光電子技術第5章光存儲器

1、 5.1 5.1 光存儲器概述光存儲器概述一、光存儲器的發(fā)展一、光存儲器的發(fā)展光存儲器是繼磁存儲器之后迅速發(fā)展起來的。光存儲器是繼磁存儲器之后迅速發(fā)展起來的。由于信息量與日俱增和信息的多媒體化，由于信息量與日俱增和信息的多媒體化，數(shù)字化后占用巨大的存儲空間，傳統(tǒng)的磁數(shù)字化后占用巨大的存儲空間，傳統(tǒng)的磁存儲設備難以滿足這一要求。存儲設備難以滿足這一要求。 光盤存儲技術是采用磁盤以來最重要的新光盤存儲技術是采用磁盤以來最重要的新型數(shù)據(jù)存儲技術，它綜合了磁存儲容量大型數(shù)據(jù)存儲技術，它綜合了磁存儲容量大和磁盤的快速隨機檢索的優(yōu)點，并具有一和磁盤的快速隨機檢索的優(yōu)點，并具有一系列獨特的優(yōu)良性能。系列獨特

2、的優(yōu)良性能。二、光存儲器的特點二、光存儲器的特點存儲密度高，可把激光聚焦成直徑約存儲密度高，可把激光聚焦成直徑約1m1m的的光點進行記錄。光點進行記錄。 非接觸式讀非接觸式讀/ /寫信息。寫信息。 存儲壽命長存儲壽命長，可達百年。，可達百年。 信息的信噪比高。信息的信噪比高。光盤多光盤多次讀出的音質和圖像的清晰次讀出的音質和圖像的清晰度是磁盤無法比擬的。度是磁盤無法比擬的。 信息位價格低。信息位價格低。信息位價格比磁記錄低幾十倍。信息位價格比磁記錄低幾十倍。光盤存儲技術目前的不足之處：光盤存儲技術目前的不足之處： 光頭無論體積還是重量，都比磁頭的大，光頭無論體積還是重量，都比磁頭的大，這影響了

3、光盤的尋址速度，從而影響其數(shù)據(jù)這影響了光盤的尋址速度，從而影響其數(shù)據(jù)傳輸速度。傳輸速度。 光盤的記錄密度高，基本存儲單元每位只光盤的記錄密度高，基本存儲單元每位只占約占約1m1m2 2的面積，盤片上極小的缺陷或針孔的面積，盤片上極小的缺陷或針孔也會引起錯誤。因而，光盤的原始誤碼率高，也會引起錯誤。因而，光盤的原始誤碼率高，必須采取強有力的誤碼校正措施。必須采取強有力的誤碼校正措施。三、光盤的類型三、光盤的類型 最先實現(xiàn)商品化生產，最先實現(xiàn)商品化生產， LDLD、CDCD、CD-ROMCD-ROM、VCDVCD、DVD-ROMDVD-ROM等就是最好的應用。等就是最好的應用。是用金屬母盤模壓是用

4、金屬母盤模壓復制出來的。復制出來的。 1.1.只讀型光盤只讀型光盤 存儲容量大，壓制成本低，大量的文獻資料、存儲容量大，壓制成本低，大量的文獻資料、視聽教材、教育節(jié)目、影視節(jié)目、游戲、圖書、視聽教材、教育節(jié)目、影視節(jié)目、游戲、圖書、計算機軟件等都通過它來發(fā)行。計算機軟件等都通過它來發(fā)行。 只能讀不能寫，使用者無法用來保存自己的內容。只能讀不能寫，使用者無法用來保存自己的內容。 是用會聚的激光束的熱能，使材料的形狀是用會聚的激光束的熱能，使材料的形狀發(fā)生永久性變化而進行記錄的，記錄后不能發(fā)生永久性變化而進行記錄的，記錄后不能在原址重新寫入。在原址重新寫入。2.2.可錄型光盤可錄型光盤(CD-R(

5、CD-R、DVD-RDVD-R等等) ) 是只能寫入一次、主要用于多次讀出的技術是只能寫入一次、主要用于多次讀出的技術 ，可由用戶將數(shù)據(jù)直接寫入光盤。計算機配置了可由用戶將數(shù)據(jù)直接寫入光盤。計算機配置了刻錄機刻錄機(CD-R(CD-R或或DVD-R),DVD-R),兼有只讀驅動器功能。兼有只讀驅動器功能。 成本低，制作一張光盤的費用基本上就是成本低，制作一張光盤的費用基本上就是材料費；可以不必一次把盤全部寫滿；光盤材料費；可以不必一次把盤全部寫滿；光盤上的數(shù)據(jù)無法被修改，具有極高的安全性。上的數(shù)據(jù)無法被修改，具有極高的安全性。 可錄型光盤在銀行、證券、保險、法律和醫(yī)可錄型光盤在銀行、證券、保險

6、、法律和醫(yī)療領域，在檔案館、圖書館、出版社、政府療領域，在檔案館、圖書館、出版社、政府機關和軍事部門的信息存儲、管理及傳遞中機關和軍事部門的信息存儲、管理及傳遞中獲得了極為廣泛的應用。獲得了極為廣泛的應用。 3.3.可擦重寫型光盤可擦重寫型光盤 是可以寫入、擦除、重寫的可逆型記錄系統(tǒng)。是可以寫入、擦除、重寫的可逆型記錄系統(tǒng)。利用利用激光照射引起介質的可逆性物理變化而進行記錄。激光照射引起介質的可逆性物理變化而進行記錄。 主要有主要有磁光（磁光（MOMO）記錄）記錄和和相變（相變（PCDPCD）記錄）記錄： u 磁光型磁光型磁技術和光技術相結合以讀寫信息；磁技術和光技術相結合以讀寫信息； u 相

7、變型相變型僅用光學技術進行讀寫。僅用光學技術進行讀寫。 四、光盤的特性參數(shù)四、光盤的特性參數(shù) 光盤類型：光盤類型：只讀型、可錄型、可擦重寫型。只讀型、可錄型、可擦重寫型。 光盤直徑：光盤直徑：多為多為5 5即即120120mm。 存儲密度：存儲密度：存儲介質的單位長度或單位面積內存儲介質的單位長度或單位面積內 存儲的二進制數(shù)的位數(shù)。存儲的二進制數(shù)的位數(shù)。 存儲容量：存儲容量：可存儲在光盤中數(shù)據(jù)的總量，通?？纱鎯υ诠獗P中數(shù)據(jù)的總量，通常 以二進制數(shù)的位數(shù)、字節(jié)數(shù)等數(shù)據(jù)以二進制數(shù)的位數(shù)、字節(jié)數(shù)等數(shù)據(jù) 單位表示。單位表示。 數(shù)據(jù)傳輸速率：數(shù)據(jù)傳輸速率：單位時間內從光盤讀取的二進單位時間內從光盤讀取的

8、二進 制數(shù)的位數(shù)或字節(jié)數(shù)。制數(shù)的位數(shù)或字節(jié)數(shù)。 存取時間：存取時間：把信息寫入光盤或從光盤上把信息寫入光盤或從光盤上 讀出信息所需的時間。讀出信息所需的時間。 信噪比：信噪比：信號電平與噪聲電平之比，以信號電平與噪聲電平之比，以dBdB表示。表示。 誤碼率：誤碼率：從光盤上讀出信息時，出現(xiàn)差錯的位從光盤上讀出信息時，出現(xiàn)差錯的位 數(shù)與讀出的總位數(shù)之比。數(shù)與讀出的總位數(shù)之比。 存儲每位信息的價格：存儲每位信息的價格：即價格即價格/ /位。位。 信息存儲正沿著磁存儲到磁光存儲向全光存儲信息存儲正沿著磁存儲到磁光存儲向全光存儲的方向發(fā)展。的方向發(fā)展。今后幾年內，磁盤存儲和光盤存今后幾年內，磁盤存儲和

9、光盤存儲仍為高密度信息外存儲的主要手段。儲仍為高密度信息外存儲的主要手段。5.2 5.2 光盤存儲器的工作原理光盤存儲器的工作原理一、光盤驅動器的結構一、光盤驅動器的結構由光學、電氣和機械部件組成，形成一由光學、電氣和機械部件組成，形成一個有機的整體，完成寫入、讀出數(shù)據(jù)的個有機的整體，完成寫入、讀出數(shù)據(jù)的基本功能，并實現(xiàn)自檢操作?；竟δ埽崿F(xiàn)自檢操作。 檢測和校正讀、寫光斑與數(shù)據(jù)道之間檢測和校正讀、寫光斑與數(shù)據(jù)道之間 的定位誤差的光電系統(tǒng)。的定位誤差的光電系統(tǒng)。 激光光源和與之相連的形成讀、寫光激光光源和與之相連的形成讀、寫光 斑的光學系統(tǒng)。斑的光學系統(tǒng)。 檢測和讀出數(shù)據(jù)的光電系統(tǒng)。檢測和

10、讀出數(shù)據(jù)的光電系統(tǒng)。 激光光源、光學元件和光檢測器，組成了小巧激光光源、光學元件和光檢測器，組成了小巧的的光盤讀寫頭光盤讀寫頭，簡稱，簡稱光頭光頭。圖圖5.25.2 移動光頭的機構。移動光頭的機構。光頭安置在平臺或小光頭安置在平臺或小車車 上，并與直線電機連接，控制光頭相對上，并與直線電機連接，控制光頭相對光光 盤徑向移動、校正光盤的偏心。盤徑向移動、校正光盤的偏心。 寫寫/ /讀數(shù)據(jù)通道中的編讀數(shù)據(jù)通道中的編/ /譯碼電路，誤差檢驗與譯碼電路，誤差檢驗與 校正（即校正（即ECCECC）電路。）電路。 光盤，即數(shù)據(jù)存儲媒體。光盤，即數(shù)據(jù)存儲媒體。 光盤旋轉機構。光盤旋轉機構。由直流電機轉動光盤

11、，通過旋由直流電機轉動光盤，通過旋 轉編碼器產生伺服信號，控制光盤的轉速。轉編碼器產生伺服信號，控制光盤的轉速。 光盤機的電子線路。光盤機的電子線路。 二、光盤的讀、寫原理二、光盤的讀、寫原理 載有信息的激光束聚焦成直徑載有信息的激光束聚焦成直徑1m1m左右的微左右的微小光斑，能量高度集中，在存儲介質上產生物小光斑，能量高度集中，在存儲介質上產生物理、化學變化如形成凹坑，以記錄信息；理、化學變化如形成凹坑，以記錄信息； 用較弱光強的微小光斑在存儲介質上掃描，根據(jù)用較弱光強的微小光斑在存儲介質上掃描，根據(jù)反射光的變化讀出記錄的數(shù)據(jù)。反射光的變化讀出記錄的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)讀寫的過程實現(xiàn)讀寫的過程（由圖（

12、由圖5.25.2所示）所示）： 要記錄的數(shù)據(jù)信號先通過要記錄的數(shù)據(jù)信號先通過ECCECC和編碼電和編碼電路，直接調制半導體激光器的輸出。路，直接調制半導體激光器的輸出。 調制的激光束經(jīng)光學系統(tǒng)導向聚焦透鏡，調制的激光束經(jīng)光學系統(tǒng)導向聚焦透鏡，聚焦在數(shù)據(jù)存儲介質平面，造成凹坑。聚焦在數(shù)據(jù)存儲介質平面，造成凹坑。 寫入寫入 光盤旋轉，光盤旋轉，載有光頭的小載有光頭的小車在光盤徑向車在光盤徑向移動，光盤上移動，光盤上形成信息道。形成信息道。 凹坑的深度凹坑的深度約為激光波約為激光波長的長的1/41/4。讀出讀出 讀出激光束也要經(jīng)過寫入時的光學系統(tǒng)，在讀出激光束也要經(jīng)過寫入時的光學系統(tǒng)，在存儲介質面上

13、聚焦。根據(jù)數(shù)據(jù)道上凹坑的情存儲介質面上聚焦。根據(jù)數(shù)據(jù)道上凹坑的情況，讀出光束的反射光的強度受到調制。況，讀出光束的反射光的強度受到調制。 反射光經(jīng)聚焦透鏡、跟蹤反射鏡導向反射光經(jīng)聚焦透鏡、跟蹤反射鏡導向1/41/4波波片和偏振光束棱鏡。讀出光束兩次通過片和偏振光束棱鏡。讀出光束兩次通過1/41/4波波片，光程增加了片，光程增加了/2/2，其偏振方向與入射時垂，其偏振方向與入射時垂直，則被偏振光束棱鏡導至光檢測通道。直，則被偏振光束棱鏡導至光檢測通道。 反射的讀出光束由半透半反鏡分束，一部分經(jīng)反射的讀出光束由半透半反鏡分束，一部分經(jīng)數(shù)據(jù)光檢測器輸出光盤數(shù)據(jù)；另一部分經(jīng)定位誤數(shù)據(jù)光檢測器輸出光盤數(shù)

14、據(jù)；另一部分經(jīng)定位誤差光檢測器，產生聚焦控制、跟蹤控制、速度控差光檢測器，產生聚焦控制、跟蹤控制、速度控制三種伺服信號。制三種伺服信號。 反射光的強度依有無凹坑而變化，數(shù)據(jù)光檢反射光的強度依有無凹坑而變化，數(shù)據(jù)光檢測器將介質上反射率的變化轉變?yōu)殡娦盘枺?jīng)測器將介質上反射率的變化轉變?yōu)殡娦盘?，?jīng)過譯碼和過譯碼和ECCECC電路，即可輸出讀出的光盤信息。電路，即可輸出讀出的光盤信息。 可錄型光盤的讀寫與一般只讀型光盤基本可錄型光盤的讀寫與一般只讀型光盤基本相同，但光盤的結構有很大差別相同，但光盤的結構有很大差別。 只讀型光盤只讀型光盤可錄型光盤可錄型光盤三、光盤的格式三、光盤的格式光盤的半徑方向分

15、為若干條信息道，每條信息道光盤的半徑方向分為若干條信息道，每條信息道沿圓周方向分成若干個扇區(qū)，每個扇區(qū)又分為標沿圓周方向分成若干個扇區(qū)，每個扇區(qū)又分為標題區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)，其中附有誤差檢驗和校正碼。題區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)，其中附有誤差檢驗和校正碼。在光盤上存儲信息，主要有角速度恒定和線速度在光盤上存儲信息，主要有角速度恒定和線速度恒定方式，兩者都是從最內側信道開始記錄。恒定方式，兩者都是從最內側信道開始記錄。線速度恒定的方式：線速度恒定的方式： 整個盤面上的面密度恒定，存儲容量得到了最佳整個盤面上的面密度恒定，存儲容量得到了最佳利用，外側半徑上的信道比內側信道存儲更多的信利用，外側半徑上的信道比內側信道存儲更

16、多的信息。在從內側到外側掃描信息的過程中，光盤的旋息。在從內側到外側掃描信息的過程中，光盤的旋轉頻率要減小，以便輸出信息的速度保持恒定。轉頻率要減小，以便輸出信息的速度保持恒定。 角速度恒定的方式：角速度恒定的方式： 光盤的旋轉頻率保持恒定而與半徑無關，每條信道光盤的旋轉頻率保持恒定而與半徑無關，每條信道所存儲的信息量相同。角速度恒定控制簡單，便于隨所存儲的信息量相同。角速度恒定控制簡單，便于隨機存取數(shù)據(jù)。但存儲容量不及線速度恒定的方式。機存取數(shù)據(jù)。但存儲容量不及線速度恒定的方式。改進型恒線速度方式：改進型恒線速度方式： 沿光盤徑向每隔一定數(shù)量信道就改變一次光沿光盤徑向每隔一定數(shù)量信道就改變一

17、次光盤的轉速，使一條信道包括整數(shù)個扇區(qū)。盤的轉速，使一條信道包括整數(shù)個扇區(qū)。這樣這樣可以保持線速度基本恒定，增加了容量，又可可以保持線速度基本恒定，增加了容量，又可以有角速度恒定隨機讀寫的優(yōu)點。以有角速度恒定隨機讀寫的優(yōu)點。 四、光盤讀寫頭四、光盤讀寫頭 光盤讀寫頭光盤讀寫頭( (簡稱光頭簡稱光頭) )是光盤驅動器中最關是光盤驅動器中最關鍵的部件，其性能的優(yōu)劣決定著光盤技術的成鍵的部件，其性能的優(yōu)劣決定著光盤技術的成敗。光頭雖小，卻是集光、機、電為一體的高敗。光頭雖小，卻是集光、機、電為一體的高科技產品。科技產品。 1.1.圖圖5.25.2所示的光頭中，光檢測通所示的光頭中，光檢測通道可以采用

18、四象限光電探測器。道可以采用四象限光電探測器。 反射光束被四象限光電探測器接收，反射光束被四象限光電探測器接收，光斑對每個象限產生電信號光斑對每個象限產生電信號u1u1、u2u2、u3u3、u4u4。(u1+u2+u3+u4)(u1+u2+u3+u4)是輸出數(shù)據(jù)；是輸出數(shù)據(jù)；(u1+u4)- (u2+u3)(u1+u4)- (u2+u3)反映光斑對光盤數(shù)據(jù)軌道的反映光斑對光盤數(shù)據(jù)軌道的徑向誤差，產生跟蹤伺服信號；徑向誤差，產生跟蹤伺服信號；當光束離焦時，探測器上得到彌散光斑，使四象限當光束離焦時，探測器上得到彌散光斑，使四象限光強之和變小而產生聚焦伺服信號。光強之和變小而產生聚焦伺服信號。 四

19、象限探測器的輸出信號還送往旋轉編碼器以實現(xiàn)四象限探測器的輸出信號還送往旋轉編碼器以實現(xiàn)光盤轉速控制。光盤轉速控制。 2.2.聚焦物鏡的數(shù)值孔徑聚焦物鏡的數(shù)值孔徑NANA對光盤存儲密度至關對光盤存儲密度至關重要。激光在光盤上的聚焦光斑越小，光盤存儲重要。激光在光盤上的聚焦光斑越小，光盤存儲密度越大。密度越大。激光聚焦光斑直徑激光聚焦光斑直徑d d的表達式為：的表達式為： 0.6dNA=可見，可見，提高聚焦物鏡的數(shù)值孔提高聚焦物鏡的數(shù)值孔徑徑NANA，使用短波長激光，是非，使用短波長激光，是非常重要的。常重要的。CDCD光盤：光盤：使用波長使用波長780nm780nm激光，激光，NANA為為0.4

20、50.45，0.60 0.781.040.45mdm一張一張120mm120mm的的CDCD盤存儲容量約為盤存儲容量約為0.6GB0.6GB。DVDDVD光盤：光盤：使用使用635635650nm650nm紅光，紅光，NANA為為0.60.6時，時，0.60 0.6350.640.60mdm120mmDVD120mmDVD光盤單面容量可達光盤單面容量可達4.7GB4.7GB。 新型的藍光盤使用新型的藍光盤使用405nm405nm藍光，藍光，NANA可達可達0.850.85，同樣尺度的藍光盤存儲容量達，同樣尺度的藍光盤存儲容量達232327GB27GB。3.3.光盤光盤的數(shù)據(jù)傳輸速率需要提高，主

21、要途徑的數(shù)據(jù)傳輸速率需要提高，主要途徑是提高光盤轉速，降低光頭的重量和體積，是提高光盤轉速，降低光頭的重量和體積，優(yōu)化尋址機構和數(shù)據(jù)處理方案。優(yōu)化尋址機構和數(shù)據(jù)處理方案。 圖圖5.25.2所示為最初采用的比較成熟的一種光頭，所示為最初采用的比較成熟的一種光頭，其部件較多，體積和重量都較大，對數(shù)據(jù)傳輸速其部件較多，體積和重量都較大，對數(shù)據(jù)傳輸速率影響很大。率影響很大。研發(fā)人員一直在致力于光頭的微型研發(fā)人員一直在致力于光頭的微型化、集成化?；⒓苫?。一種全息光頭：一種全息光頭：設計全息元件成為具有分束、焦點誤差檢測和設計全息元件成為具有分束、焦點誤差檢測和跟蹤誤差檢測三種功能的復合功能元件，且不

22、跟蹤誤差檢測三種功能的復合功能元件，且不受光源波長變化的影響。受光源波長變化的影響。 結合探測器、電子電路實現(xiàn)讀結合探測器、電子電路實現(xiàn)讀/ /寫、聚焦、跟蹤寫、聚焦、跟蹤伺服。伺服?？纱蟠蠛喕忸^結構，降低光頭重量。可大大簡化光頭結構，降低光頭重量。一種由分束光柵和拋物面形聚焦鏡面組一種由分束光柵和拋物面形聚焦鏡面組成的集成光頭：成的集成光頭：它把從光源到檢它把從光源到檢測、分束、會聚測、分束、會聚等功能都集成在等功能都集成在一塊基片上，整一塊基片上，整個光頭成為一個個光頭成為一個模塊。模塊。大幅度地大幅度地降低光頭的重量降低光頭的重量和體積，達到與和體積，達到與磁頭可比的程度，磁頭可比的程

23、度，也使可靠性大大也使可靠性大大提高提高。5.3 CD5.3 CD、DVDDVD、藍光光盤、藍光光盤、可擦重寫型光盤可擦重寫型光盤目前已商品化或正在進入商品化階段目前已商品化或正在進入商品化階段的數(shù)字光盤可分為以下三個系列：的數(shù)字光盤可分為以下三個系列：CDCD（compact disccompact disc）系列，激光波長）系列，激光波長780780830nm830nm，第一代光盤；，第一代光盤；DVD(digitalDVD(digital versatile disc) versatile disc)系列，激系列，激光波長光波長635635650nm650nm，第二代光盤；，第二代光盤；

24、藍光光盤系列，激光波長藍光光盤系列，激光波長405nm405nm，包括高，包括高密度密度DVD(HD-DVD)DVD(HD-DVD)和藍光盤和藍光盤(Blu(Blu-ray disc -ray disc BD)BD)，第三代光盤。，第三代光盤。參量參量 CD DVD CD DVD 高密度高密度DVD DVD 藍光光盤藍光光盤 (0.6mm+0.6mm) (0.1mm+1.1mm)(0.6mm+0.6mm) (0.1mm+1.1mm) 記錄容量記錄容量/GB(單面單層單面單層) 0.6 4.7 15 23-27激光波長激光波長/nm 780-830 635-650 405 405聚焦物鏡聚焦物鏡

25、NA 0.45 0.6 0.65 0.85道間距道間距/m 1.6 0.74 0.40 0.32最小記錄點最小記錄點長度長度/m 0.83 0.39 0.20 0.13表表5.2 5.2 三個系列光盤的主要技術參量三個系列光盤的主要技術參量一、一、CDCDCDCD盤盤( (包括包括CD-ROMCD-ROM、CD-RCD-R、CD-RW)CD-RW)直徑直徑120mm120mm，厚度厚度1.2mm1.2mm，采用單面記錄方式。主要用于存儲，采用單面記錄方式。主要用于存儲音樂和數(shù)據(jù)、資料、文件等等。音樂和數(shù)據(jù)、資料、文件等等。 只讀只讀CDCD光盤的結構很簡單，是由聚碳酸酯（光盤的結構很簡單，是由

26、聚碳酸酯（PCPC）襯）襯底、鋁反射層底、鋁反射層(Al)(Al)和紫外線固化膠和紫外線固化膠(UV)(UV)三層組成。三層組成。PCPC襯底上有模壓的信息凹坑；紫外線固化膠保護鋁襯底上有模壓的信息凹坑；紫外線固化膠保護鋁反射層免被氧化并可在其上印刷光盤的名稱、商標反射層免被氧化并可在其上印刷光盤的名稱、商標等信息。等信息。 CDCD只讀光盤的加工過程可用流程圖表示：只讀光盤的加工過程可用流程圖表示：DVDDVD只讀光盤的制作流程與只讀光盤的制作流程與CDCD基本相同。基本相同。CD/DVDCD/DVD只讀光盤的制作過程：只讀光盤的制作過程：1.1.主盤制備工序主盤制備工序在潔凈的玻璃襯盤上均

27、勻甩上光刻膠，干燥后按預在潔凈的玻璃襯盤上均勻甩上光刻膠，干燥后按預定信息進行調制曝光。經(jīng)過監(jiān)控顯影，曝光區(qū)域的定信息進行調制曝光。經(jīng)過監(jiān)控顯影，曝光區(qū)域的光刻膠脫落，呈現(xiàn)按信息調制的信息凹坑。光刻膠脫落，呈現(xiàn)按信息調制的信息凹坑。這種具這種具有凹凸信息結構的盤片就是正像主盤，即有凹凸信息結構的盤片就是正像主盤，即MasterMaster。2.2.副盤制備工序副盤制備工序在主盤表面噴鍍一層鎳釩（在主盤表面噴鍍一層鎳釩（NivNiv）合金，厚約）合金，厚約150nm150nm，以增加其硬度并用作電極。通過電解鍍鎳使主盤上又以增加其硬度并用作電極。通過電解鍍鎳使主盤上又長成厚度約長成厚度約300m

28、300m的金屬鎳膜。的金屬鎳膜。經(jīng)化學處理使金屬鎳膜從主盤剝離，就形成一經(jīng)化學處理使金屬鎳膜從主盤剝離，就形成一個負像副盤。個負像副盤。用此副盤可制出若干個正像鍍鎳用此副盤可制出若干個正像鍍鎳主盤，每一個主盤又可制出若干負像副盤。主盤，每一個主盤又可制出若干負像副盤。每每一個副盤都可用作注塑復制的印模，即一個副盤都可用作注塑復制的印模，即StamperStamper。3.3.注塑復制工序注塑復制工序在注塑機里，干燥的聚碳酸酯顆粒被熔化、壓制成在注塑機里，干燥的聚碳酸酯顆粒被熔化、壓制成帶有從鎳模具復制過來的信息凹坑的透明圓盤。帶有從鎳模具復制過來的信息凹坑的透明圓盤。4.4.濺射鍍鋁工序濺射鍍

29、鋁工序通過濺射，把鋁鍍在盤片的帶有信息的一面以形成通過濺射，把鋁鍍在盤片的帶有信息的一面以形成反射層。反射層。5.5.甩膠印刷工序甩膠印刷工序在鋁反射層上面旋涂紫外線固化膠。隨后在固在鋁反射層上面旋涂紫外線固化膠。隨后在固化膠上面印刷光盤的名稱、商標等信息。化膠上面印刷光盤的名稱、商標等信息。二、二、DVD DVD DVDDVD盤盤( (包括包括DVD-ROMDVD-ROM，DVD-RDVD-R，DVD-RW)DVD-RW)直徑直徑120mm120mm，由兩片厚度為由兩片厚度為0.6mm0.6mm的盤片膠合而成。的盤片膠合而成。一片帶刻錄信一片帶刻錄信息的為單面光盤，兩片皆帶刻錄信息的為雙面光

30、盤，息的為單面光盤，兩片皆帶刻錄信息的為雙面光盤，每一面又可以有雙層刻錄。每一面又可以有雙層刻錄。單面單層：單面單層：4.7GB4.7GB；雙面單層：雙面單層：8.5GB8.5GB；單面雙層：單面雙層：9.4GB9.4GB；雙面雙層雙面雙層：17GB17GB。容量容量DVDDVD盤是數(shù)字多用途的，由于其大存儲容量在影盤是數(shù)字多用途的，由于其大存儲容量在影視存儲方面特具優(yōu)勢。視存儲方面特具優(yōu)勢。采用采用MPEG-2MPEG-2、Dolby AC-3Dolby AC-3分別作為視頻、音頻分別作為視頻、音頻的壓縮標準，具有很好的畫質、音質。的壓縮標準，具有很好的畫質、音質。DVDDVD驅動器兼容驅動

31、器兼容CDCD盤。盤。三、藍光光盤三、藍光光盤采用采用405nm405nm藍光工作的光盤：高密度藍光工作的光盤：高密度DVD(HD-DVD)DVD(HD-DVD)和和藍光盤（藍光盤（BDBD）。）。 1.HD-DVD1.HD-DVD光盤結構與光盤結構與DVDDVD光盤類似，光盤類似，由于采用由于采用405nm405nm藍光，存藍光，存儲密度（道密度、凹坑密度）比普通儲密度（道密度、凹坑密度）比普通DVDDVD大大提高。大大提高。由于與由于與DVDDVD結構類似，其光盤驅動器的讀寫機結構類似，其光盤驅動器的讀寫機構易于與現(xiàn)行構易于與現(xiàn)行DVDDVD格式兼容；格式兼容；在原有在原有DVDDVD光盤

32、的光盤的生產線上做適當改進，就能生產生產線上做適當改進，就能生產HD-DVDHD-DVD光盤。光盤。2.BD2.BDBDBD光盤讀寫頭由于采用光盤讀寫頭由于采用NA=0.85NA=0.85的聚焦物鏡，綜合的聚焦物鏡，綜合多方面因素，讀出層的厚度縮小到多方面因素，讀出層的厚度縮小到0.1mm0.1mm。BDBD減薄讀出層厚度可以有效地降低像差的大?。粶p薄讀出層厚度可以有效地降低像差的大?。籒ANA大使光斑面積小，存儲容量大；由于光斑能量密度大使光斑面積小，存儲容量大；由于光斑能量密度提高，可使激光寫入功率大大降低。提高，可使激光寫入功率大大降低。 BDBD光盤的盤片結構（光盤的盤片結構（0.1m

33、m+1.1mm0.1mm+1.1mm）與）與DVDDVD不兼不兼容，需要驅動器和盤片的生產設備全面升級。容，需要驅動器和盤片的生產設備全面升級。CDCD、DVDDVD、HD-DVDHD-DVD、BDBD的工作情況的工作情況 BDBD光盤和光盤和CDCD相反，信息從較薄的那一面讀出。相反，信息從較薄的那一面讀出。 HD-DVDHD-DVD要通過要通過0.6mm0.6mm的盤基去讀寫信息，即使已使的盤基去讀寫信息，即使已使用用405nm405nm波長的藍光，容量仍比波長的藍光，容量仍比BDBD光盤小。光盤小。四、可擦重寫型光盤四、可擦重寫型光盤 光盤存儲技術一直在尋求可擦重寫性，這是光盤存儲技術一

34、直在尋求可擦重寫性，這是光盤存儲器能否與磁盤存儲器競爭、并逐漸取光盤存儲器能否與磁盤存儲器競爭、并逐漸取代后者的關鍵所在。代后者的關鍵所在。 現(xiàn)在已有了利用光磁技術和相變技術的兩類可擦現(xiàn)在已有了利用光磁技術和相變技術的兩類可擦重寫型光盤存儲器。具有重寫型光盤存儲器。具有磁存儲的讀磁存儲的讀/ /寫數(shù)據(jù)的能寫數(shù)據(jù)的能力，但其存儲容量卻要大得多，且具有光盤存儲力，但其存儲容量卻要大得多，且具有光盤存儲器的其它獨有的優(yōu)點。器的其它獨有的優(yōu)點。 可擦重寫型光盤，無論光磁型還是相變型，其缺可擦重寫型光盤，無論光磁型還是相變型，其缺點是都需要擦除操作，沒有擦去舊的信息時，不點是都需要擦除操作，沒有擦去舊的

35、信息時，不能寫入新的信息。而磁盤可在原位直接重寫。能寫入新的信息。而磁盤可在原位直接重寫。1.1.光磁盤存儲器光磁盤存儲器 是用磁性材料作為記錄介質，用激光作為記是用磁性材料作為記錄介質，用激光作為記錄、讀出和擦除手段的存儲器。錄、讀出和擦除手段的存儲器。光磁盤的記錄原理如圖所示光磁盤的記錄原理如圖所示初始化初始化（b b）光磁記錄）光磁記錄居里點寫入鐵磁性材料居里點寫入鐵磁性材料補償點寫入亞鐵磁性材料補償點寫入亞鐵磁性材料寫入完成寫入完成強磁場強磁場H HO O光磁盤的讀出，就是檢測記錄介質的磁化方向。光磁盤的讀出，就是檢測記錄介質的磁化方向。 利用克耳效應讀出利用克耳效應讀出入射線偏振激光

36、照射到磁膜上，反射激光的偏入射線偏振激光照射到磁膜上，反射激光的偏振面根據(jù)磁化振面根據(jù)磁化M M的方向旋轉。的方向旋轉。 使檢偏器的透過軸與使檢偏器的透過軸與-k k正交，磁化向下區(qū)域的正交，磁化向下區(qū)域的反射光不能通過檢偏器，磁化向上區(qū)域的反射光反射光不能通過檢偏器，磁化向上區(qū)域的反射光則可通過則可通過sinsin（22k k）的分量。）的分量。 用光檢測器將光的強弱轉變?yōu)殡娏鞯拇笮?，用光檢測器將光的強弱轉變?yōu)殡娏鞯拇笮。涂蓹z測出相應的信號。就可檢測出相應的信號。磁光盤的缺點是無法在廣泛使用的磁光盤的缺點是無法在廣泛使用的CD-ROMCD-ROM、DVD-ROMDVD-ROM驅動器上讀取，

37、使磁光盤的應用范圍驅動器上讀取，使磁光盤的應用范圍受到了較大的限制。受到了較大的限制。 要要擦去信息擦去信息時，只需重新用大功率寫入光斑照射數(shù)時，只需重新用大功率寫入光斑照射數(shù)據(jù)道，外加反向的直流偏壓磁場，照射區(qū)域的磁化據(jù)道，外加反向的直流偏壓磁場，照射區(qū)域的磁化即翻轉到原來的方向。即翻轉到原來的方向。由于在轉換相當大的磁場時由于在轉換相當大的磁場時有速度限制，因而光盤的一轉用來擦去數(shù)據(jù)，將磁有速度限制，因而光盤的一轉用來擦去數(shù)據(jù)，將磁化置于化置于“0”0”的方向，然后在下一轉再寫入。的方向，然后在下一轉再寫入。2.2.相變可擦重寫型光盤相變可擦重寫型光盤 從從2020世紀世紀8080年代提出

38、年代提出Ge-Sb-TeGe-Sb-Te可以應用于相可以應用于相變光存儲以來，相繼經(jīng)歷了以變光存儲以來，相繼經(jīng)歷了以CD-RWCD-RW、DVDDVDRWRW和藍光光盤和藍光光盤(HD-DVD(HD-DVD、BD)BD)為代表的三代可擦重為代表的三代可擦重寫型相變光盤。寫型相變光盤。 相變光盤利用記錄材料的結晶態(tài)和非結晶態(tài)之間相變光盤利用記錄材料的結晶態(tài)和非結晶態(tài)之間的可逆相變，實現(xiàn)信息的記錄和擦除。的可逆相變，實現(xiàn)信息的記錄和擦除。 相變光盤的初始狀態(tài)為晶態(tài)。相變光盤的初始狀態(tài)為晶態(tài)。寫入信息寫入信息時，選用時，選用功率密度高、脈寬為幾十至一百納秒的激光脈沖，功率密度高、脈寬為幾十至一百納秒

39、的激光脈沖，使光斑微區(qū)因介質溫度剎那間超過熔化溫度而變?yōu)槭构獍呶^(qū)因介質溫度剎那間超過熔化溫度而變?yōu)橐合?，液相以液相，液相?0109 9101010 o10 oC/sC/s的冷卻速度快冷后的冷卻速度快冷后變?yōu)樽優(yōu)榉蔷唷７蔷唷?相變材料處在非晶態(tài)時反射率較小，處在晶態(tài)時相變材料處在非晶態(tài)時反射率較小，處在晶態(tài)時反射率較大，由此可以實現(xiàn)信息的反射率較大，由此可以實現(xiàn)信息的讀取讀?。河貌粫貌粫鸩牧舷嘧兊钠鸩牧舷嘧兊牡凸β拭芏?、短脈寬的激光低功率密度、短脈寬的激光掃描信息掃描信息道，道，用光電檢測器檢測其反射光用光電檢測器檢測其反射光并轉化為電信號。并轉化為電信號。 若用若用中等功率密度

40、、較寬脈沖激光中等功率密度、較寬脈沖激光照射此非照射此非晶態(tài)區(qū)域，使光斑微區(qū)因介質溫度升至玻璃轉晶態(tài)區(qū)域，使光斑微區(qū)因介質溫度升至玻璃轉變溫度與熔化溫度之間，變溫度與熔化溫度之間，相變材料再通過成核相變材料再通過成核生長完成晶化，光照區(qū)域又回到晶態(tài)。生長完成晶化，光照區(qū)域又回到晶態(tài)。這就擦這就擦除了原先寫入的信息。除了原先寫入的信息。 結晶態(tài)與非結晶態(tài)之間的相變依賴于溫度及冷卻結晶態(tài)與非結晶態(tài)之間的相變依賴于溫度及冷卻速度，在熱平衡狀態(tài)下不會產生相變。因而，存儲速度，在熱平衡狀態(tài)下不會產生相變。因而，存儲是可靠的。是可靠的。 相變光盤的結構如圖所示。用丙烯酸或聚碳相變光盤的結構如圖所示。用丙烯

41、酸或聚碳酸酯樹脂制成基片，在其上預制出記錄信息的酸酯樹脂制成基片，在其上預制出記錄信息的導向槽，寬導向槽，寬0.60.60.70.7m m。 通過蒸發(fā)或噴鍍在基片上形通過蒸發(fā)或噴鍍在基片上形成記錄材料薄膜，再在其上附成記錄材料薄膜，再在其上附加保護層。將兩片盤粘結在一加保護層。將兩片盤粘結在一起，就可從兩面使用。起，就可從兩面使用。 相變光盤僅用光學技術來讀相變光盤僅用光學技術來讀寫，光頭相對簡單，存取時間寫，光頭相對簡單，存取時間也可以縮短。其讀出方法與也可以縮短。其讀出方法與CD-CD-ROMROM、DVD-ROMDVD-ROM光盤相同，容易光盤相同，容易實現(xiàn)兼容實現(xiàn)兼容CD-ROMCD-

42、ROM和和DVD-ROMDVD-ROM的多的多功能相變光盤驅動器。功能相變光盤驅動器。 5.4 5.4 超高密度光存儲技超高密度光存儲技術術 超高密度光存儲的研究主要有：超高密度光存儲的研究主要有：從遠場光存儲發(fā)展到近場光存儲；從遠場光存儲發(fā)展到近場光存儲；從一維的光存儲發(fā)展到多維光存儲；從一維的光存儲發(fā)展到多維光存儲；從利用光熱效應發(fā)展到利用光子效應從利用光熱效應發(fā)展到利用光子效應存儲。存儲。 為使存儲密度達到為使存儲密度達到Tb/cmTb/cm2 2和存儲容和存儲容量達到量達到TBTB，記錄點尺寸要小于，記錄點尺寸要小于100100納納米，即達到納米光存儲。米，即達到納米光存儲。一、光瞳濾

43、波器超分辨技術一、光瞳濾波器超分辨技術是在光盤讀寫鏡頭上增加一塊相位板，是在光盤讀寫鏡頭上增加一塊相位板，通常為二元環(huán)帶結構。通常為二元環(huán)帶結構。 通過對各環(huán)半徑、通過對各環(huán)半徑、環(huán)帶相位的設計優(yōu)環(huán)帶相位的設計優(yōu)化，該相位板對光化，該相位板對光束波前的相位分布束波前的相位分布進行調制，進行調制，可以得可以得到小于艾里斑的聚到小于艾里斑的聚焦光斑。焦光斑。 有研究對有研究對NA0.6NA0.6NA0.6的兩種物鏡設計的兩種物鏡設計了三個環(huán)帶的相位板，聚焦光斑壓縮為原來了三個環(huán)帶的相位板，聚焦光斑壓縮為原來的的0.810.81，使光盤存儲密度提高約，使光盤存儲密度提高約1.451.45倍。倍。 超

44、分辨光瞳濾波器在提高橫向分辨率的同時，還超分辨光瞳濾波器在提高橫向分辨率的同時，還能夠增加透鏡的焦深，利于光盤的調焦伺服工作。能夠增加透鏡的焦深，利于光盤的調焦伺服工作。 在原有光盤讀寫頭中，僅增加了一個相位板，制在原有光盤讀寫頭中，僅增加了一個相位板，制作成本很低，很容易實現(xiàn)集成化。在作成本很低，很容易實現(xiàn)集成化。在CDCD、DVDDVD、藍光、藍光光盤讀寫頭中都可應用。光盤讀寫頭中都可應用。 二、近場光存儲技術二、近場光存儲技術 目前目前CDCD、DVDDVD、藍光光盤讀寫頭中的透鏡到盤片、藍光光盤讀寫頭中的透鏡到盤片的距離都在毫米量級，遠大于激光波長，稱為遠場的距離都在毫米量級，遠大于激

45、光波長，稱為遠場工作，光斑直徑在數(shù)百工作，光斑直徑在數(shù)百nmnm1 1m m。 近場光存儲試驗了多種方案，這里介紹一近場光存儲試驗了多種方案，這里介紹一種最具實用化前景的近場光存儲技術種最具實用化前景的近場光存儲技術超分超分辨近場結構技術辨近場結構技術(Super-RENS)(Super-RENS)。 在常規(guī)光盤的記錄在常規(guī)光盤的記錄層上加入三明治結構層上加入三明治結構的的非線性開關層非線性開關層（SiN/Sb/SiNSiN/Sb/SiN），可，可以方便地實現(xiàn)近場光以方便地實現(xiàn)近場光存儲。存儲。 激光束在激光束在SbSb薄膜薄膜上由于光熱效應產上由于光熱效應產生微小孔徑，通過此孔徑出射的光透過

46、下保護層入生微小孔徑，通過此孔徑出射的光透過下保護層入射到記錄介質層進行讀寫操作射到記錄介質層進行讀寫操作。 下保護層厚度一般小于下保護層厚度一般小于50nm50nm，可以精確控制，可以精確控制出光口在近場距離。出光口在近場距離。 SbSb薄膜是非線性開關掩膜薄膜是非線性開關掩膜。 在聚焦脈沖激光作用下，光斑中心的在聚焦脈沖激光作用下，光斑中心的SbSb首先熔化，首先熔化，光斑邊緣能量低，光斑邊緣能量低，SbSb不能熔化。不能熔化。熔化態(tài)熔化態(tài)SbSb透射率高，透射率高，相當于在相當于在SbSb膜上開了一個透光小孔。膜上開了一個透光小孔。在激光脈沖結在激光脈沖結束后束后SbSb快速凝固而關閉小

47、孔。快速凝固而關閉小孔。 三、數(shù)字全息光存儲三、數(shù)字全息光存儲是利用光學全息的基本原理進行二值化光學是利用光學全息的基本原理進行二值化光學信息頁存儲的方法。信息頁存儲的方法。 將欲存儲的信息進行數(shù)字化編碼，經(jīng)空間將欲存儲的信息進行數(shù)字化編碼，經(jīng)空間光調制器調制而形成二值化光學信息頁。光調制器調制而形成二值化光學信息頁。 該信息頁作為光學全息中的物，將其透過或反射該信息頁作為光學全息中的物，將其透過或反射的物光束與參考光束在記錄介質中相干形成全息圖，的物光束與參考光束在記錄介質中相干形成全息圖，全息圖也是按頁分層存儲的。全息圖也是按頁分層存儲的。 信息的讀出即光學全息的再現(xiàn)。信息的讀出即光學全息

48、的再現(xiàn)。 用滿足條件的光束照射全息圖，將二值化光學信用滿足條件的光束照射全息圖，將二值化光學信息頁再現(xiàn)，再將其成像到息頁再現(xiàn)，再將其成像到CCDCCD接收面上，轉換為視頻接收面上，轉換為視頻信號，通過判決電路恢復成原始的數(shù)字化信息流。信號，通過判決電路恢復成原始的數(shù)字化信息流。 全息存儲可以實現(xiàn)高密度和海量存儲。在厚的全息存儲可以實現(xiàn)高密度和海量存儲。在厚的全息存儲介質中記錄體全息光柵，將信息存儲全息存儲介質中記錄體全息光柵，將信息存儲于整個體積中，使傳統(tǒng)的二維存儲擴展到三維于整個體積中，使傳統(tǒng)的二維存儲擴展到三維存儲，存儲密度約為存儲，存儲密度約為10101212bit/cmbit/cm3

49、3。全息存儲是按數(shù)據(jù)頁并行讀出和寫入，尋址是靠波全息存儲是按數(shù)據(jù)頁并行讀出和寫入，尋址是靠波長選擇或光束偏轉等實現(xiàn)。因而其數(shù)據(jù)傳輸速率和長選擇或光束偏轉等實現(xiàn)。因而其數(shù)據(jù)傳輸速率和讀寫速度很高。研究表明，其數(shù)據(jù)傳輸速率會超過讀寫速度很高。研究表明，其數(shù)據(jù)傳輸速率會超過1GB/s1GB/s。全息存儲采用光致聚合物材料可實現(xiàn)一次寫入多次全息存儲采用光致聚合物材料可實現(xiàn)一次寫入多次讀出，用光折變材料可以實現(xiàn)可擦重寫、實時記錄。讀出，用光折變材料可以實現(xiàn)可擦重寫、實時記錄。四、光子多維存儲技術四、光子多維存儲技術 CDCD、DVDDVD、藍光光盤都是利用寫入激光在存、藍光光盤都是利用寫入激光在存儲介質

50、上的熱效應產生凹坑來記錄信號的，是儲介質上的熱效應產生凹坑來記錄信號的，是光熱存儲方式。光熱存儲方式。 存儲介質吸收光子使電子產生躍遷或重新分布而存儲介質吸收光子使電子產生躍遷或重新分布而達到光存儲的目的，被稱為光子存儲。全息存儲也達到光存儲的目的，被稱為光子存儲。全息存儲也屬于光子存儲。屬于光子存儲。 光子存儲常常采用多維存儲光子存儲常常采用多維存儲( (如三維體存儲、多層如三維體存儲、多層存儲、多頻率存儲等存儲、多頻率存儲等),),被稱為被稱為“光子多維存儲技術光子多維存儲技術”。 光子存儲密度大、讀寫速度快，是非常有競光子存儲密度大、讀寫速度快，是非常有競爭力的技術。爭力的技術。1.1.雙光子光存儲技術雙光子光存儲技術 雙光子吸收是材料的分子同時吸收兩個光子雙光子吸收是材料的分子同時吸收兩個光子而達到激發(fā)態(tài)的過程。而達到激發(fā)態(tài)的過程。 由于到達激發(fā)態(tài)所需單個光子的能量為單由于到達激發(fā)態(tài)所需單個光子的能量為單光子吸收所需能量的一半，因此可用紅外或近光子吸收所需能量的一半，因此可用紅外或近紅外激光作光源，在材料中