（计算机系统结构专业论文）近场光盘技术与超高密度集成光学头有源波导设计的研究.pdf

华中理工大学博士学位论文 摘要+ 慵息时代需要有高度先进的信息存储技术。在目前众多的新一代高密度存储技 术中，近场记录光盘技术是一种性能优异、实用化前景看好的高速、海量存愦技术= f 是信息存储前沿技术中的一个研究热点，目前国际上币大力进行研究和开发，j 近场 记录光盘技术涉及多个高精尖技术领域，其中近场集成光学头和超微有源波导是近 场记录光盘驱动器的关键技术之一。本文在国内外有关研究和开发工作的基础上， 研究了实现近场记录的技术方案，并对其中的关键技术一近场记录集成光学头有源 波导的模式理论与设计方法进行了系统深入的研究。 锰第一章中讨论了近场光盘技术与传统光盘及相关新技术的关系，分析了近场 记录光盘技术的实用化发展前景。 第二章分析了国际上研究的两种近场记录光盘技术方案存在的问题提出了以 有源、无源波导结构为基础的波导锥尖近场记录技术方案及相关的四种可行的原理 结构。分析了方案的可行性、优越性及各结构的特点。 第三章针对所提集成光学头的四种原理结构，研究了有源波导的设计方法问题， 并对微米级( 发光层厚度) 普通( 不带量子阱) 有源波导进行了设计和仿真计算以作为研 究超微量子阱有源波导的基础。 第四章主要研究目前文献中尚很少涉及的超微( 发光层厚度小于1 0 0 纳米) 量子 阱有源波导的设计理论与方法。首先研究了在超微量子阱结构下有源波导中的能带 结构、光子与电子相互作用和电光波导过程的理论及其对设计模型的影响。进而， 研究了在超微结构下求解光波导方程、计算光限制因子、载流子吸收系数与光予跃 迁率的方法。最后研究了高效的数值计算方法与自洽计算方法以利于进行仿真计 算。上述研究工作共同为超微量子阱有源波导的设计与仿真研究奠定了基础。 第五章在第四章工作的基础上解决了对超微量子阱有源波导设计极为重要的光 发射因子、光增益等的计算问题。并根据近场光记录的技术特点，建立了超微量子 阱有源波导的设计模型和仿真计算方法。利用该模型与仿真方法研究了量子阱有源 波导的主要结构参数( 量子阱层数、有源层厚度、波导层厚度等) 对主要性能( 光电输 出特性、近场远场分布、半幅宽、发散角等) 的影响规律。在上述仿真研究的基础上 讨论了可用于近场光记录的两种典型波导结构的设计方法。最后，用光电输出特性 的实验结果和有关远场光场分布的测试结果与仿真计算的结果进行比较的方法，研 究了所建立的超微量子阱有源波导的设计模型与仿真计算方法的可行性、有效性。卜、一 关键词：近场光记录，光学头，超微有源波导，高密度存储，量子阱，模式分析 _ = 查塞丝堑塞兰堡鐾里塞鱼签登堂萎垒! 塑! ! 竺塑! 塑堕主塞! 堕! ! 1 2 1 墅墅壅墅 | 华巾理工大学博士学位论文f , - ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 烹! ，! 曼! ，_ ! 蔓! 竺! ! ! ! ! a b s t r a c t + t h ea d v a n c e dd a t as t o r a g et e c h n o l o g y i si m p o r t a n tt oi n f o r m a t i o ne r a a m o n ga l l s o r t so fs o l u t i o n so fh i g h d e n s i t ys t o r a g e ，n e a rf i e l do p t i c a l d i s ct e c h n o l o g y ( n f o d ) i s h i g hs d e e da n dm a s ss t o r a g et e c h n o l o g yw i t he x c e l l e n ta p t i t u d ea n df u t u r e ，a n d i ti st h e f o c u so fd a t a s t o r a g e r e s e a r c hf i e l d i nt h e p i o n e e rt e c h n o l o g y t o d a y t h er e s e a r c h i n s t i t u t e sa 1 1o v e rt h ew o r l da r es p e e d i n gt h e i rr e s e a r c ho nn f o d n f o d i sr e l a t e dt o m a n yh i g ht e c h n o l o g y f i e l d s t h e d e s i g n o fn f o di n t e g r a t e d o p t i c a l h e a da n d d e r f o r m a n c er e s e a r c ho ns u p e rt i n ya c t i v ew a v e g u i d e i so n eo f k e yt e c h n o l o g i e s o nt h e b a s i so fr e l a t e dc i v i la n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hw er e s e a r c ht h ed e s i g n s t or e a l i z en f o d w ea l s oc a r r yo nt h es y s t e mr e s e a r c ho ns t r u c t u r ea n dd e s i g no fa c t i v ew a v e g u i d ei n i n t e g r a t eo p t i c a lh e a d o f n f o d i nt h ec h a p t e ro n ew ed i s c u s st h er e l a t i o na m o n gn f o d a n dc o n v e n t i o n a lo p t i c a l t e c h n o l o g ya n d r e l a t e dt e c h n o l o g y ，a n da n a l y s i st h ep r a c t i c a b l ef u t u r eo f n f o d i nt h ec h a p t e rt w ow ea n a l y s i st h es h o r t c o m i n go f t w oe x i s t i n gd e s i g n so fn f o da n d p r e s e n tc o r nw a v e g u i d en f o d d e s i g n ，w h i c hb a s eo nt h es t r u c t u r eo fa c t i v ew a v e g u i d e a n dn o n a c t i v ew a v e g u i d e w ea l s op r e s e n tf o u ra v a i l a b l es t r u c t u r eo fn f o d ，a n da n a l y s i s t h ea v a i l a b l e ，a d v a n t a g e ，a n ds t r u c t u r ep r i n c i p l e i nt h ec h a p t e rt h r e ew er e s e a r c ht h ed e s i g nm e t h o do fa c t i v ew a v e g u i d eo nf o u r s t r u c t u r ep r i n c i p l eo f i n t e g r a t eo p t i c a lh e a d ( i o h ) a s t h eb a s i so fr e s e a r c ho i ls u p e rt i n y q u a n t u mw e l l a c t i v e w a v e g u i d e ( s t q w a w ) w ed e s i g n a n ds i m u l a t e l yc a l c u l a t et h e m i c r o m e t e r ( 1 ig l l tl a y e r ) c o n v e n t i o n a l ( n oq u a n t u mw e l l ) a c t i v ew a v e g u i d e t h ec h a p t e rf o u rm a i n l yf o c u so nt h ed e s i g nt h e o r ya n dm e t h o di ns t q w a w ( 1 i g h t l a y e rl e s s t h a n10 0a m ) ，w h i c hi ss e l d o mi n v o l v e di nt h ed o c u m e n t w er e s e a r c ht h e s t r u c t u r eo f e n e r g yb a n di na c t i v ew a v e g u i d e ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e np h o t oa n d e l e c t r o n ， w a v e g u i d ep r o c e s si nq u a n t u m w e l la n dt h e i re f f e c t so n d e s i g nm o d e l w e a l s oe x p l o r et h e m e t h o dt oc a l c u l a t et h el i g h tc o n f i n ef a c t o r ，a b s o r bc o e f f i c i e n to fc a r r i e r s ，t r a n s i t i o nr a t eo f p h o t o a tl a s tw e r e s e a r c ht h eh i g he f f i c i e n tn u m e r i c a lc a l c u l a t em e t h o df o rt h es i m u l a t e d c a l c u l a t i o n a si st h eb a s i so f d e s i g na n ds i m u l a t e dr e s e a r c ho f s t q w a w o nt h eb a s i so f c h a p t e r f o u rd l a p t e rf i v eg i v et h es o l u t i o nt oc a l c u l a t el i g h te m i tf a c t o r ， g a i n a c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g yp e r f o r m a n c eo f n f o dw eb u i l dt h ed e s i g nm o d e la n d t h i sr e a m hw o r kw 柏s u p p o s e db yn s f c ( n o 6 9 7 7 3 0 4 7 ) m a dr f d p ( n o 9 7 0 4 i r l f i ) - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ - - _ _ - _ - - _ _ _ _ - _ _ 一 j j 华中理工大学博士学位沧文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ，! ，_ ? _ ! ! s i m u l a t e dm e t h o d o fs t q w a w b yt h e m w er e s e a r c h t h em a i n p 8 。8 m 。t 。o i s t q w a w ，s e f f e c to nt h e i rc h a r a c t e r s o nt h eb a s i so f s i m u l a t e dr e s e a r c hw ed i s c u s st h e d e s i e nm e t h o do f t w ow a v e g u i d es t r u c t u r e so fn f o da tl a s t ，c o m p a r i n gt h er e s u l t s0 t e x o e r i m e n ta n ds i m u l a t e dw er e s e a r c ht h ea v a i l a b i l i t yo fd e s i g nm o d e l o fs t q w a wa n d s i m u l a t e dc a l c u l a t e dm e t h o d k e y w o r d ：n e a r f i e l do p t i c a ld i s c ( n f o d ) ，o p t i c a lh e a d ，s u p e rt i n ya c t i v ew a v e g u i d e h i g h d e n s i t ys t o r a g e ，q u a n t u m w e l l ，m o d ea n a l y s i s i i l 华中理工大学博士学位论文 1 1 信息存储技术 第一章概述 当前的信息技术时代，无论在科技、工业、商业、管理、军事等领域均要求大 量信息的存储。虽然磁记录作为目前的主要存储手段，其发展已有近百年的历史， 而且应用很成功，记录密度及存储速度都有惊人的提高，但仍然不能满足需要 1 。 目前，人们需要处理的不仅是文字、声音、图像，而且需要活动图像和高清晰度的 图像等。信息数字化是存储技术发展中的一个重要步骤。信息以字节为单位表示其 容量。例如，一页 4 文件为2 k b ( 千字节) ，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( f u l lm o t i o nv i d e o ) 要1 0 m b ，而放一分钟广播级f m v 就要占4 0 m b 。信息量与闩俱增，数据的存入和读 出的速度也从k b s 级发展到m b s 级 2 。 作为适用于2 1 世纪计算机外存的第三代存储器，由于届时微型计算机和小型 计算机的处理速度将达到每秒1 0 6 条指令，半导体随机存取的内存储器容量将达到 i o g b ，故外主存储必须达到1 0 0 0 g b ，数掘传送率达到1 0 0 0 m b s 。这些参数大概是 目前水平的几十倍 3 4 。 光存储技术中的光盘存储技术是发展最快的。它是本世纪7 0 年代发展起来的。 光盘技术发展到8 0 年代，在声视领域的应用促进了激光唱片和激光唱机产业的兴 起。其发展之迅速，很出乎人们的意料。作为一种新兴的信息存储手段，它在计算 机外部存储设备中的应用也很快地成长和发展，弗与磁存储技术相互竞争，相互补 充，成为一个重要的新的技术领域。到9 0 年代，光存储技术已迅速形成产业，在 经历了只读式光盘存储系统和一次写入光盘存储系统后，已进入可擦重写光盘存储 系统的规模化工业生产阶段。在光存储设备中可擦重写光盘存储设备最具有发展前 途而技术难度也最大。可擦重写光盘存储系统目前已在广播电视、图像文档存储、 航空航天、国家管理、军事领域等进入大规模的应用阶段。 光盘存储技术具有以下特点： ( 1 ) 光盘家族的类型品种较多，用途广泛，且较易做作到彼此兼容。 ( 2 ) 存储密度高。既有较高的位密度，也有较高的的道密度。 ( 3 ) 提高存储密度的潜力大，新技术手段较多。 华中理工大学博士学位论文 ! ! ! ! = ! ! ! 苎! = 竺= = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ，! 紫! ! ! 黑! ! ! ! ! ! ! ( 4 ) 存储寿命长。一般寿命在1 0 年以上。 ( 5 ) 非接触式读写，记录介质可更换。应用自动更换的光盘系统t 较易实现 ， 海量存储。 、 ( 6 ) 信息的载噪比较高，且经多次读写不易降低。因此，多次读出的音质和图 像的清晰度较好。 ( 7 ) 信息位的价格低。特别是只读式光盘可以大量廉价复制，它的信息位价格 相当低。 可重写磁光盘存储技术要广泛进入个人计算机用户这一广阔市场，目前还有其 不足之处，主要是目前价格还较贵，数据传输率和平均数据存储时间均不及硬盘。 目前，不同品种的光盘在多媒体领域正获得日益广泛的应用。只读式光盘c d r o m 已成为个人和小型计算机的标准配置，一次写入光盘( w o r m 和c d r ) 和可擦重写光 盘作为计算机多媒体外存储设备已是十分明显的趋势。可以预计，今后几年在家用 信息存储上，光盘存储技术可能会很快在市场上占据较大份额 5 - 9 。 1 2 光盘存储技术 1 2 1 光盘驱动器的类型、组成和性能特征 1 光盘驱动器的类型 已进入商品阶段的数字光盘有三种类型：只读存储( r e a do n l ym e m o r y ，r o m ) 、 一次写入多次读出存储( w r i t eo n l yr e a dm a n y ，w o r m 或d i r e c tr e a da f t e rw r i t e d r a w ) 、可擦重写存储( e r a s a b l e ，d r a w - e ) 1 0 。 只读光盘只能用来读出已经记录在光盘中的信息，不能写入信息。目前市场上 的c d r o m 、v c d r o m 、d v d r o m 属于这一类型。其尺寸一般是1 2 0 m m ，单面容量v c d 为6 0 0 6 5 0 m b ，d v d 为4 7 g b 。作为计算机的外部存储设备和海量数据记录介质，它 可以用来存储声视图像、文本和数字数据。光盘一般以复制法生产，衬底材料采用 聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和聚烯类非晶材料。 一次写入多次读出光盘储存系统( w r o m ) 用于数据需要经常检查跟踪的场合，主 要用来取代纸张和缩微胶片进行文件密集记录。一张1 3 0 m m 的w o r m 光盘可以存储 5 0 0 一1 0 0 0 m b 的信息，而且容量还在不断扩展，其特点是可卸换性，意味着其脱机存 2 华中理工大学博士学位论文 储的理论值为无限大。目前已有t b 容量的大型w o r m 系统。w o r m 技术都利用聚焦激 光在介质上产生不可逆的物理或化学变化而写入信息。 可擦熏写光盘是近1 0 多年丌发 束的新一光珊存储技术，它使光= f ；【存储技 术克服了以往不可擦除的弱点，从而能与磁记录存储技术相竞争。光盘可擦重写技 术的关键是解决新的存储介质材料，经多年的努力目前磁光型、相变型存储材料 得到了实用化突破。可擦写式( e r a s a b l e ) 光盘目前有磁光赧、相变光盘、d v d r a m 、 c d r w 等。磁光和相变型光盘比较成熟，已投入广泛应用。d v d r a m 和c d r w 的发 展很迅速，并具有巨大的市场潜力。人们还在不断寻找新的存储介质，并已j r 始了 探索三维可擦式光盘的征程。 根据介质面信息坑记录的形式不同又可以分为模拟式光盘和数字式光盘。 图卜l光盘驱动器工作原理框图 2 光盘驱动器的组成 三种类型的光盘驱动器的基本组成单元大同小异，均是由激光器、光学系统、 伺服系统、精密机械、电气、计算机及控制电路组成 1 1 。图卜l 为光盘驱动器工 作原理框图。输入数据经过编码后送入激光器：被信息调制的激光束经光学系统扩 束、整形、分束后，通过反射镜、聚焦透镜投射到光盘表面上，以进行记录；读出 时t 光盘表面的反射光从原路返回到光电探测器上，经过信号处理和译码，再现所 记录的数据。 华中理工大学博士学位论文 由于会聚到光盘介质表面上的光斑大小是波长量级，因而检测、校正记录和读 出光斑与信息轨道之间的定位误差和焦点偏离误差就显得十分重要，将这种误差信 号经放大和处理后，控制聚焦执行机构( 物镜在的线圈) 和轨道执行机构( 反射镜) ， 即可实现聚焦控制和跟踪控制，使激光光斑总落在光盘介质表面上和信道中心。图 1 一l 中激光器、光学系统和光电探测器组成了一个小巧的读写光学头，光学头安装 在小车上，作径向移动。其执行机构是一线性直流马达，驱动小车使光学头读取伺 服数据，跟踪光盘偏心。 光盘的旋转是由一个主轴直流电机驱动，由转速传感器产生伺服信号，控制光 盘的旋转速度。 光盘驱动器从功能上可分为两大部分：控制处理电路和机芯部件。前者由接口 模块、数据缓冲器、格式化编码、误码检测与纠错电路、微处理器及电源组成。后 者由光学头、伺服电路、精密机械及相应的电路组成。 用户数据通过接口。送进缓冲器以缓解数据变化的速率，然后进入格式器。记 录格式器是将字符组形式组成地址模块，加入地址信息，经编码器，以记录代码形 式，送入激光器调制激光柬，经光学头，记录电路在光盘上写入信息。从光盘上反 射回来的光束，经检测放大、解调，送入译码和误差校f 电路，经过读出信号格式 器之后，数据即送进输出缓冲器，按要求将数据传送给用户。 3 光盘驱动器的性能特征 表征光盘驱动器性能的主要技术指标有 1 2 ：存储密度及容量、数据传输率、 存取时问、信噪比、误码率等。 光存储记录信息的密度取决于扫描光点在盘上形成的信息标志的尺寸。面密度 与扫描光点直径的平方成反比。可提高记录密度的主要技术有：采用短波长激光器、 提高聚焦物镜数值孔径、激光束压缩、短脉冲提高磁光记录密度、磁感生超高分辨 率、高效编码、“凹坑边缘”记录技术及“v ”型槽两边边缘记录技术、改进型恒 角速度等。提高密度和容量的许多技术是彼此独立的，其各项技术的综合采用结果 将使光盘密度与容量的提高呈各项技术措施的乘积，这些技术的突破及更新使光盘 的密度和容量将不断有数量级的提高。 数据传输率是计算机存储的一项关键性技术指标，也是高数据传输率记录( 如 数字图像存储) 等必须具备的条件，是目前光盘存储技术中主攻方向之一。可提高 数据传输率的技术主要有直接重写、多通道同时存储、提商光盘转速及增加存储信 4 华中理工大学博士学位论丈 息位密度。 平均存取时间也是驱动器的关键性技术指标之一。高数据传输率，需要有稳定 而快速存取的功能和精确的信道跟踪作保证。随着光盘转速增加，旋转等待时间减 少，进一步缩短存取时间必须实现光头的快速移动，减少羊h 寻址和细寻址时间a 缩 短存取时间主要有赖于改进光学头的性能。主要的可缩短存取时间的光学头技术 有：快速扫描光学头、分离式光学头、微型光学头、集成式光学头等。 信噪比是描述光盘性能的重要指标，定义为： e c 跚，= 嵩器 对于数字信号存储，信噪比高，误码率低，可靠性也高。在一定误码率要求下， 所要求的最低限度的信噪比也就确定了。一般误码率下信噪比至少不低于2 0 d b ，用 于数据存储时，不低于4 5 d b 。光盘系统的主要噪声源有激光噪声、介质噪声、驱动 器误差、电路噪声、环境噪声等。要提高系统的信噪比，必须严格控制每个噪声源 的影响，并进行优化设计，使光盘驱动器处于最佳工作状态。 误码率是指出错位数与读出的总位数之比。光盘原始误码率一般为1 0 1 到1 0 一， 通过各种误码校正措施，可将误码率降低到1 0 ”的水平。误码率是评价光盘及驱动 器的重要指标。 1 2 2 光盘驱动器的读写原理 不同类型的光盘存储系统，其读写原理各异。激光器经过聚焦，单位面积上的 能量高度集中，当它投射到介质表面时，将会在介质上产生变化，将这种变化经光 电变换和信号处理后，再现原来的信息。 一次写入型w o r m 光盘的表面介质为金属薄膜，当微小激光束照射其上时，金属 薄膜在该点烧蚀成一个凹坑，光盘在高速旋转时，经过调制的微小激光束，就会在 光盘介质表面上形成一系列的凹坑，这些凹坑相对于它们的背景，在光学上显示出 不同的反差。当微小激光束扫描光盘上一系列凹坑时，反射光就有强弱之分。根据 反射光的强弱来判明信号“1 ”“o ”，从而读出信息。 磁光型可擦除光盘，由于盘面介质的不同，其读写原理也不同。当聚焦的光斑 照射到介质表面时，局部温升，此时若附加磁场方向改变，则磁畴产生翻转，而在 常温下需要强大的磁场才能使磁畴改变方向。磁畴取向的改变，完成了数据由“0 ” 华中理工大学博士学位论文 到“】”的变化，数据被记录下来。读j h , i ，“| 1 ：激光光斑的功率很小，不致于使磁 光介质局部温升达到居翟点附近，磁畴不会更改方向。f f l 是，如果磁畴方向不同， 、- 1 激光束照射其i ：i l l ，ij j 于磁光栩利的克尔效应，使读的信息旋转方向发l 变化， i ! | j 入利光和 射光之m 形成了个火角o ；，利用光的偏振特性，不难读出所记录的 信息，再检偏器转换为输光的强弱变化，m 光r 乜探测器读f _ ：o 和“i ”的信 息。擦除时是由激光器发出的光束，通过物镜会聚焦到介质表面上，在附近磁场的 作用f ，列介质膜面进行次取向一致的垂直磁化即可完成擦除过程。 相变型光盘的 己录足1 9 6 8 年o v s h in s k y 等人提f 1 勺利用品态与非品态相变实现 的”，逆存储效应。利j f j 高功率和短脉宽激光束聚焦j ：记求介质表面上，介质吸热后 迅述f t 爷熔点并竹：骤冷条什i ij 彤成n 5 i 念，信息被址求、来。读i “时，由f ：晶念与 态材料的折射j f , f l l 反射牢小，敝址求点反刖；棼ij i i ：| 罔区域有明显的反差，读 出就是利用小功率激光束柬检出此反射率差异，擦除时，利用较长脉宽和适当功率 的激光束再作用于记录点，使该点温度j - 外到低。j 二材料的熔点而高于非品态的转变 温度，使介质产生重结晶而恢复成多品状态。 123 半导体激光器、有源波导、光学头和光学头集成技术 1 半导体激光器及有源波导 从7 0 年代起，半导体激光器的迅速发展使光盘驱动器获得了一个良好的光源。 j j 激光良好的单色r k 和相干性，用聚焦系统能把光点聚焦到弓光盘信息坑大小相 州的程度( 光波k 最级) ，| 太1 此，采j j 、卜导体激光器输的光作为光盘驱动器的光 源足最他的选择。它的优点极其明耀 1 3 ： ( 1 ) 体积极小、匝量很轻。 ( 2 ) 激光输出可用写入信号直接调制，不需要外部的光调制器，有较高的光路 效率。 ( ：j ) 调制激光的频率高，可达每秒几1 7 i 兆佗。 ( 4 ) 功耗小，要求的输入功率小1 ：o5 w 。 ( 5 ) 电光转换效率较高，约为1 0 。 ( 6 ) 所需工作电压低，在3 v 以下。 ( 7 ) 可批量生产，因而价格低廉。 ( 8 ) 因是固态器件，所以寿命长( 可达1 万小州) ，可靠性高。 6 华中理工大学博士学位论文 半导体激光器的内部结构便是种何渊波甘。 般“1 刈半导体的i ) n - m j i i 以i t ! 向 偏霄时，从n 区i f i jpk i ：入的少数载流r 舟j 竹0 州反的多数载流f 复合时会把电 能变换成光能，这就足、f ，导体的发光现象。这种机制刈j 发光极管来说已经足够 丁，阳刑j i 光记录使j f j 的中导体激光器，还需进彬采墩些措施 14 儿j5 。 首先，就单纯的p 1 1 结而吉，【 | j ： i ：入进来的载流r 足要扩散的，冈而发光区的 边界模糊而不明确。j + 足采_ r f j 了把发光部分( 称为激i , u 朋f 门两侧用禁带宽度人的 h i ：i 火起来的结构，如图l _ 2 所爪，这币4 ：为x 义片质结结缃。j l 足m 发r 这种异 质纳 ；i 构之后，、 ，导体激光器j 阿次成j 力地n i 沼- 、爻现r 连续振荡，图卜2 一i ，的 j ：、卜两层都称为叭0 。 有电流时，空穴i f 乜r 分别从f ，i 峒州伤vjf 17 例i l l 捎层 i ：入到 ，问的激活层p 来。注入进来的电了受到存激活层jf j 型1 j n r l j 联之f 1 1 jj “乍f j j 辨争的阻挡而不能向p ，刚l l 挡层叶1 扩散。对f i ? 入进来的窄穴m 莆情况也足 r 。此，j 要把激活层的 厚度做得薄至0 1 - 0 2 1 , m ，就能以较低的f u 流密度激励起密度棚肖高的电予与窄穴。 j ：f 如图l - 2 所示，阻挡层的折利率比激活层的折射率小，因而还有把光给封闭起 来的效果。 另一个措施是，为了在激活层内对光加以放火，还把光的行进方向上的晶体端 面做成镜面，使之成为可在内部建立起驻波的结构。作为镜面，利用的是晶体的解 理丽，因而得到的是非常甲 ，的而，j ：足就构成了所啪河、自j r 一i 罗谐振腔。这个面 的反射牢存3 0 i z h 仃7 0 的光成为激光器的输f 1 6 1 ii7 。 采取了以f ：两个措施后就做列了把j 匕封闭订：激 一联内而使之产q i 振荡。不过， 、卜导体激光器的大小为儿酉微米，如个而地加以激励，! j ! | j 既需要很大的电流，而所 发h j 来的光在性质j 二又不够好。为此，采j 玎两种力法，婚是在激活层的面上与之 平行地附以充分窄的、宽仅几微米到几教米的电极条，铂i 这个f f i - 方向上也把电 流封闭起来( 增益波导型) ：乃+ 足竹 ，激活层川“l 行的，j 向j ：也使之具有折射率 分饥( 折别率波导型) 。增益波导型的纵模多为多模，其闽值电流( 。) 较大，并 f 1 产生像散，所以具有坷i 易使用的缺点。 半导体激光器输出的是发散光束，而日农与激活层年n 平行的轴上还多为不同的 发散角，因而对光学系统产生一些光损耗，并凡使光学系统较复杂。当有电流通过 时，首先是以发光二极管的模式发光。当达到阈值电流值 。时，就开始产生激光振 荡，1 i l 这时还小够稳定，激光振荡附l 质出_ i 够盘，j f 亘j ；污都足以稍微f 辱大。些的电 7 华中理工大学博士学位论文 流( 约为五。的1 3 倍) 来使用。 图卜3 激光器出射光束示意图 由于半导体激光器的结构是光从其两侧出来，因而可采用光电探测器来检测另 一侧的光输出，通过改变半导体激光器的驱动电流来使光输出功率保持恒定，这称 为自动功率控制( a p c ) 。 在寿命方面，近年来也取得了显著进展，镓铝砷半导体激光器的寿命已达几万 夺几十j i , j 、时( 视波长与结构而定) 。在缩短波长方面，正在研究以砷化镓为衬底， 采用铟镓砷磷四元化合物的半导体激光器，其波长将达到氦氖气体激光器的水平。 据最新报道，一种紫外光半导体激光器( 波长3 2 4 n m ) 已实验成功。在成本方面，由 于半导体激光器目前的芯片大小也不过才是几百微米，随着成品率的提高，其价格 将进步降低。 r 华中理工大学博士学位论文 2 光学头 光盘驱动器的光学头可分为两大类：探测反射光的振幅变化和偏振态变化。振 幅探测式光学头多用于c d r o m 、 次写入光盘驱动器和相变光盘系统中，而偏振探 测式光学头用于可擦写的磁光存储器中。这两种光学头无论是将光束有效地聚焦于 光盘上进行写入或擦除，还是从盘面返回的光束进行探测以检出数据和伺服信号， 其过程都有许多相似之处。 振幅探测式光学头是利用信息记录点与背景之问的反射光强度的变化读出信号 的。主要由半导体激光器( l d ) 、准直器、光束整形元件、偏振分柬镜( p b s ) 、 跟踪反射镜和会聚物镜等元器件组成。这种光学头的具体工作原理如下：由光源l d 发出的激光束经过准直镜后变成平行光束，再由整形棱镜进行整形成为圆光束。经 p b s 后成为平行偏振光( p 光) ，线偏振光经过1 4 波片后成为圆偏振光，由跟踪 反射镜射向会聚物镜，经会聚物镜聚焦在光盘介质面上。返回的光束再由会聚物镜 收集，经跟踪反射镜再次返回，这时圆偏振光的旋向已发生改变，再经1 4 波片后 变为垂直偏振光( s 光) 。由于p b s 的特性是透过i ) 光而反射s 光的，从而将反射 光从写入通道中分离出来，进入输出通道。在输f 通道中的具有像散的光学元件用 以产生聚焦伺服信号，再由四像探测器可读出数据信号和伺服误差信号。 偏振探测式光学头 1 8 是检测由于克尔效应引起入射光偏振面的旋转，改变量 为偏振面的角度而非振幅。因而上述光学系统不再适用丁磁光信号的检出。可以简 单地用p b s 替代上述系统中的1 4 波片，将偏振光中的s 偏振分最分离出来，进入 检测通道。但是，由于克尔效应引起的偏振面旋转角度通常小于0 5 0 ，因此所检测 到的这一分量也很小。为了解决这个问题，在输出通道中引入p 偏振光作为偏置光， 并采用微分检测通道。在检测通道中增加了分束镜、透镜、探测器和1 2 波片等元 件，以获得所需的各种信号。利用“泄露”式分束器提高了信号电平，较之仅检测 s 偏振分量有了很大的改进。微分检测除了提高信噪i ：1 ：# 1 - ，还削弱了探测系统对纯 振幅波动的敏感性。根据共态抑制，两个通道中任何具有相同变化的干扰均由于信 号相减而被消除。这一系统可提供足够大的信号电平，但由于系统传递的激光功率 将减4 , n 其初始值的( 卜届) 倍，这就需要较大功率的激光器以达到足够高的写入 功率。 3 光学头集成技术 利用光栅分束器和抛物面形波导镜面组成的集成光学头，可把从光源、检测、 9 华中理工大学博士学位论文 分束到聚焦等功能都集成在一块基片上。激光器通过光栅分束器后到达聚焦光栅耦 合器。呈弧状的光栅耦合器能使波导光束在垂直于波导平面的方向上聚焦，这是集 成光学头的关键。集成光学头使光束聚焦于光盘上，而反射光返回聚焦耦合光栅后， 再被光栅分柬器衍射成两柬光波导，到达光电探测器。光电探测器检测出跟踪及聚 焦误差信号和数据信号。集成光学头可大幅度地降低光学头的体积和重量，同时提 高可靠性。但由于制造误差及半导体激光器振荡波长变化将引起扫描光点的位置在 信道上错动等多种技术问题有待解决，因此目前仍处于实验室阶段。 随着光纤技术的迅速发展，利用细光纤传输信息已成为现实。将细光纤一端联 结光学系统，另一端联结微聚焦物镜。只需移动微透镜即可实现信息读取。显然， 微细的光纤物镜并不比磁头重，而且光纤传输适宜于多通道同时读取，从而大大提 高其数据传输速率，降低平均存取时问。同时，光学系统集成化又将大大缩小光盘 存储器的体积，易于向微型化发展。但是，目前光纤光学头聚焦、跟踪误差检测等 问题有待解决，因而仍处于研究阶段。 飞行式光纤探针是一种直接利用锥形光纤把激光束投射到记录层上，而不经过 物镜耦合的飞行式光纤“探针”。新泽西贝尔实验室实现了激光束压缩，由“探针” 发射的成像光斑直径可缩小至5 0 n m 一蓝绿光波长的1 1 0 。 1 3 光存储技术的发展趋势 在与多媒体技术结合和应用上，光盘技术产品可能在家用多媒体系统上得到优 先发展。例如，用8 倍于目前c d 光盘的存储容量( 4 7 g b ) 的高密度d v d ，可以放 映广播电视级活动图像( b c f m d ) 1 3 5 m i n ，相当于一部数字化立体声电影。而可擦 重写c d 光盘( c d r w ) 的出现将冲击有巨大市场的录像磁带，它与高清晰度电视结 合，将促进新一代家庭影视院的形成。近年来光盘存储技术产品和市场蓬勃发展。 与此同时，人们期望光盘存储技术能有新的提高和开拓 1 9 。光存储技术在今后若 干年内发展的总趋势是：以各类常规光盘为主要领域，围绕提高存储密度、提高存 取速度、降低成本、发展多功能小型化结构等方面发展，同时开拓新一代超高密度 的高速光存储技术。在目前出现的新一代光存储技术中，近场光记录光盘技术则是 实用化前景最好的一种。 l o 华中理工大学博士学位论文 1 3 1 常规光盘存储技术的发展趋势 对于传统光盘存储技术来讲，提高随机寻道( 存取) 速度是一项关键但又较为困 难的技术。主要从减轻光头重量和改进寻址机构i j 发，近期现实的途径是采用单片 非球面塑料物镜，采用分离式光头系统，使平均存取时间达到2 0 m s ：采用光纤、薄 膜透镜( 菲涅尔透镜、全盘透镜等) 可以进一步缩短存取时间；采用“表面声波偏 转光学头”技术，在1 0 0 道中细寻址只需l o o p s ；采用变频率跳道，可以消除5 - l o m s 的机电伺服调整时问；采用飞行集成微型光学头，在9 0 r a m 光盘的直接寻址时间为 l o m s 。 提高连续数传率的技术除了各种直接重写技术外，主要还在于改进现有的记录 介质的写入读出速度性能。特别是要大幅度提高记录速度，还要研究新一代高速 记录介质，如研究全光记录介质，可将现有的基于热写入的记录介质的写入速度提 高两个数量级以上。 提高存储密度的途径主要有“光道密度加倍方法”，即在“台”和“槽”上皆 记录，通过采用数字信号处理的多光束光学头技术，消除道问串扰：缩小光斑从而 缩小节距( 从目前的1 6 p m 缩至0 8 “m ) ，道密度可提高5 0 。进一步提高光盘存 储密度需要应用短波长半导体激光器。目前6 5 0 n m 半导体激光器已进入市场。最近 i b m 公司将半导体激光( 0 8 5 6 p m ) 用k n bo 晶体倍频，光屯转换效率可达】o ，输 出功率4 0 m w 。用蓝绿激光记录，可使光盘存储密度再提高4 倍。 各种新的光存储机构和新的存储介质还在不断涌现。如多色光存储是利用多层 介质对不同波长的光敏感，除了在光盘的面记录外，又增加了垂直于面的主录层次。 光子烧孔选能存储是除了空间存储外，还利用光谱带的频宽存储，可使存储密度大 大增加。 经过几年的研究，对目前光盘存储密度提高l o 一2 0 倍的关键技术已比较明确， 有望在本世纪初实现。主要的途径如表卜l 所示。它是以3 5 英寸磁光盘( m 0 ) 为 例得出的几种关键技术对提高存储密度的贡献。 由表卜l 可知缩短记录激光波长和记录斑点尺寸对提高光盘存储密度贡献最 大。目前用于光盘存储记录的实用的激光器为输出波长0 6 7 “m 左右的g a h l h s g a h s 双异质半导体激光器。今后激光波长的缩短大致可分为三个阶段，目前达到的水平 以及估计可以实用化的时间见表卜2 。 华中理工大学博士学位论文 弋沁波长( n m ) 痂 7 8 06 7 04 1 0 措施 线密度 1 21 9 轨道密度 1 2x 1 4x 2 3 z c a v1 51 51 5 标记边缘记录 1 51 51 5 磁超分辨率 2 0 x 2 02 0 总增长 5 47 6 x 2 0 光盘容量( m b ) 7 0 01 0 0 02 5 0 0 表1 一l 各种措施对提高存储密度的贡献 以第一代3 5 英寸m 0 光盘的容量( 1 2 8 l j b ) 为基数。 激光波长( n m )6 7 0 - 6 3 0 5 5 0 5 0 0 4 5 0 4 0 0 固体激光器 g a a li n p g a h s n d ；y h g ，y y 0 4 倍频 t j ：a l 2o 倍频 z n c d s e z n s s e g a a l a s 倍频。g a n 目前的水平波长( 1 ) 6 2 0 ，连续输出( m w ) 连续输出( m ) 6 7 0 ：输出功固体倍频：4 0 t i ：a l 籼：倍频：4 0 0 率：2 5 ，2 0 6 0 0 ( 5 3 0 h m )g a h l a s 倍频：4 0 ：g a n ： 3 0 ( m w )z n c d s e ：5 ( 4 9 8 n m ) 发光管，脉冲激光 实用化时间2 0 0 5 年左右2 0 1 0 年左右 1 3 2 新一代超高密度光存储技术 8 0 年代发展起来的各种近场扫描微探针技术给超高密度光存储带来了全新的多 种实现的可能。扫描隧道显微镜( s t m ) 可在介质中加入一很强的电场，强电场使 材料区的物理化学性质发生变化而实现超高密度存储。目前发展起来的电光材料和 电致变色材料均可采用s t m 技术实现超高密度存储。 利用扫描微探针显微技术( s t m ) 进行超高密度信息存储的实验室研究工作， 国外已有较多的报道。1 9 9 0 年，h j m a m i n 等人利用s t m 的针尖在金表面上记录信 华中理工大学博士学位论文 息，信息位尺度最小己达5 n m ，是目前最高的静态记录密度 2 0 3 。1 9 9 1 年，美国斯 坦福大学e l g 实验室r b a r r e t t 等人利用原子力学显微镜( a f m ) 来记录信息静 态记录密度达到8 0 g b n c h 2 。可见，山于s t m 的高窄问分辨率，可以实现微区的变 化，可用于超高密度信息的写入、读出和擦除，是一种大幅度提高存储密度的新技 术 2 1 。 全息存储技术早已被熟知，它能存储和显示i 维图像，以往主要应用于物体图 像的存储 2 2 。近年来，采用图像的数字化和分层扣捕形成空问复用，就有可能成 为超高密度和极高数据传输率的光存储手段 2 3 3 。 近场记