光信息存储技术与光盘

光信息存储技术与光盘§5.1光盘及存储类型§5.2只读存储光盘§5.3一次写入光盘§5.4可擦重写光盘§5．5光盘衬盘材料§5．6光信息存储新技术信息存储是将字符、文献、声音、图像等有用数据通过写入装置暂时或永久地记录在某种存储介质中，并可利用读出装置将信息从存储介质中重新再现的技术总合。存储技术随着科学技术的进步经历了由纸张书写、微缩照片、机械唱盘、磁带、磁盘的演变过程，发展到今天的采用光学存储技术的新阶段。近年来，光学存储技术不论是在纯光学的全息扫描记录还是在采用光热形变的光盘或采用光热磁效应的光磁盘技术等方面都取得了很大进展，它们的发展前景是十分光明的。光学存储技术凝聚了现代光电子技术的精华和技术诀窍，有关检测、调制、跟踪、控制等各种光电方法得到了充分的利用。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、高速度、高密度、高稳定性和可靠性的存储系统竞相研究与推出，各类信息库及工作站相继建成，目前信息存储中的记录方式向全光光盘发展，光头逐渐向短波长方向推进，因而记录密度不断增大。§5.1光盘及存储类型5.1.1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的单色性和相干性，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记录的信息，因此可作为信息的追加记录。专用再现光盘也称“只读（readonly）”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。5.1.2光盘存储的特点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,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数字光盘单通道可达25×106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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3～5年。每信息位的价格低、易复制一张CD光盘650MB，仅需5～10元，每MB仅几分钱；一张DVD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。有随机寻址能力随机存取时间小于60ms。§5.2只读存储光盘5.2.1ROM光盘存储原理图5－1是只读存储光盘的存储原理示意图。图5－1ROM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。5.2.2ROM光盘主盘与副盘制备图5－2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、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5－2ROM光盘制备过程示意图图5－3ROM主盘、副盘制备工序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。5.2.3ROM光盘“2P”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5－4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5000片盘片。ROM光盘“2P”复制图5－4“2P”过程示意图§5.3一次写入光盘5.3.1一次写入方式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，与周围形成反射率的差异而实现信息的记录[图5－5（b）]。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5－5（c）]。合金化型用Pt－Si、Rh－Si或Au－Si制成双层结构，激光加热的微区熔成合金，形成反差记录[图5－5（d）]。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5－5（e）]。图5－5一次写入方式5.3.2烧蚀型写/读光盘对存储介质的基本要求光盘读写对存储介质有多方面的要求，综括起来主要包括以下几方面。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度的情况下获得较小的原始误码率。图5－6示出已记录的信息坑孔，坑孔边缘形状不规整的偏差程度用δ表示。当读取激光束从信息道的无记录区扫入或扫出信息凹坑时，定为读取信号的“1”，否则为“0”。这样得到的读取信号波形如图5－6的下方所示。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directreadafterwrite,DRAW功能）以保证记录数据的实时校验。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。图5－6读取分辨率示意图若存储密度为108B/cm2,每信息位仅占有1μm2的面积。存储介质应能保持这些显微坑孔的规整几何形状并已更高精度分辨它们的位置，这就要求边缘偏差δ落在±100Å以内，以保证原始误码率小于10－8。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。5.3.3WORM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。常用的WORM光盘以聚甲基丙烯酸脂为衬底，厚1.2mm，上面溅射一介质薄层。用830nm激光聚焦在1um2范围内，温度呈高斯型空间分布，当中心温度超过熔点Tm时，在介质表面形成一熔融区，周围的表面张力将此熔融区拉开成孔；激光脉冲撤去，孔的边缘凝固，在记录介质上形成与输入信息相应的坑孔。这样记录的信息，很难满足上述写/读光盘对存储介质的要求，原因是入射到膜面的激光能量E0（图5－7），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（ΔE），剩余的部分透射到衬盘之中（ET），即若要存储介质的灵敏度高，上式中的EA应尽量地大，以更快更好地吸收能量，使光斑中心的温度尽快超过介质的熔点，为此ER、ET及ΔE都应尽可能地小。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λ/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λ/4n1。0RATEEEER图5－7记录光的分配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SiO2），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5－8（a）所示目前，实用化WORM光盘均为三层式，主要采用空气夹层式[图5－8（b）]和直接封接式[图5－8（c）]两种基本结构，且均以商品化。11224ndnd图5－8一次写入光盘结构§5.4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：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”。结构相变光盘和磁光盘虽说工作机制不同，但从本质上来讲，都属于二级相变过程。它与一级相变不同，不存在两相共存情况，故可用介质的两个稳定态来区别二进制中的“0”或“1”。可擦重写光盘中的反复写、擦过程与记录介质中的可逆相变过程相对应。从广义的角度讲，任何具有光致双稳态变化的材料都可用做RW记录介质。5.4.1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Ⅰ晶态Ⅱ之间的可逆相变，这种相变