第三章 光信息存储技术与光盘

1、 第三章 光信息存储技术与光盘 5.1 光盘及存储类型光盘及存储类型 5.2 只读存储光盘只读存储光盘 5.3 一次写入光盘一次写入光盘 5.4 可擦重写光盘可擦重写光盘 55 光盘衬盘材料光盘衬盘材料 56 光信息存储新技术光信息存储新技术 光盘存储技术研究始于60年代，真正获得发展 在70年代。 1972年用聚焦的氢离子激光束在记录介质上烧蚀 微孔的方法录制电视节目，用氢氖激光扫描信息轨 道，按反射强度的变化再现已录的信息。 1978年激光电视唱片正式在市场出售。 1982年出现了记录带有声音的静止图象的光盘 1984年日本研制出可反复擦写的光盘。目前，借 助于各种软、硬件，光盘已可以达到

2、数据、图象、声 音的综合处理。 5.1 光盘及存储类型光盘及存储类型 5.1.1 光盘存储类型光盘存储类型 光存储包括信息的“写入”和“读出”过程。信息写入就 是利用激光，将要存储的模拟或数字信息通过调制激光聚 焦到记录介质上，使介质的光照微区（直径一般在微米以 下）发生物理、化学等变化，从而实现信息的记录效果。 而信息“读出”就是利用低功率密度的激光扫描信息轨道， 利用光电探测器检测信号记录区反射率的差别，通过解调 取出所需要的信息过程。光盘存储类型通常有以下两种。 1.记录用光盘记录用光盘 也称“写后只读型（draw）”光盘，它兼有 写入和读出两种功能，并且写入后不需要处理即可直接读 出所

3、记录的信息，因此可作为信息的追加记录。 专用再现光盘专用再现光盘 也称“只读（read only）”型光盘。它只能 用来再现由专业工厂事先复制的信息，不能由用户自行追 加记录。 5.1 光盘及存储类型光盘及存储类型 只读存储光盘（ROM, Read only memory） 一次写入光盘（WORM, Write once read memory ） 可擦重写光盘（Rewrite） 直接重写光盘（Overwrite） 5.1.2 光盘存储的特点光盘存储的特点 存储密度高存储密度高 存储密度是指记录介质单位长度或单位面积内所存储的二进制位数B。 前者称线密度，一般是103B/ mm,后者是面密度,

4、一般是105 106B/mm2。 在直径为300mm的数字光盘中，光盘纹迹间距为1.6um， 每面有54000道纹迹，如果每圈纹迹对应一幅图像，则可供容纳 50000多幅静止图像。 写入读出率高写入读出率高 数字光盘单通道可达25106位/s。数据传输速率可达每秒几至几十 MB量级，并向每秒GB、TB量级发展。 存储寿命长存储寿命长 光记录中，记录介质薄膜封入两层保护膜之中，激光的写入和读出 都是无接触过程，防尘耐污染，因此寿命很长，库存时间大于10年 以上，而商用磁盘仅为35年。 每信息位的价格低、易复制每信息位的价格低、易复制 一张CD光盘650MB，仅需510元，每MB仅几分钱；一张DV

5、D容 量4.7GB，10元左右，每MB不足一分钱。操作方便，易于计算机联 机使用。 有随机寻址能力有随机寻址能力 随机存取时间小于60ms。 5.2 只读存储光盘只读存储光盘 5.2.1 ROM光盘存储原理光盘存储原理 图51是只读存储光盘的存储原理示意图。 图51 ROM刻录示意图 激光束被聚焦成1um光点，光盘的凹坑一般 宽度为0.4um，深度为读出光波长/4，约为 0.11um，螺旋线型的纹迹间距为1.67um。 5.2.2 ROM光盘主盘与副盘制备光盘主盘与副盘制备 图52时光盘制备过程示意图。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、

6、刻蚀、 制成主盘（又称母盘，master），再经喷镀、电镀等工序制成副盘（又 称印膜，stamper），然后再经过“2P”注塑形成ROM光盘。 图52 ROM光盘制备过程示意图 图53 ROM主盘、副盘制备工序（P233） 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；在此光盘上滴以光刻胶，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。 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。 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

7、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），于是个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。 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，以便检验主盘的质量，另一方面，还作为下一步 电镀镍的电极之一。 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。 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。 上述主盘每一个都可用通过（5）、（6）步骤的重

8、复，制得若干个 副像子盘副盘；而每一副盘又都可以通过（5）、（6）步骤的重 复，制得若干个正像子盘。 5.2.3 ROM光盘光盘“2P”复制复制 将上述所得正像或副像子盘作为“印膜（stamper）”加工中心孔和 外圆后装入“2P”喷塑器中，经进一步的“2P”复制过程来制作批量 ROM光盘。 “2P”是photopolymerization(光致聚合作用)一词的缩写，其物理过 程如图54所示。 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 制的氩离子激光器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500

9、0片盘片。 ROM光盘光盘“2P”复制复制 图54 “2P”过程示意图 5.3 一次写入光盘一次写入光盘 5.3.1 一次写入方式（一次写入方式（P235） 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： 烧蚀型烧蚀型起泡型起泡型熔绒型熔绒型合金化型合金化型相变型相变型 烧蚀型烧蚀型 存储介质可以是金属、半导体合金、金属氧化物或有机染料。 利用介质的热效应，是介质的微区熔化、蒸发，以形成信息坑孔图5 5（a）。 起泡型起泡型 存储介质由聚合物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

10、，与周围形 成反射率的差异而实现信息的记录图55（b）。 熔绒型熔绒型 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55（c）。 合金化型合金化型 用PtSi、RhSi或AuSi制成双层结构，激光加热的微 区熔成合金，形成反差记录图55（d）。 相变型相变型 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 热效应和光效应使被照微区发生非晶到晶相的相变图55（e）。 5.3.2 烧蚀型写烧蚀型写/读光盘对存储介质的基本要求读光盘对存储介质的基本要求 分辨率及信息凹坑的规整几何形状：分辨率及信息凹坑的规整几何形状：这是为例保证光盘能在高存储密

11、度的情况下获得较小的原始误码率。 没有中间处理过程：没有中间处理过程：存储介质要能实时记录数据并及时读出信息，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 direct read after write, DRAW功能）以保证记录数据的实时校验。 较好的记录阈值：较好的记录阈值：记录阈值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。只有适当的记录阈值可以使信息被读出次数大 于108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。 若存储密度为108B/cm2,每 信息位仅占有1m2的面积。 存储介质应能保持这些显 微坑孔的规整几何形

12、状并 已更高精度分辨它们的位 置，这就要求边缘偏差 落在100以内，以保证 原始误码率小于108。 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。如用波长830nm、达到盘面功 率10mW左右、脉宽可调的激光对高速转动的多元半导体记录时， 可获得每秒几兆字节的数据速率。 较高的反衬度。反衬度是指信道上记录微区与未记录区的反射率对 比度。存储介质以及经过优化设计的光盘应有尽可能高的反衬度， 以便读出信噪比达到最佳值。 稳定的抗显微腐蚀能力。存储介质应做到大面积成膜均匀、致密性 好、显微缺陷密

13、度小、抗缺陷性能强，从而得到低于10-4数量级的原 始误码率及至少10年的存储寿命。 与预格式化衬盘相容。一次写入光盘可用来存储和检索文档资料， 因此光盘上应有地址码，包括信道号、扇区号及同步信号等。这些 码都以标准格式预先刻录并复制在光盘的衬盘上。存储介质应与预 格式化衬盘实现力、热及光学的匹配，以保证轨道跟踪的顺利进行 并能实现在任一轨道的任意扇区进行信息的读和写。 高生产率、低成本。 5.3.3 WORM光盘的存储原理光盘的存储原理 利用激光热效应对存储介质单层薄膜进行烧蚀时，存储介质吸收到达 的激光的能量超过存储介质的熔点时形成信息坑孔。 这样记录的信息，很难满足上述写/读光盘对存储介

14、质的要求，原因是 入射到膜面的激光能量E0（图57），一部分在膜面反射（ER），大 部分被薄膜吸收（EA），还有一部分在薄膜中因径向若扩散而损失 （E），剩余的部分透射到衬盘之中（ET），即 ER要最小，必须使记录层上下两个界面反射回来的光实现相消干涉。 由于上界面有半波损失而下界面没有，由此要求记录层最小厚度 /2n1. 由于上下界面能量差很大，很难实现明显的消反，为此在纪录层和衬 底之间加一层金属铝反射层，这样纪录层下限为/4n1。 0RAT E EEER 加铝条之后ER得到明显减小，但由于铝是热得良导体，反而会使ET 加大，为此，还应在记录层和反射层之间加一层热障层（一般选透明 介质Si

15、O2），其折射率为n2，厚度为d2。它可以充分阻挡介质层吸收 的能量向衬盘传导。此时，消反条件得相应得最小厚度为 这样就形成了记录层、热障层和反射层这种三层结构得存储介质，如 图58（a）所示 1122 4 ndnd (a) u i iD (b) i (c) L R V (d) L R 两种工作模式两种工作模式 光伏探测器及其工作模式示意图 光伏探测器光伏探测器 知识回顾：知识回顾： i + RL V RL2 RL1 RL1 RL2 i RL i + P=0 P1 P2 P3 V 光 功 率 增 大 RL1 RL2 i1 i2 u1u2-V o RL1RL2 光伏探测器光伏探测器 知识回顾：知

16、识回顾： 知识回顾：知识回顾： 光盘及存储类型光盘及存储类型知识回顾：知识回顾： 只读存储光盘 ROM, Read only memory 一次写入光盘 WORM, Write once read memory 可擦重写光盘（Rewrite） 直接重写光盘（Overwrite） 5.4 可擦重写光盘可擦重写光盘 可擦重写光盘从记录介质写、读、擦的机理来讲，主要分为两大类： 相变光盘：这类光盘采用多元半导体元素配制成的结构相变材料作为 记录介质膜，利用激光与介质膜相互作用时，激光的热和光效应导致 介质在晶态与玻璃态之间的可逆相变来实现反复写、擦要求，可分为 热致相变光盘和光致相变光盘。 磁光盘：

17、这类光盘采用稀土过渡金属合金制成的磁性相变介质作为 记录薄膜，这种薄膜介质具有垂直于薄膜表面的易磁化轴，利用光致 退磁效应以及偏置磁场作用下磁化强度取向的正或负来区别二进制中 的“0”或“1”。 5.4.1 可擦重写相变光盘的原理可擦重写相变光盘的原理 RW相变光盘是利用记录介质在两个稳定态之间的可逆相结构变化来 实现反复的写和擦。常见的相结构变化有下列几种： 晶态晶态之间的可逆相变，这种相变反衬度太小，没有使用价 值。 非晶态非晶态之间的可逆相变，这种相变的反衬度亦太小，没 有实用价值。 发生玻璃态晶态之间的可逆相变，这种相变有实用价值。 写、读、擦激光脉冲与其效应的相变过程 存储原理与过程

18、。近红外波段的激光作用在介质上，能加剧介质结构 中原子、分子的振动，从而加速相变的进行。因此近红外激光对介质 的作用以热效应为主。 信息的记录信息的记录 对应介质从晶态C向玻璃态G的转变。选用功率密度高、 脉宽为几十至几百钠秒的激光脉冲，使光斑微区因介质温度刹那间超 过熔点Tm而进入液相，再经过液相快淬完成达到玻璃态的相转变。 信息的读出信息的读出 用低功率密度、短脉冲的激光扫描信息道，从反射率的 大小辨别写入的信息。 一般介质处在玻璃态（即写入态）时反射率 小，处在晶态（擦除态）时反射率大，在读出的过程中，介质的相结 构保持不变。 信息的擦除信息的擦除 对应介质从玻璃态G向晶态C的转变。选用

19、中等功率密度、 较宽脉冲的激光，使光斑微区因介质温度升至接近Tm处，再经过成 核生长完成晶化。在此过程中，光诱导缺陷中心可以成为新的成核 中心，因此，由于激光作用使成核速率、生长速度大大增加，从而导 致 激光热晶化比单热晶化速率高。 光致晶化过程包括光致突发晶化和声子参与的弛豫过程，前者需时在10 91012秒量级，后者约几十钠秒。它与激光热致晶化过程的对比间表5 1。 热致晶化光致晶化 本质扩散型成核长大式晶化过程非扩散型跃迁复合式晶 化过程 条件符合或不符合化学计量比的组分； 所用的亚稳相 符合化学计量比组分；直 接固态相变，无需成核 起因热致起伏激光束激发或电子束激发 耦合性质 相分离，

20、原子扩散；原子振动；分 子振动 无相分离，无扩散；原子 位置调整；键角畸变消 失 自持效应不重要自持晶化，重要 穿透深度整体效应激光束：1005000；电 子束：12m 晶化时间 较长的退火过程（0.5m1.0ms） 突发作用（1ns1ps）+弛 豫过程（10200ns） 磁光介质的写、读、擦原理示意图 55 光盘衬盘材料（光盘衬盘材料（P246） 551光盘规格光盘规格 光盘衬盘厚1.2um，外形很像一张透明唱片。直径尺寸有（mm）356， 300，200，130，120等，分布着间距为1.6um的预刻沟槽，同心圆或 螺旋线都可，槽宽约0.8um，槽深取/8n，n是称盘的折射率，目前， 半导

21、体激光器波长830nm，称盘n1.49,槽深为70nm。 5.5.2村盘材料的选择村盘材料的选择 衬盘材料应满足以下寻求： （1）物化特性。物理化学特性要求比重小，吸水率、成型收缩率尽可能 低，用它制备光盘时脱气时间短，抗溶剂性强。 （2）光学性能好。对紫外光透射性能好；对写、读，擦波长吸收系数小； 双折射低；透光均匀；材料中应当没有气泡、缺陷、杂质、凝胶胶粒 等，否则会引起读、写、擦光束的衍射或消光，从而导致信号失真或 信息误传。 （3）耐热性能。抗热变形性的能力要强，热膨胀率应低；软化温度、热 变形温度应尽可能的高；洛氏硬度应强，断裂生长百分率应高。 表52 几种常用衬盘材料性能参数的对比

22、 衬盘材料 性能指标 PMMA PCAPO钢化玻璃 物 化 性 能 密度【g/cm3】 吸水率【24h，25C】（） 成型收缩率（） 达到1.33104Pa的时间（min） 抗溶剂性能 1.19 2 0.6 1000 弱 1.19 0.5 0.5 500 良 1.20 0.15 0.50.7 522 强 1.05 0.01 0.50.6 53 2.5 0 / 快 强 光 学 特 性 折射率 透光率（紫外）（） 吸收系数（830mm）（mm1） 双折射（6328）（mm） 光弹性系数（107cm2/kg） 1.49 92 2.7310 3 20 6 1.49 92 1.4110 4 20 6 1

23、.58 88 2.4410 2 50 80 1.55 92 20 6 1.451.57 90 / 0 0.2 耐 热 性 能 热膨胀率（10 6/C） 热传导率（4.19102W/mK） 蒸气透过率（24h，g/m2） 软化温度（C） 热变形温度（mPa） 80 46 2.8 110 95105 70 46 2.8 133 120130 6070 4.7 3.6 154 120132 / / / 150 / 312 1219 / 机 械 特 性 抗拉伸强度（mPa） 抗挠弯强度（mPa） 挠曲模量（mPa） 断裂伸长（） 拉伸储能模量（20C）（Gpa） 洛氏硬度（M标度） 43.15 64.

24、72 3237 2 5.2 82（ 3H） 10 5.7 54.92 98.07 2452 47 2.9 45（HB） 57.86 88.26 3138 3 75（2H） 73550 / （7H） 56 光信息存储新技术光信息存储新技术 信息技术的飞速发展，对海量信息存储的需求迅猛增长。然而，正在 全世界兴起的信息高速公路网和起级计算机小型化发展中，信息存储 系统仍是一个相对薄弱的关键性环节。光存储目前达到的存储密度和 数据传输速率还远远满足不了飞速发展的信息科学技术的要求 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、

25、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。 采用近场光学扫描显微技术和其他纳米技术使磁光、相变等目前己广 泛应用于光盘存储的介质和一些新密光存储介质的存储密度大幅度提 高，也是一个广为研究的课题。 三维立体存储是超大容量信息存储的最重要途经。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。 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。 从总体发展水平来看，在光存储特别是超高密度光信息存

26、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。 5.6.1持续光谱烧孔和三维光信息存储持续光谱烧孔和三维光信息存储 持续光谱烧孔PSHB（persistent spectral hole burning）应用于 光信息存储，可以使光的频率成为新的存储维，将传统的二维（x、y） 光信息存储发展成为三维（x、y、v）光信息存储。与目前的光盘存 储系统（记录密度限为108B/cm2）相比较，PSHB的三维光信息存 储（以下简称PSHB存储）在理论上可以使记录密度提高三至四个量 级。 在光存储技术中，由于光的衍射现象，光不可能聚焦在一个体积小于 1012 cm3左右的村料上，因此目前的光存储系统

27、存在一个大小约为 108B/cm2的存储密度上限。 光子烧孔大致可分为两类，即化学烧孔和物理烧孔，现重点介绍化学 烧孔。 持续光谱烧孔和三维光信息存储持续光谱烧孔和三维光信息存储 PSHB光存储示意图 5.6.2电子俘获光存储技术电子俘获光存储技术 （1）电于俘获材料 一种新开发的电子俘获材料由带隙宽为eV的碱土硫化物和掺 人其中的两类不同稀土金属元角（浓度约为十亿分之一）所组成。 （2）信息写人、读出和擦除 在电子俘获光存储技术中，二进制信息位“”的写人是以记录点局 域位置处的陷阱对电子的俘获（即电子对陷饼的填充）来表征的。 图517 一种电子俘获材料的能级分布 持续光谱烧孔和三维光信息存储持续光谱烧孔和三维光信息存储 图518 电子俘获存储读写擦光谱特性 全息信息存储全息信息存储 5.6.3 全息信息存储全息信息存储 光盘存储系统虽然在巨大容量（或称海量）存储信息方面具有许 多优点，但却与磁鼓、磁盘或磁带一样都要求光学头相对记录介质作 机械运动，这就使记录信息位的密度被限制在机械调节的精度内，并 使存取时间只能限于毫秒范围内。光全息存储是一条可循的途径具有 以下优点： 1）存储容量大：全息方法有可能将信息存储在介质的整个体积中， 这种三维全息存储按位计算的体密度上限为； 2）数据传输速率高、存储与读出时间短：