第5章-光存储器

第5章光存储器5.1光存储器概述5.2光盘存储器的工作原理5.3CD、DVD、蓝光光盘、可擦重写型光盘5.4超高密度光存储技术现代化社会，各种信息资料－文字、图像、音频、视频飞速增长，每时每刻产生大量的摄录资料，在网络下载，迫切需要高密度、大容量的存储介质和管理系统。光存储技术凝集了现代光电子技术的精华，有关检测、调制、跟踪、控制等各种光电方法得到了充分的发挥。光盘存储，尤其是可擦重写型光盘的出现，无疑是给信息处理和存储带来了一次新的革命。5.1光存储器概述一、光存储器的发展光存储器是继磁存储器之后迅速发展起来的。由于信息量与日俱增和信息的多媒体化，数字化后占用巨大的存储空间，传统的磁存储设备难以满足这一要求。光盘存储技术是采用磁盘以来最重要的新型数据存储技术，它综合了磁存储容量大和磁盘的快速随机检索的优点，并具有一系列独特的优良性能。二、光存储器的特点①存储密度高，可把激光聚焦成直径约1μm的光点进行记录。②非接触式读/写信息。③存储寿命长，可达百年。④信息的信噪比高。光盘多次读出的音质和图像的清晰度是磁盘无法比拟的。⑤信息位价格低。信息位价格比磁记录低几十倍。光盘存储技术目前的不足之处：•光头无论体积还是重量，都比磁头的大，这影响了光盘的寻址速度，从而影响其数据传输速度。•光盘的记录密度高，基本存储单元每位只占约1μm2的面积，盘片上极小的缺陷或针孔也会引起错误。因而，光盘的原始误码率高，必须采取强有力的误码校正措施。三、光盘的类型最先实现商品化生产，LD、CD、CD-ROM、VCD、DVD-ROM等就是最好的应用。是用金属母盘模压复制出来的。1.只读型光盘存储容量大，压制成本低，大量的文献资料、视听教材、教育节目、影视节目、游戏、图书、计算机软件等都通过它来发行。只能读不能写，使用者无法用来保存自己的内容。是用会聚的激光束的热能，使材料的形状发生永久性变化而进行记录的，记录后不能在原址重新写入。2.可录型光盘(CD-R、DVD-R等)是只能写入一次、主要用于多次读出的技术，可由用户将数据直接写入光盘。计算机配置了刻录机(CD-R或DVD-R),兼有只读驱动器功能。成本低，制作一张光盘的费用基本上就是材料费；可以不必一次把盘全部写满；光盘上的数据无法被修改，具有极高的安全性。可录型光盘在银行、证券、保险、法律和医疗领域，在档案馆、图书馆、出版社、政府机关和军事部门的信息存储、管理及传递中获得了极为广泛的应用。3.可擦重写型光盘是可以写入、擦除、重写的可逆型记录系统。利用激光照射引起介质的可逆性物理变化而进行记录。主要有磁光（MO）记录和相变（PCD）记录：磁光型－磁技术和光技术相结合以读写信息；相变型－仅用光学技术进行读写。四、光盘的特性参数①光盘类型：只读型、可录型、可擦重写型。②光盘直径：多为5″即120mm。③存储密度：存储介质的单位长度或单位面积内存储的二进制数的位数。④存储容量：可存储在光盘中数据的总量，通常以二进制数的位数、字节数等数据单位表示。⑤数据传输速率：单位时间内从光盘读取的二进制数的位数或字节数。⑥存取时间：把信息写入光盘或从光盘上读出信息所需的时间。⑦信噪比：信号电平与噪声电平之比，以dB表示。⑧误码率：从光盘上读出信息时，出现差错的位数与读出的总位数之比。⑨存储每位信息的价格：即价格/位。信息存储正沿着磁存储到磁光存储向全光存储的方向发展。今后几年内，磁盘存储和光盘存储仍为高密度信息外存储的主要手段。5.2光盘存储器的工作原理一、光盘驱动器的结构由光学、电气和机械部件组成，形成一个有机的整体，完成写入、读出数据的基本功能，并实现自检操作。②检测和校正读、写光斑与数据道之间的定位误差的光电系统。①激光光源和与之相连的形成读、写光斑的光学系统。③检测和读出数据的光电系统。激光光源、光学元件和光检测器，组成了小巧的光盘读写头，简称光头。图5.2④移动光头的机构。光头安置在平台或小车上，并与直线电机连接，控制光头相对光盘径向移动、校正光盘的偏心。⑤写/读数据通道中的编/译码电路，误差检验与校正（即ECC）电路。⑥光盘，即数据存储媒体。⑦光盘旋转机构。由直流电机转动光盘，通过旋转编码器产生伺服信号，控制光盘的转速。⑧光盘机的电子线路。二、光盘的读、写原理载有信息的激光束聚焦成直径1μm左右的微小光斑，能量高度集中，在存储介质上产生物理、化学变化－如形成凹坑，以记录信息；用较弱光强的微小光斑在存储介质上扫描，根据反射光的变化读出记录的数据。实现读写的过程（由图5.2所示）：•要记录的数据信号先通过ECC和编码电路，直接调制半导体激光器的输出。•调制的激光束经光学系统导向聚焦透镜，聚焦在数据存储介质平面，造成凹坑。写入•光盘旋转，载有光头的小车在光盘径向移动，光盘上形成信息道。凹坑的深度约为激光波长的1/4。读出•读出激光束也要经过写入时的光学系统，在存储介质面上聚焦。根据数据道上凹坑的情况，读出光束的反射光的强度受到调制。•反射光经聚焦透镜、跟踪反射镜导向1/4波片和偏振光束棱镜。读出光束两次通过1/4波片，光程增加了λ/2，其偏振方向与入射时垂直，则被偏振光束棱镜导至光检测通道。•反射的读出光束由半透半反镜分束，一部分经数据光检测器输出光盘数据；另一部分经定位误差光检测器，产生聚焦控制、跟踪控制、速度控制三种伺服信号。•反射光的强度依有无凹坑而变化，数据光检测器将介质上反射率的变化转变为电信号，经过译码和ECC电路，即可输出读出的光盘信息。可录型光盘的读写与一般只读型光盘基本相同，但光盘的结构有很大差别。只读型光盘可录型光盘三、光盘的格式光盘的半径方向分为若干条信息道，每条信息道沿圆周方向分成若干个扇区，每个扇区又分为标题区和数据区，其中附有误差检验和校正码。在光盘上存储信息，主要有角速度恒定和线速度恒定方式，两者都是从最内侧信道开始记录。线速度恒定的方式：整个盘面上的面密度恒定，存储容量得到了最佳利用，外侧半径上的信道比内侧信道存储更多的信息。在从内侧到外侧扫描信息的过程中，光盘的旋转频率要减小，以便输出信息的速度保持恒定。角速度恒定的方式：光盘的旋转频率保持恒定而与半径无关，每条信道所存储的信息量相同。角速度恒定控制简单，便于随机存取数据。但存储容量不及线速度恒定的方式。改进型恒线速度方式：沿光盘径向每隔一定数量信道就改变一次光盘的转速，使一条信道包括整数个扇区。这样可以保持线速度基本恒定，增加了容量，又可以有角速度恒定随机读写的优点。四、光盘读写头光盘读写头(简称光头)是光盘驱动器中最关键的部件，其性能的优劣决定着光盘技术的成败。光头虽小，却是集光、机、电为一体的高科技产品。1.图5.2所示的光头中，光检测通道可以采用四象限光电探测器。反射光束被四象限光电探测器接收，光斑对每个象限产生电信号u1、u2、u3、u4。(u1+u2+u3+u4)是输出数据；(u1+u4)-(u2+u3)反映光斑对光盘数据轨道的径向误差，产生跟踪伺服信号；当光束离焦时，探测器上得到弥散光斑，使四象限光强之和变小而产生聚焦伺服信号。四象限探测器的输出信号还送往旋转编码器以实现光盘转速控制。2.聚焦物镜的数值孔径NA对光盘存储密度至关重要。激光在光盘上的聚焦光斑越小，光盘存储密度越大。激光聚焦光斑直径d的表达式为：0.6λdNA=可见，提高聚焦物镜的数值孔径NA，使用短波长激光，是非常重要的。CD光盘：使用波长780nm激光，NA为0.45，0.600.781.040.45mdm一张Ф120mm的CD盘存储容量约为0.6GB。DVD光盘：使用635～650nm红光，NA为0.6时，0.600.6350.640.60mdmФ120mmDVD光盘单面容量可达4.7GB。新型的蓝光盘使用405nm蓝光，NA可达0.85，同样尺度的蓝光盘存储容量达23～27GB。3.光盘的数据传输速率需要提高，主要途径是提高光盘转速，降低光头的重量和体积，优化寻址机构和数据处理方案。图5.2所示为最初采用的比较成熟的一种光头，其部件较多，体积和重量都较大，对数据传输速率影响很大。研发人员一直在致力于光头的微型化、集成化。一种全息光头：设计全息元件成为具有分束、焦点误差检测和跟踪误差检测三种功能的复合功能元件，且不受光源波长变化的影响。结合探测器、电子电路实现读/写、聚焦、跟踪伺服。可大大简化光头结构，降低光头重量。一种由分束光栅和抛物面形聚焦镜面组成的集成光头：它把从光源到检测、分束、会聚等功能都集成在一块基片上，整个光头成为一个模块。大幅度地降低光头的重量和体积，达到与磁头可比的程度，也使可靠性大大提高。5.3CD、DVD、蓝光光盘、可擦重写型光盘目前已商品化或正在进入商品化阶段的数字光盘可分为以下三个系列：•CD（compactdisc）系列，激光波长780～830nm，第一代光盘；•DVD(digitalversatiledisc)系列，激光波长635～650nm，第二代光盘；•蓝光光盘系列，激光波长405nm，包括高密度DVD(HD-DVD)和蓝光盘(Blu-raydiscBD)，第三代光盘。参量CDDVD高密度DVD蓝光光盘(0.6mm+0.6mm)(0.1mm+1.1mm)记录容量/GB(单面单层)0.64.71523-27激光波长/nm780-830635-650405405聚焦物镜NA0.450.60.650.85道间距/µm1.60.740.400.32最小记录点长度/µm0.830.390.200.13表5.2三个系列光盘的主要技术参量一、CDCD盘(包括CD-ROM、CD-R、CD-RW)直径120mm，厚度1.2mm，采用单面记录方式。主要用于存储音乐和数据、资料、文件等等。只读CD光盘的结构很简单，是由聚碳酸酯（PC）衬底、铝反射层(Al)和紫外线固化胶(UV)三层组成。PC衬底上有模压的信息凹坑；紫外线固化胶保护铝反射层免被氧化并可在其上印刷光盘的名称、商标等信息。CD只读光盘的加工过程可用流程图表示：DVD只读光盘的制作流程与CD基本相同。CD/DVD只读光盘的制作过程：1.主盘制备工序在洁净的玻璃衬盘上均匀甩上光刻胶，干燥后按预定信息进行调制曝光。经过监控显影，曝光区域的光刻胶脱落，呈现按信息调制的信息凹坑。这种具有凹凸信息结构的盘片就是正像主盘，即Master。2.副盘制备工序在主盘表面喷镀一层镍钒（Niv）合金，厚约150nm，以增加其硬度并用作电极。通过电解镀镍使主盘上又长成厚度约300μm的金属镍膜。经化学处理使金属镍膜从主盘剥离，就形成一个负像副盘。用此副盘可制出若干个正像镀镍主盘，每一个主盘又可制出若干负像副盘。每一个副盘都可用作注塑复制的印模，即Stamper。3.注塑复制工序在注塑机里，干燥的聚碳酸酯颗粒被熔化、压制成带有从镍模具复制过来的信息凹坑的透明圆盘。4.溅射镀铝工序通过溅射，把铝镀在盘片的带有信息的一面以形成反射层。5.甩胶印刷工序在铝反射层上面旋涂紫外线固化胶。随后在固化胶上面印刷光盘的名称、商标等信息。二、DVDDVD盘(包括DVD-ROM，DVD-R，DVD-RW)直径120mm，由两片厚度为0.6mm的盘片胶合而成。一片带刻录信息的为单面光盘，两片皆带刻录信息的为双面光盘，每一面又可以有双层刻录。单面单层：4.7GB；双面单层：8.5GB；单面双层：9.4GB；双面双层：17GB。容量DVD盘是数字多用途的，由于其大存储容量在影视存储方面特具优势。采用MPEG-2、DolbyAC-3分别作为视频、音频的压缩标准，具有很好的画质、音质。DVD驱动器兼容CD盘。三、蓝光光盘采用405nm蓝光工作的光盘：高密度DVD(HD-DVD)和蓝光盘（BD）。1.HD-DVD光盘结构与DVD光盘类似，由于采用405nm蓝光，存储密度（道密度、凹坑密度）比普通DVD大大提高。由于与DVD结构类似，其光盘驱动器的读写机构易于与现行DVD格式兼容；在原有DVD光盘的生产线上做适当改进，就能生产HD-DVD光盘。2.BDBD光盘读写头由于采用NA=0.85的聚焦物镜，综