牛顿液膜浮动系统的性能与气膜的情况有很大的差异。在充分考 华中科技大学博士学位论文 虑其特点进行合理设计的情况下可以在大幅度提高系统的谐振频率特别是提高具有 重要意义的扭振谐振频率( 例如提高3 7 倍) 的同时，还具有能抑制因速度改变( 半 径改变) 而引起的浮动间隙波动等一系列优势。当然，这种新技术在传统产品( 例 如硬盘) 中的应用将受到一系列因素的严格约束。然而，对于采用新技术开发的新 一代产品( 如光、磁混合记录盘，近场光盘等) 的应用前景是存在的。 最后我们还基于近场记录光盘的特点对两种新的浮动头启停技术进行了讨论， 对其应用前景进行了分析。 关键词：近场光记录浮动技术波导锥尖固体浸没物镜微孔激光器 近场光、磁混合记录非牛顿流膜润滑启停技术 i l l 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t t h en e a r f i e l do p t i c a lr e c o r d i n g ( n f o r ) i so n eo ft h eb r a n c h e sw i t h p r o m i s i n g p r o s p e c ti nt h ef i e l do fi n f o r m a t i o ns t o r a g e m u c he f f o r ti sp u ti n t oi t sr & d i nt h ew o r l d h o w e v e la l le n d e a v o r sa r ef o c u s e do nt h er e a l i z a t i o no ft h es t a t i cr e c o r d i n g i no r d e rt o m a k ei tp r a c t i c a b l e , t h eh e a d d i s k g a p m u s tb ec o n t r o l l e di nn e a rf i e l dd u r i n gt h ed y n a m i c r e c o r d i n gp r o c e s s u pt on o w , t h es l i d e rb e a r i n gi st h em o s ts u c c e s s f u lw a y m o r e o v e r , t h es l i d e rb e a r i n gc a n s i m p l i f yt h eo p t i c a lh e a d ，t h u sr e d u c et h ea c c e s st i m e f u r t h e r m o r e ， t h es u c c e s so fn e a rf i e l d o p t i c a l - m a g n e t i ch y b r i dr e c o r d i n g ( n f o m h r ) ，w h i c hi s c o n c e r n e de x t e n s i v e l yb ye x p e l si nb o t hm a g n e t i cr e c o r d i n gf i e l da n do p t i c a lr e c o r d i n g f i e l d ，r e l i e so nt h ed y n a m i cr e a l i z a t i o no fh e a t i n gu pi nn e a rf i e l d s os l i d e rb e a r i n gf o r n f o rh a sb e c o m et h ek e e nc o n c e r no ft 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 ft h e o p t i c a ld i s kp r o d u c t s a l t h o u g ht h es l i d e rb e a r i n go fn f o r h a sm a n yt h i n g si nc o m m o nw i t ht h a to fh a r d d i s k ，i th a sm a n yi t so w nt r a i t s u s i n gt h es f i d e rb e a r i n go fh a r dd i s kf o rr e f e r e n c e ，w e c a r r yo u ti n d e p t hr e s e a r c ho n t h es l i d e rb e a r i n go fn f o d f i r s t l y , h o w t od e c i d et h er e a s o n a b l ef l y i n gh e i g h ti ss t u d i e d f o rt h i sa i mw em o d e l t h ep o w e rt r a n s m i s s i o no fn e a rf i e l dc o u p l i n gi nn f o d ，g i v et h ec a l c u l a t i n gm e t h o d sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ei n f l u e n c er u l eo ft h ef l 撕n gh e i g h to nt h ep o w e rl o s sa n dr e c o r d i n g d e n s i t y i sa l s o p r e s e n t e d a tl a s t ，a r e a s o n a b l em e t h o dw h i c hc a l l s a t i s f y t h et w o i n d e p e n d e n tr e q u i r e m e n t s r e c o r d i n gd e n s i t y a n d w r i t i n ge n e r g y i sp u tf o r w a r d s a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i sf o rt h ef l y i n gh e i g h tr e q u i r e m e n to fn f o r ，i ti sn e c e s s a r y t ot a k et h er o u g hi n t oc o n s i d e r a t i o n b a s e do nt h em e a nf l o wm e t h o d ，w i t ht h ep r e m i s e t h a tt h es u r f a c e sh a v eag u a s s i a nd i s t r i b u t i o no fr o u g hh e i g h t s ，w ed e d u c eal u b r i c a t i o n e q u a t i o nf o rs l i d e rb e a r i n gs y s t e md e s i g nw h i c hc a nt a k e i n t oc o n s i d e r a t i o nb o t ht h e r o u g hh e i g h ta n d t h ed i r e c t i o n a lp r o p e r t i e so ft h es u r f a c e s w i t ht h et h r e em a i nr e a l i z i n gs c h e m e si nn f o r ：w a v e g u i d ep r o b e ，s o l i di m m e r s i o n l e n s ( s i l ) ，v e r ys m a l la p e r t u r el a s e r ( v s a l ) ，w ed or e s e a r c h e so nt h es l i d e rb e a r i n g ， r e s p e c t i v e l y a st h e t a s ko ft h en a t i o n a lp r o j e c t ，w ed e s i g nt w ok i n d so fs l i d e r sf o r e x p e r i m e n ts t u d y o fn f o r s i n c ew a v e g u i d e p r o b e a n dv s a lh a v es o m et h i n g si nc o m m o n ，at r i p a ds l i d e rw i t h i v 华中科技大学博士学位论文 at r a p e z o i dt r a i l i n gp a dt h a ti ss u i t a b l ef o rb o t h w a v e g u i d ea n dv s a l a r ed e s i g n e df o r t h e i re x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s f o rt h ee x p e r i m e n to fs i lw e d e s i g nat r i p a ds l i d e rw i t ha r o u n dt r a i l i n gp a d b a s e do nt h et w od e s i g n s ，w ec a l l - yo u ti n d e p t hr e s e a r c ho nt h e i r s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sb y c o m p u t e r s i m u l a t i o n ，r e s p e c t i v e l y f o rs t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s ，t h e l o a da n di t s p o s i t i o n ，t h es i z e s ，t h e m a n u f a c t u r i n ga n da s s e m b l i n ge r r o r s o nt h e f l y i n g a t t i t u d ea r ea l ls t u d i e d f o rt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h et a k e o f fs p e e d ，a i rf i l ms t i f f n e s sa n dd a m p i n ga n dt h e i r c h a n g er u l e ，t h ef o l l o w i n g c a p a b i h t yo f t h es l i d e rw i t ht h ed i s kw h i c hh a sc o m p l e xm o d a l v i b r a t i o na n dt h ef o l l o w i n ge n d lt h es t a b u n gc a p a b i l i t yo ft h es l i d e rw h e ne x e r t e da d i s p l a c e m e n ti m p u l s e a n dad i s kb u g i m p u l s e a r es t u d i e d ，r e s p e c t i v e l y b y a b o v em e n t i o n e dr e s e a r c h e sw eg e t ：1 ) t h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s ( s i z e ) o ft h e t w os l i d e r s ，t h el o a dp a r a m e t e r sa n dt h ea l l o w a n c eo fe a c hp a r a m e t e rw h i c hi n f l u e n c e s t h em i n i m u m f l y i n gh e i g h ta r ca l ld e c i d e d ；2 ) t h ei n f l u e n c er u l eo fl o a dp a r a m e t e r sa n d g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r so n s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fs l i d e rb e a r i n gs y s t e ma r eo b t a i n e d ，s o i sw i t hi n f l u e n c e w e i g h t o fe a c hp a r a m e t e r ；3 ) t h es t a t i s t i c a l a n a l y s i s m e t h o df o r i n f l u e n c er u l eo fs y s t e ms t a t i cs t a b i l i z a t i o ni sp r e s e n t e d ；4 ) t h ed y n a m i cc o e f f i c i e n t s ( s t i f f n e s s ，d a m p i n g ，n a t u r ef r e q u e n c y ) a n dt h e i rc h a n g er u l e a r eg i v e n ；5 ) ai n t e g r a t e d s i m p l i f i e ds y s t e mw h i c hi s b a s e do nt h ed i s t r i b u t i o no fs t i f f n e s s ，d a m p i n ga n dt h e i r n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c si sm o d e l e d ；6 1t h e p r i n c i p a l ，m e t h o d a n df l o wc h a r to f o p t i m i z a t i o nf o rs l i d e rs t r u c t u r ea n ds f i d e rb e a r i n gp e r f o r m a n c ea r eg i v e n t h ea b o v e r e s e a r c hr e s u l t s ，e s p e c i a l l yt h es t a t i s t i c a la n a l y s i sm e t h o do fs y s t e ms t a t i cs t a b i l i z a t i o n a n dt h ei n t e g r a t i o ns i m p t i f l e da n a l y s i sm o d e lf o rd y n a m i ca n a l y s i sa r eu s e f u lf o rt h e o p t i m i z a t i o n o ft h es l i d e rb e a r i n g s y s t e m n f o m h ri san e w r e c o r d i n gm e t h o d f o ro v e r c o m i n gt h es u p e r - p a r a m a g n e t i ce f f e c t ( s p e ) o fm a g n e t i cm e d i a n o w a d a y s d i f f e r e n tp o i n to fv i e w se x i s ta m o n ge x p e r t so n t h er e c o r d i n gd e n s i t yl i m i tf o rh a r dd i s k ，m e t h o d so fr e a l i z i n gt h eh y b r i dr e c o r d i n ga n d i t s f u t u r e b a s e do nt h ep r i n c i p a lo fm a g n e t i cm e d i aw h i l et a k i n gt h ep o t e n t i a lo ft h ed r i v e i n t oc o n s i d e r a t i o n ，w ee s t i m a t et h er e c o r d i n gd e n s i t yl i m i tf o rt r a d i t i o n a lm a g n e t i c r e c o r d i n g ，a f t e ra n a l y z i n g t h ee x i s t e dm e t h o d sf o rn f o m h r ，w ep o i n to u tt h a t w a v e g u i d ep r o b eb a s e dd i a g o n a ld u a l - g r a d i e n th y b r i dr e c o r d i n gi st h eo n ew h i c h i st h e m o s tf e a s i b l ef o rp r o d u c ta n dh a st h eg r e a t e s tr e c o r d i n gd e n s i t yp o t e n t i a l b a s e do nt h e r e s e a r c ho nt h eh e a t i n g - u po fw a v e g u i d ep r o b e ，w eg i v et h er e c o r d i n gd e n s i t yl e v e lf o r v 华中科技大学博士学位论文 n e a rf u t u r ea n di t sd e v e l o p m e n ti nf a rf u t u r e a f t e rt h a t ，w ed i s c u s st h eh e a t i n g u po fa i r f i l mt h a ti sc a u s e db yt h el a s e ri l l u m i n a t i n g t h ei n f l u e n c eo f h e a t i n g u po f a i rf i l mt ot h e s l i d e rb e a r i n gs y s t e mi sr e s e a r c h e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，t h er u l eo ft h ei n f l u e n c ea n d s o m ec o n c l u s i o n sr e l a t e da r eo b t a i n e d t h er e s u l t ss h o wt h a th e a t i n g u po ft h ea i rf i l m h a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h es l i d e rh e a r i n gs y s t e m , e s p e c i a l l yi nn f o m h r w i t ht h ec o n t i n u a li n c r e a s eo ft h er e c o r d i n gd e n s i t y , t h eh e a d - d i s kg a pi sd e c r e a s e d a c c o r d i n g ly n o w a d a y st h eh e a d d i s kg a pi nt h en f o m h r t h a ti sg o i n go ni nt h el a bi s b e l o w1 0 r i m b u ts o m er e s e a r c h e ss h o wt h a ti th a st h ep r o b a b i l i t yo ff a i l u r es i n c et h e h e a d d i s kg a pi sl e s st h a nt h em e a nf r e ep a t ho f a i r ( 6 5 n ma tr o o mc o n d i t i o n ) t h u s an e w n o n n e w t o n i a nl i q u i dl u b r i c a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e da n df o c u s e do ne x t e n s i v e l y b a s e d o nt h em o d e l i n go fp e r f e c ts u r f a c e ，w ed e d u c et h en o n n e w t o n i a nl u b r i c a t i o ne q u a t i o n f o r r o u l g h s u r f a c ea n dd os o m e e x p l o r i n g r e s e a r c h u s i n g t h e s o - c a l l e d “l i q u i d f l u o r o c a r b o n s ”t h er e s u l t ss h o wt h a tg r e a td i f f e r e n c e se x i s tb e t w e e nt h es l i d e rb e a r i n g s y s t e md e s i g no fn o n n e w t o n i a nl i q u i df i l ma n da i rf i l m i ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e n o n n e w t o n i a nl i q u i di sf u l l yu n d e r s t o o d ，i t su s a g ec a ng r e a t l yi m p r o v et h er e s o n a n c e f r e q u e n c y , e s p e c i a l l yf o rt h ei m p r o v e m e n t o ft h et o r s i o n a lr e s o n a n c ef r e q u e n c y ( i e 3 - 7 t i m e s ) w h i c hi sv e r yi m p o r t a n t f u r t h e r m o r e ，i ta l l o w s t h ee f f e c to fc h a n g i n gd i s k v e l o c i t y w i t hr a d i u s ) o nt h ef l y i n gh e i g h tt ob es o m e w h a to f f - s e tb yt h ec h a n g ei n e f f e c t i v ev i s c o s i t y t os o m ee x t e n t ，t h i sn e wl u b r i c a t i o nm e t h o dw i l l b er e s t r i c t e d s e v e r e l yb ys o m ee c o n o m i c a la s p e c t sf o rt r a d i t i o n a lp r o d u c t ss u c h a sh a r dd i s k ；h o w e v e r , i tm a yf r e di t sh o m ei nt h en e x tg e n e r a t i o np r o d u c t ss u c h 髂n f o r a n dn f o m h r f i n a l l y , b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fn f o r , t w o k i n d so fs t a r t - s t o ps o l u t i o n sa n d t h e i rf u t u r ea p p l i c a t i o ni nn f o ra r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：n e a d f i e l do p t i c a lr e c o r d i n g s l i d e rb e a r i n g w a v e g n i d ep r o b e s o l i d i m m e r s i o nl e n s v e r ys m a l la p e r t u r el a s e r n e a rf i e l do p t i c a l m a g n e t i c h y b r i dr e c o r d i n g n o n - n e w t o n a n l i q u i d l u b r i c a t i o n s t a r t s t o ps o l u t i o n 华中科技大学博士学位论文 1 1 信息存储技术的发展 1 绪论 根据预测，全球的信息量今后几年姆会呈指数增长。由于信息的多媒体化，人 们需要处理的不仅是数据、文字、声音、图像，还包括活动图像和高清晰的图像等。 一页a 4 文件为2 k b ( 干字节) ，一张a 4 黑白照片为4 0 k b ，而一张a 4 彩色照片就 占5 m b ( 兆字节) 。放一分钟v h s 质量的全活动图像( m 】jm o t i o 】v i d e o ，f m v ) 要 1 0 m b ，而一分钟广播级的f m v 就要占4 0 m b ，在信息技术的几个环节( 获取、传 输、存储、显示、处理) 中，信息存储占有重要地位。2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代， 人们最关心的是信息处理，即如何提高计算机芯片的处理速率和效率，全球掀起了 计算杌主处理器( c p u ) 大战；9 0 年代后期通信网络兴起，大家可以共享数据和通 信，有人讲“网络就是计算机”；进入2 l 世纪，人们要考虑如何有效地存储和管理 越来越多的数据和如何应用这些数据。信息存储空间日益拥挤，信息数据的采集和 数据管理体系的复杂性越来越高，而且随着网络的普及，i n t e r n e t i n t r a n e t e x t r a n e t 逐 步进入单位和个人，2 l 世纪信息技术的浪潮将在存储领域兴起【1 j 。 目前使用最广泛的信息存储技术包括以下三种：磁存储技术，光存储技术，半导 体存储技术。对于所有的计算机系统，从p c 机至u 超级计算机，均采用层次结构实现 数据的存储 i - 4 。 其中，半导体存储器随机存取速度很快但价格昂贵，容量不可能根大，目前主 要作为中间结果和程序的内部存储器使用；磁存储技术中的硬盘、软盘和光存储技 术中的几种光盘主要用作联机外部存储器使用，是主要的外存储设备：而磁存储技 术中的磁带和光存储技术中的光带主要用作脱机海量存储设备，是辅助的外存储设 各。 1 1 1 磁存储技术的发展及挑战 近年来，磁存储技术继续获得突飞猛进的发展。硬盘面记录密度以每年翻番 的速率提高。目前硬盘产品道密度已经达到7 0 1 8 0 k t p i ，道间距约为3 6 0 - 3 1 0 n m ： 华中科技大学博士学位论文 位密度达到4 0 0 - 6 0 0 k b p i ，位间距约为6 4 4 2 a m ：相应的面记录密度达到 2 8 - 6 0 g i n2 。而实验室达到的面记录密度已接近1 0 0 g b i n2 ( 未公布技术细节和使 用寿命) 。硬盘磁存储技术作为主要外存储设备目前仍是现有存储技术中发展最快、 最具生命力的记录技术( 2 5 , 6 1 。 然而硬盘记录密度的进一步提高面临介质的超顺磁极限问题。理论研究与经验 均显示，要使磁微粒保持磁化十年以上使用，必须满足热稳定性系数墨兰：。4 0 ， 五日7 其中，k 。是磁晶各向异性系数，v 是磁微粒体积，k 。为波尔茨曼常数，r 为保存 和使用的绝对温度。若设v 为记录位元体积并设v = k v ，则七为每位元体积中包含磁 微粒的个数。实践表明，为了得到介质信号一定的信噪比，k 必须保持某一足够大 的数值f 7 “。目前对于k 的具体值虽然没有给出，但按照c h a r a p i 9 等人较为保守的估 计，达到超顺磁极限的实用化面记录密度大约为4 0 g b i n 2 ，而比较乐观的估计最高 为1 5 0 g b i n 2 1 0 1 。 随着记录密度的提高使记录位元体积缩小，要求介质的磁微粒体积也相应缩小。 这时要保持记录数据的热稳定，k 。必须增大或r 要相应降低。但r 的降低意味着保 存和使用温度的降低，是不可行的，因此只能增大k 。冠值的增大意味着介质矫 顽力和饱和磁矩的增加。这时，为了能够写入必须增大磁头写入的安匝数和磁芯的 尺寸，导致磁头尺寸的增加，从而又使磁记录的位密度和道密度减小，因此产生矛 盾 7 , s 。为了解决这个矛盾，必须在保持甚至减小磁头写入的安匝数和磁芯尺寸的情 况下能够写入，而这只能用适当加热介质到较高的温度以降低其k 值才有可能。 考虑上述方法，近年来，i b m 、f u j i t s u 公司相继宣布它们研制出突破超顺磁极 限的介质，例如乃凡c d ，d y f e c o 合金，k 。l i i 烂u s 1 0 6e r g c m 3 ，记录密度潜力可 达3 0 0 g b i n 2 。但是，要实现在加温下写入，从驱动器的角度看，达到这么高的记 录密度，还有很多技术问题有待解决【5 6 i 。 2 华中科技大学博士学位论文 1 1 2 传统光存储技术的发展及挑战 传统的光盘存储技术采用的是分离式光学器件组成的光学系统及光学头，采用 的是远场聚焦光斑记录的方式。根据光盘存储机理，光盘存储的密度取决于光头聚 焦光斑的大小。对于远场聚焦，其聚焦光斑直径d 和激光器波长a 以及激光入射到 记录介质的发散角以之间的关系为 d 。 苎 2 s i n ( 0 。) 因此，a 减小及s i n ( o ) 增大均可以减小聚焦光斑，提高记录密度。e 盱s i n ( 0 ) 最大值只能为l ，所以，d 最小只能等于a 2 ，这就是光存储技术中的光波衍射极限。 事实上，0 。最大通常为5 8 。，据此，d 最小为o 5 9 3 【1 1 1 ”，限制了存储密度的提高； 同时，由于聚焦系统的存在，光学头质量较大，降低了光学头的寻道速度。这些都 是传统的光盘存储技术发展的严重障碍 3 , 1 1 。1 4 。 目前，由于短波长激光器及新型记录介质的采用，d v d ( d i g i t a l v e r s a t i l ed i s k ) 技术得到了应用，在某种程度上增加了记录密度，提高了使用性能，但是这些都还 没有从本质上突破衍射极限和改变常规光盘寻道速度慢这一固有的缺陷0 4 1 。 1 2 近场记录光盘技术 光存储技术发展到今天，为了适应信息时代对存储容量和速度的极高需求，突 破衍射极限，世界主要工业国家都在寻求新的技术。近年来，由于近场光学的兴起， 给光存储领域提供了新的思路。因为通过近场光人们可以克服光波衍射极限的限制， 实现可用于记录的微小光斑。很自然，一种基于近场光记录的光盘技术被存储工业 界提出和广泛的研究着。研究中的近场记录光盘拟采用温彻斯特形式，并采用微型 浮动集成光学头技术，这样它就具有极高的记录密度、很高的寻道速度、并可望大 幅度降低成本等特点，成为光存储技术发展的一个重要方向之一m 2 4 ”。 近场记录光盘技术是在近场扫描锥尖光纤微探针技术的基础上提出的一种超高 密度光盘存储技术。我们课题组于1 9 9 5 年率先提出采用近场飞行光学头，实现近场 3 华中科技大学博士学位论文 光盘存储【1 7 1 。这样既可以使得头盘问距保持在近场范围内，实现近场超高记录密度， 同时也可以减轻光头的重量，提高寻道速度。近年来，人们致力研究的近场光记录 技术中，比较有代表性的有：固体漫没物镜技术，波导锥尖技术，微孔激光器技术 ( v s a l ) 以及超分辨率近场结构技术( s u p e r - r e n s ) 【1 2 】。几种技术中除了s u p e r - r e n s 主要是利用介质而不一定必须采用近场飞行光学头实现近场记录外，其它几种均采 用近场飞行光学头技术保证头盘近场间距。 固体浸没物镜近场光记录技术被认为是有可链最先实用化的记录方案h 啦! 1 。该 方案借用油漫显微物镜的原理，通过提高物镜的数值孔径，来达到减小光斑直径、 提高记录密度的目的。该方法的特点是沿用了传统光盘的聚焦物镜工作方式，解决 了光纤锥尖过多损失光能量的问题；所采用的单元技术都相当成熟，因此容易实用 化。不过该技术的记录密度提高仍受到光斑衍射极限限制，从严格意义上讲，它是 一种准近场光记录，但其提高记录密度的幅度还是很可观的，估计其面密度潜力可 以达到2 6 0 g b i n 2 z l l 。 波导锥尖近场记录技术方案是我们课题组率先研究提出的 2 0 l 。该方案是基于小 孔光学的原理。利用波导的微小锥尖孔实现近场微小光斑。它是一种真正意义上的 近场光记录。随着纳米制作技术的提高，该方案可实现超高记录密度，同时由于集 成的光学头质量小，也可实现很高的寻道速度；另外，波导锥尖还具有出光功率密 度高、大批量制作时单件成本低、易于阵列化等特点。它与有源波导相集成，可望 成为近场记录光盘微型集成光学头的主要发展方向。目前国际上制造技术水平给出 的记录密度潜力为4 7 0 g b i n 2 。随着国内半导体集成工艺技术和国际上技术的不断 进步，该技术的潜力和实用化将会获得更大的发展f 3 t 1 2 , 1 6 , 驯。 微孔激光器技术是直接在激光器的共振腔上开一个微小的孔，使得孔成为光子 出射的途径，这样象波导器件、透镜等光学部件都可略去，简化了光路结构并减少 了光路的功率损耗。因此该技术具有很诱人的吸引力。它的关键技术是制造上得到 纳米级的“微孔”。目前国际上制造技术水平给出的记录密度潜力还不很高，约为 6 0 g b i n z 。随着纳米制造技术的不断进步，该技术将会得到很大的发展【1 2 1 。 4 华中科技大学博士学位论文 s u p e r - r e n s 近场记录技术可以采用传统的远场记录方式，只是介质和传统光盘 不同。在相变层上面涂了一层很薄的诸如s b 的材料，s b 层是不透明的，在激光束 的照射下变得透明，在相变层上面形成一个个的读写窗口。在很好的选择各种参数 的情况下，它可以实现近场光的分辨率1 1 2 1 。该技术的记录密度既取决于介质的分辨 率，还取决于写入光斑光功率密度的分布梯度。目前，该技术的记录密度可以达到 4 0 g b i n2 。随着记录密度的大幅度提高，将也会考虑使用近场飞行光学头实现更微 小的记录光斑以提高分辨率。 总体来看，以上技术都很有发展前景，而且它们都有各自的应用领域。同时， 由于以上实现近场记录光盘的技术都需使用浮动技术，因此，对于近场记录光盘浮 动技术需要及时大力地开展研究。 1 3 近场光、磁混合记录技术 采用什么方法，才能在保持硬盘原有优势的情况下，不提出对磁头制造和头盘 间距的特殊要求并最终克服超顺磁极限， 问题。近几年来，由于近场光学的兴起， 发展中的近场光、磁混合记录技术 2 2 , 2 3 i 。 这是当今世界主要硬盘企业所面临的共同 给解决这个问题带来了新的思路，这就是 近场光、磁混合