光信息存储技术与光盘

1、光学信息存储技术与光盘、5.1光盘与存储类型、5.2只读存储光盘、5.3一次写入光盘、5.4可擦写光盘、5.5光盘衬垫材料、5.6新光学信息存储技术。信息存储是通过写入设备在某个存储介质中临时或永久记录有用数据(如字符、文档、声音和图像)并通过读取设备从存储介质中再现信息的技术集成。随着科学技术的发展，存储技术经历了从纸质书写、微型照片、机械光盘、磁带和磁盘的演变过程，发展到今天采用光存储技术的新阶段。近年来，光存储技术在纯光全息扫描记录、光热变形光盘或光热磁效应光盘等方面取得了很大进展，发展前景十分广阔。光存储技术体现了现代光电子技术的精髓和技术诀窍，各种光电子方法如检测、调制、跟踪和控制都

2、得到了充分利用。以互联网为代表的海量信息传输技术的发展带来了海量信息存储问题，这是目前国际上的研究热点之一。大容量、高速、高密度、高稳定性和可靠的存储系统正在研究和推出，各种信息库和工作站相继建成。目前，信息存储中的记录方式正在向全光盘方向发展，光学头正逐步向短波长方向发展，因此记录密度也在增加。5.1光盘和存储类型，5.1.1光盘存储类型光存储包括“写”和“读”信息的过程。信息写入是利用激光的单色性和相干性，通过调制激光将存储在记录介质上的模拟或数字信息聚焦，使介质的照明微区(一般直径在微米以下)发生物理和化学变化，从而实现信息的记录效果。信息“读出”是用低功率密度激光扫描信息轨迹，用光电探

3、测器探测信号记录区反射率的差异，并通过解调提取所需信息的过程。光盘存储通常有两种类型。1.用于记录的光盘也称为“绘图”光盘，其具有写入和读取两种功能，并且可以在写入后直接读取记录的信息而无需处理，因此它可以用作信息的附加记录。特殊的复制光盘也称为“只读”光盘。它只能用于复制专业工厂预先复制的信息，不能由用户自己添加。5.1.2光盘存储的特性高存储密度是指存储在记录介质的单位长度或单位面积中的二进制数字b的数量。前者称为线密度，一般为103B/mm，后者为面密度，一般为105 106b/mm2。在直径为300毫米的数字光盘中，光盘的轨道间距为1.6微米，每侧有54，000个轨道。如果每个轨道对应

4、一个图像，它可以容纳50，000多个静止图像。数字光盘的读写速率在一个通道中可以达到25106位/秒。数据传输速率可以达到每秒几兆到几十兆的数量级，并发展到每秒千兆和兆比特的数量级。在具有长存储寿命的光学记录中，记录介质膜被封装在两个保护膜中。激光读写是非接触式过程，防尘、防污染。因此，存储时间超过10年，而商用磁盘只有3 5年。每个信息位的价格很低，很容易复制一张650兆的光盘，只有5 10元，每兆只有几分钱；一张DVD的容量是4.7GB，大约10元，每MB不到一便士。易于操作，易于使用在线计算机。具有随机寻址能力的随机存取时间小于60毫秒。5.2光盘，5.2.1光盘存储原理图5-1是光盘存

5、储原理的示意图。图5-1是只读存储器记录的示意图，其中激光束聚焦成1 m的光斑。光盘的凹坑宽度一般为0.4um，深度约为0.11um，螺旋轨道间距为1.67um。图5-2中圆盘制备过程示意图。调制的激光束以不同的功率密度聚焦在具有光致抗蚀剂的玻璃支撑盘上以曝光光致抗蚀剂，然后显影和蚀刻以制造母盘，然后喷涂和电镀以制造子盘(也称为印模)，然后“2P”注射成型以形成只读存储器盘。图5-2是rom盘的制备过程的示意图，图5-3是rom主盘和副盘的制备过程，衬盘被剥离。精密研磨抛光后，进行超声波清洗，得到规格均匀、表面洁净的内胆；将光刻胶滴在光盘上，放入高速离心机中旋转光刻胶，在衬盘表面形成均匀的光刻

6、胶膜；取出后放入烘箱中进行预烘烤，从而获得与基材附着力好、致密的光刻胶膜。调制曝光。光阑被放置在高精度激光记录器中，并且根据预定的调制信号写入信息。显影和蚀刻。刻有信息的光盘放入显影液中进行监控和显影。如果使用的光致抗蚀剂是正性光致抗蚀剂，则曝光部分脱落(如果是负性光致抗蚀剂，则未曝光部分脱落)，因此符合调制信号的信息凹坑出现在每个信息轨道中，并且凹坑的形状、深度和间距与承载信息相关。这种具有凹凸信息结构的调制信息盘就是母盘。由于在该过程中使用的光刻胶通常是正性的，所以母版是正性母版。喷涂银涂层。在主磁盘表面喷涂一层银膜。一方面，这种银膜用于提高信息结构的反射率，以测试母盘的质量，另一方面，它

7、也用作下一步镀镍的电极之一。电镀镍层。通过电解将镍镀在镀银盘的表面上，从而在主盘上生长出所需厚度的金属镍膜。对上述圆盘进行化学处理，从主圆盘上剥离镍膜，形成副圆盘。通过重复步骤(5)和(6)，上述母盘中的每一个都可以被制成几个子图像子盘。通过重复步骤(5)和(6)，每个子盘可以被制成几个正的子盘。5.2.3只读光盘的“2P”副本。将上述得到的正片或亚片作为“印模”加工中心孔和外圆，然后装入“2P”喷塑机中，通过进一步的“2P”复制工艺制造批量只读光盘。“2P”是光聚合的缩写，其物理过程如图5-4所示。一般来说，光盘的记录介质是光致抗蚀剂，记录方式是用声光调制的氩离子激光在介质上记录信息，然后制

8、作主盘和副盘，再用副盘作为原型复制大量的视盘或数字音像记录。一般来说，母盘可以复制至少5000张光盘。“2P”光盘拷贝，图5-4“2p”工艺示意图，5.3一次写入光盘，5.3.1一次写入模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和化学变化来记录信息的光盘，其记录方法主要包括以下几种：烧蚀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，介质的微区熔化并蒸发，形成信息坑图5-5 (a)。发泡储存介质由聚合物难熔金属薄膜组成。激光照射分解聚合物并排出气体，两层之间形成的气泡使上层薄膜膨胀，与周围环境形成反射率差异，从而实现信息记录图5-5 (b)。熔融羊毛

9、存储介质使用离子蚀刻硅，其表面呈现天鹅绒结构。激光点将被照射部分的天鹅绒表面熔化成镜面，实现对比记录图5-5 (c)。合金类型为铂硅、铑硅或金硅双层结构，激光加热的微区熔化成合金，形成对比记录图5-5 (d)。相变存储介质通常由硫属化合物或金属合金制成薄膜，通过利用金属的热和光学效应，辐照的微区从非晶相转变为晶相图5-5 (e)。图5-5一次写入模式，5.3.2存储介质烧蚀读写光盘的基本要求这是确保光盘在高存储密度条件下能获得较小的原始误码率的一个例子。图5-6显示了记录的信息凹坑，不规则凹坑边缘形状的偏离程度用表示。当读取激光束从信息轨道的未记录区域扫入或扫出信息坑时，它被设置为读取信号的“

10、1”，否则它为“0”。这样获得的读取信号的波形显示在图5-6的下部。没有中间过程。存储介质需要能够实时记录数据并及时读出信息，而无需任何中间处理。只有这样，光盘才能实现写后直接读取(即绘图功能)，以保证记录数据的实时验证。更好的录音阈值。记录阈值是指在存储介质中形成规则信息标记所需的最小激光功率密度。只有适当的记录阈值才能使信息读取超过108次，而不会使信息坑降级。记录阈值过高或过低都会影响凹坑质量和读取效果。图5-6是读取分辨率的示意图。如果存储密度为108B/cm2，则每个信息位仅占据1m2的面积。存储介质应该能够保持这些微坑的规则几何形状，并以更高的精度区分它们的位置，这要求边缘偏差落在

11、100以内，以确保原始误码率小于10-8。记录敏感。要求存储介质对所用的激光波长具有大的吸收系数和良好的光响应特性，并能在高数据传输速率和波形不失真的情况下以小的激光功率形成可靠的记录标记。例如，当使用波长为830纳米、盘功率约为10毫瓦、脉冲宽度可调的激光器来记录高速旋转的多元件半导体时，可以获得每秒几兆字节的数据速率。高对比度。对比度是指通道上记录的微区和未记录区之间的反射率对比度。存储介质和优化的光盘应该具有尽可能高的对比度，以便读出的信噪比能够达到最佳值。稳定的抗微腐蚀性能。存储介质应具有大面积均匀成膜、良好的致密性、小的微缺陷密度和强的抗缺陷能力，以获得低于10-4个数量级的原始误码

12、率和至少10年的存储寿命。与预格式化衬垫兼容。一次写入光盘可以用来存储和检索文件，所以光盘应该有地址码，包括通道号、扇区号和同步信号。这些代码以标准格式预先录制，并复制在光盘衬垫上。存储介质在力、热和光学方面应与预格式化的衬垫相匹配，以保证轨道跟踪的平滑，并实现任何轨道的任何扇区的信息读写。高生产率和低成本。5 . 3 . 3 WORM光盘的存储原理当存储介质的单层薄膜被激光热效应烧蚀时，存储介质吸收的激光能量超过存储介质的熔点，形成信息坑。常用的WORM光盘基于聚甲基丙烯酸酯，其厚度为1.2毫米，并溅射有薄的介电层。用830纳米激光在1um2范围内聚焦，温度呈高斯空间分布。当中心温度超过熔点

13、Tm时，在介质表面形成一个熔化区，周围的表面张力将熔化区拉成孔。激光脉冲被移除，孔的边缘固化，并且在记录介质上形成对应于输入信息的凹坑。以这种方式记录的信息很难满足上述用于存储介质的写/读盘的要求，因为入射到膜表面上的激光能量E0(图5-7)部分地在膜表面(er)上反射，大部分被膜(EA)吸收，部分由于径向扩散(E)而在膜中损失，其余的被传输到衬垫盘(et)，也就是说，如果存储介质要具有高灵敏度的话。为了使电流变得最小，从记录层的上下界面反射的光必须被相消干涉。因为在上界面处有半波损失，而在下界面处没有，所以记录层的最小厚度要求为/2n1。由于上下界面之间的能量差异很大，因此很难实现ob图5-

14、7中记录光的分布，添加铝带后电流效率明显降低，但由于铝是一种良导体，它会增加电流效率。因此，应该在记录层和反射层之间添加热障层(通常是透明介质二氧化硅)，其折射率为n2，厚度为d2。它可以完全防止介电层吸收的能量传递到衬盘。此时，相应的抗反射条件的最小厚度是这样的，即形成具有记录层、热障层和反射层三层结构的存储介质，如图5-8 (a)所示。目前，实用的蜗轮蜗杆盘均为三层结构，主要采用两种基本结构：空气夹层式图5-8 (b)和直接密封式图5-8 (c)，均已商业化。图5-8一次写入光盘结构，5.4可擦除可重写光盘主要根据记录介质写入、读取和擦除的机制分为两类：相变光盘：这种光盘使用由多个半导体元

15、件制备的结构相变材料作为记录介质膜，当激光与介质膜相互作用时， 激光的热和光效应使介质的晶态和玻璃态之间发生可逆的相变，以满足重复写入和擦除磁光盘的要求：这种光盘使用稀土-过渡金属合金制成的磁性相变介质作为记录膜，其易磁化轴垂直于膜表面，并利用光诱导退磁效应和偏置磁场下的正或负磁化取向来区分二元体系中的“0”或“1”。 虽然结构相变光盘和磁光盘的工作机理不同，但本质上都属于二阶相变过程。与一阶相变不同，两相不共存，所以介质的两种稳定状态可以用来区分二元体系中的“0”和“1”。可擦除和可重写光盘中的重复写入和擦除过程对应于记录介质中的可逆相变过程。从广义上讲，任何具有光致双稳态变化的材料都可以用

16、作RW记录介质。5.4.1可擦除重写相变盘的原理RW相变盘利用记录介质在两种稳定状态之间可逆的相结构变化来实现重复写入和擦除。常见的相结构变化如下：晶体和晶体之间的可逆相变，太小而不能使用。非晶态和非晶态之间的可逆相变对比度太小，没有实用价值。玻璃态之间发生可逆相变，具有实用价值。1.激光诱导的相变可以擦除和重写光存储材料。用于这种存储盘的相变介质(晶体和非晶多半导体)是共价键结构，晶态是长程有序的，而非晶态由于键长和键角而扭曲，原子构型中出现各种缺陷，因此是短程有序的。结晶温度和活化能越高，热稳定性越好。无序体系的热稳定性越好，结晶就越困难。因此，形成了三元或多元合金光学记录介质。图5-9

17、(a)示出了相变期间介质体积随温度的变化，图5-9 (b)示出了透射率随温度的变化。只要材料设计满足一定的条件，不仅可以提高介电玻璃的稳定性，还可以提高其结晶速率。图5-9可擦写光盘的材料特性、存储原理和过程。作用在介质上的近红外激光可以增强介质结构中原子和分子的振动，从而加速相变。因此，近红外激光对介质的影响主要是热效应，写入、读取和擦除激光及其相应的相变过程如图5-10所示。信息的记录对应于介质从晶体c到玻璃g的转变.选择高功率密度和数十到数百钠秒脉冲宽度的激光脉冲，使光斑微区因介质温度突然超过熔点Tm而进入液相，然后通过快速淬火完成向玻璃态的相变选择中等功率密度和宽脉冲的激光，使光斑微区因介质温度而升高到接近Tm，然后通过成核-生长完成结晶。在这