第 9 章光盘与光存储技术

第9章光盘与光存储技术 西安交通大学朱京平

主要内容 • 9.1 光存储与光盘 • 9.2 只读存储光盘（ROM） • 9.3 一次写入光盘(WORM) • 9.4 可擦重写光盘(RW) • 9.5 光盘衬盘材料 • 9.6 光信息存储新技术

信息的采集、传输、处理、存储与显示互相关联、密不可分。信息的采集、传输、处理、存储与显示互相关联、密不可分。 • 光信息系统不仅需要信号产生、加载、传输、接收，还需进行存储。 • 光存储的容量要求越来越大： • 一页文字2KB，一页黑白图片20KB，一页彩色图片4MB • 家用：从纸张、胶卷、磁带、磁盘、CD、VCD，步入到DVD等记录 • 科学：哈勃望远镜传回的数据量每天>10TB； • 21世纪要求记录密度达到TB量级，给信息存储提出严峻挑战。 • 海量信息存储飞速发展是以互联网为代表的海量信息传输技术飞速发展的必然结果。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 • 记录方式正由磁记录经由磁光记录向全光记录发展， • 存储器件由磁带、磁盘经由磁光光盘向全光光盘发展。 • 光盘与光存储技术

磁记录： • 利用磁头在磁盘上进行信息的写、擦， • 结构要素包括 • 磁记录介质：包括磁带(已日渐稀少)、软盘(1.44MB 3″盘)、硬盘(最重要) • 硬盘磁头：磁阻(magneto-resistive)或巨磁阻(giant magneto-resistive)型 • 精密加工技术使得气浮磁头与盘片间距由mm级降到30nm。 • 通过改进工艺，优化膜系，降低磁头飞行高度，硬盘存储容量已由50MB、500MB • 发展到主流250GB以上，将很快逼近其物理极限——超顺磁性限制面密度40GB/in2。 • 磁光记录： • 利用激光退磁，偏置磁场在磁光盘上进行信息写入，属半磁半光混合型记录， • 物理过程是激光辅助下的磁记录：激光引起记录区矫顽力下降，使磁存储更容易进行 • 磁光存储器件为磁光盘MD，包括2.5″、3.5″与5.25″等规格。 • 光盘与光存储技术 • 全光记录： • 直接利用激光使光盘发生各种物理或化学变化来进行信息的写、擦或直接重写， • 结构要素： • 光记录介质：包括CD、DVD，CD-R、DVD-R，以及CD-RW、DVD-RW等。 • 光头：由用红外记录波长向短波长方向推进，记录密度不断加大。 • 记录密度受衍射极限限制，但仍是磁记录百倍之上——TB级存储技术主要发展方向 • 核心是光盘，不同光盘需采用不同存储技术

光存储包括信息的“写入”和“读出”过程。 • 信息“写入”：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<1m)发生理化变化，从而实现信息记录。 • 信息“读出”：利用低功率密度激光扫描信息轨道，用光电探测器检测信号记录区与未记录区反射率的差别，通过解调取出所要信息的过程。 • 光盘：衬盘上淀积了记录介质及其保护膜的盘片 • 9.1光存储与光盘光盘存储优点 (1)存储密度高线密度：记录介质单位长度内所能存储的二进制位数。 ~103B/mm 面密度：记录介质单位面积内所能存储的二进制位数。>106B/mm2 . (2)数据传输速率高数据传输速率达百兆B量级，并最终希望达到GB、TB量级。 (3)存储寿命长光盘记录介质薄膜封入两层保护膜中，写入读出都无接触，寿命很长，>10年 (4)信息位价格低一张CD 650MB，5~10元， 1分/MB；一张DVD 4.7GB，约10元，<1分/MB (5)更换容易

光盘经历了四代： (1)只读存储光盘（ROM，Read Only Memory）数据在光盘生产过程中刻入，用户只能从光盘中反复读取数据。制造工艺简单，成本低，价格便宜，其普及率和市场占有率最高。常见的有：LD、CD-Audio、CD-ROM、 VCD、DVD-Audio、DVD-ROM、DVD-Video。 • 9.1光存储与光盘 (2)一次写入多次读出光盘（WORM，Write Once Read Many）具有写读功能，用专用CD－R刻录机向光盘中一次性写入数据，但写入后不可擦除。常见的有：CD－R、DVD－R (3)可擦重写光盘（REWRITE，简写作RW) 用户除可读写信息外，还可将盘上记录信息擦除，然后再写入新信息；擦与写需两束光、两次动作：“擦激光”先将信息擦除，另一束“写激光” 将新信息写入 (4)直接重写光盘（OVERWRITE，简写作OW）实现的功能与可擦重写光盘一样，但“擦激光”与“写激光”为同一束光，在写入新信息的同时旧信息自动被擦除，无需两次动作。 ROM与WORM应用最广，RW已商用化，OW光盘尚待完善

9.2.1 ROM光盘存储原理 • 9.2只读存储光盘（ROM） • 将视频或音频信息通过信号发生器、前置放大器驱动电光或声光调制器， • 调制激光束以不同功率密度聚焦在甩有光刻胶的玻璃衬盘上，曝光光刻胶 • 经显影、刻蚀，制成主盘（又称母盘，Master） • 经喷镀、电镀等工序制成副盘（又称印模，Stamper） • 经“2P”注塑形成ROM光盘 • 总制备过程示意图如下

9.2.2 ROM光盘主盘与副盘制备工序 1.衬盘甩胶衬盘精密研磨、抛光后超声清洗，使规格统一、表面清洁滴光刻胶后高速离心机甩胶，形成均匀光刻胶膜；放入烘箱中前烘，得到与衬底附着良好且致密的光刻胶膜 • 9.2只读存储光盘（ROM） 2.调制曝光将膜片置入高精度激光刻录机中进行信息写入。若衬盘以恒定角速度旋转，刻录机光学头径向匀速平移，则可膜片上刻录出螺旋形信息道。 3.显影刻蚀 • 将刻有信息的盘片放入显影液中进行监控显影 • 正性光刻胶曝光部分脱落 • 负性光刻胶，不曝光部分脱落 • 各信息道出现符合调制信号的信息凹坑，形状、深度及坑间距与携带信息有关。 • 这种携有调制信息、有凹凸信息结构的盘片就是主盘。 • 常用正性光刻胶，所得主盘为正像主盘

4.喷镀银层 • 在主盘表面溅射一层银膜 • 用来提高信息结构的反射率，以便检验主盘质量 • 作为下一步电镀镍的电极之一 • 9.2.2 ROM光盘主盘与副盘制备 5.电镀镍层在溅射了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。 6.镍膜剥离将上述盘片经过化学处理，使得镍模从主盘剥脱，形成一个副盘。 7.上述主盘每一个都可以通过(5)、(6)步骤的重复，制得若干个副像副盘；而每一个副盘又都可以通过(5)、(6)步骤的重复，制得若干个正像子盘。

将上述所得正像或副像子盘作为“印模”（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——photopolymerization（光致聚合作用）一词的缩写。 • 9.2.3 ROM光盘“2P”复制图9-4 2P过程示意图 ROM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。用户只要有一台播放机就能享受光盘上的逼真音、像节目。 ROM光盘系统只能读取，不能录入。想自行录像录音，必须采用WORM光盘系统。

9.3.1一次写入方式 利用激光光斑在存储介质的微区产生不可逆的理化变化进行信息记录的盘片记录方式： 1.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，使介质的微区熔化、蒸发，以形成信息坑孔(图9-5(a))。 • 9.3 一次写入光盘(WORM) 2.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，与周围形成反射率差异实现信息记录 3.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9-5(c))。 4.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9-5(d))。 5.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相到晶相的相变(图9-5(e))。图9-5 一次写入方式烧蚀型率先推出商品。以之为实例，讨论光盘的介质优选、存储原理及结构优化设计。

1.分辨率及信息凹坑的规整几何形状 为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9-6上方为已记录的信息坑孔，坑孔边缘形状不规整的偏差程度用表示。读取激光束从信息道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”。得如图9-6下方所示读取信号波形。若存储密度108B/cm2，每信息位仅占1m2面积。存储介质应能保持这些显微坑孔的规整几何形状并以更高精度分辨他们的位置，这就要求边缘偏差落在100 以内，以保证原始错位率小于108。 • 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求图9-6 读取分辨率示意图

2.没有中间处理过程 存储介质需实时记录数据并及时读出信息，不需要任何中间处理过程，以实现光盘写后直读（即DRAW，Direct Read After Write功能）从而保证记录数据的实时检验。 3.较好的记录阈值记录阈值指存储介质中形成规整信息标志所需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。 • 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 4.记录灵敏存储介质对所用的激光波长要吸收系数大、光响应特性好，能较速率传输数据、保证在波形不失真的情况下小功率激光能形成可靠的记录标志。如用波长830nm、到达盘面功率10mw左右、脉宽可调的激光对高速转动的多元半导体盘片记录时，可获得每秒几兆字节的数据速率。 5.较高的反衬度反衬度指信道上记录微区与未记录区的反射率对比度。存储介质及经过优化设计的光盘应有尽可能高的反衬度，以使读出信噪比达到最佳值。

6.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。 7.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一扇区进行信息的读和写。 • 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 8.高生产率、低成本

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而超过存储介质的熔点时形成信息坑孔。 • WORM光盘常以聚甲基丙烯酸脂（PMMA）为衬底，厚1.2mm，上面溅射介质薄层 • 用830nm激光聚焦在1m2范围内，温度呈高斯型空间分布； • 当中心温度超过介质熔点Tm时，介质表面形成一熔融区，表面张力将此区拉开成孔 • 激光脉冲撤去后孔边缘凝固，在记录介质膜上形成与输入信息相应的坑孔。 • 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 但入射到膜面的激光能量E0 • 一部分在膜面反射(ER)， • 大部分被薄膜吸收(EA)， • 一部分在薄膜中因径向热扩散而损失(E) • 剩余部分透射到衬盘中(ET)，即：图9-7 记录光的分配

若要存储介质的灵敏度高，EA应尽量大，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E都应尽可能小。若要存储介质的灵敏度高，EA应尽量大，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E都应尽可能小。 • 9.3.3 WORM光盘的存储原理 ER要最小，必须使从记录层上下界面反射回来的光相消干涉。由于上界面有半波损失而下界面没有，由此得记录层厚度最小值为/2n1(n1：介质层折射率，：入射光波长)；但此时上下界面能量差很大，很难实现明显消反，为此在记录层和衬底层之间加入一层金属铝反射层，在新的相消条件下得记录厚度下限为/4n1。加铝条使ER得到明显减小，但由于铝是热的良导体，会使ET加大，为此，还应在记录层和反射层间加入一层热障层(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。此时消反条件相应的最小厚度为 ——形成记录层、热障层和反射层三层结构存储介质。

目前，实用化WORM光盘均为三层式，主要采用空气夹层式（图9-8b）和直接封闭式(图9-8c)两种基本结构，且均已商品化。目前，实用化WORM光盘均为三层式，主要采用空气夹层式（图9-8b）和直接封闭式(图9-8c)两种基本结构，且均已商品化。图9-8 WORM光盘结构 • 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 在吸收强、热导低的记录介质中，刻蚀信息坑孔所需的激光能量主要与介质的熔化(气化)热、光效率、热效率有关。对于选定的介质材料，其熔化(气化)热固定，为提高介质存储灵敏度，要求光效率与热效率都尽量接近100%。 • 提高光效率的关键： • 记录层和热障层介质的光学常数和热学常数应选配得当 • 记录层和热障层的厚度应满足反射光的干涉相消条件； • 提高热效率的关键： • 使信息坑孔形成的时间S小于热障层的热扩散时间常数D • 热障层厚度大于 ( : 热障层热扩散系数)——选择热障系数大的衬盘材料

从记录介质写、读、擦的机理出发分为两大类：从记录介质写、读、擦的机理出发分为两大类： (1)相变光盘：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间的可逆相变来实现反复写、擦，分为热致相变光盘和光致相变光盘。 9.4 可擦重写光盘(RW) (2)磁光盘：采用稀土-过渡金属合金制成的磁性相变介质作为具有垂直于薄膜表面易磁化轴的记录薄膜，利用光致退磁效应及偏置磁场作用下磁化强度取向正/负来区别二进制的“0”或“1”。结构相变光盘和磁光盘工作机制不同，但从本质上都属于二级相变过程，不存在两相共存的情况，故可用介质的两个稳定状态来区别“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。

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：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： 9.4.1可擦重写相变光盘存储原理 • 在晶态和晶态之间的可逆相变，这种相变反衬度太小，没有实用价值 • 非晶态非晶态之间的可逆相变，这种相变反衬度太小，也没有实用性 • 发生玻璃态晶态之间的可逆相变，这种相变有实用价值。

(1)存储材料 该类盘所用晶态和非晶态的多元半导体相变介质都是共价键结构：晶态长程有序，非晶态短程有序。这类介质中原子受到键长和键角的约束，平均配位数为2.45，大于此值为过约束，小于此值为欠约束。蒸发、溅射等淀积的非晶态记录介质是无定形态，不稳定，可通过晶化过程进入晶态，也可通过玻璃化过程进入玻璃态，即通过读、写、擦等初始化过程进入晶态或玻璃态，这两态光学参量差异很大，因而可获得较大反衬度和信噪比。 ——记录介质的可逆相变选定为玻璃态和晶态间的反复转变：写信息时吸收能量从晶态进入玻璃态，擦信息时从玻璃态回到晶态。 • 9.4.1可擦重写相变光盘存储原理1.激光热致相变可擦重写光存储

从激光热效应导致可逆相变的角度来看，材料设计应考虑响应灵敏度、热稳定性、相变速率及反衬度等要求。从激光热效应导致可逆相变的角度来看，材料设计应考虑响应灵敏度、热稳定性、相变速率及反衬度等要求。 • 可逆相变光记录介质的基质材料——响应灵敏度考虑 • 碲基、硒基及碲硒基等硫系元素半导体具有二度配位数的共价键结构，欠约束，其无序态原子排列成链状结构，且具有生性活泼的孤对电子，容易因激发而使介质发生相结构的变化，因而对光的响应十分灵敏 • 9.4.1可擦重写相变光盘存储原理1.激光热致相变可擦重写光存储 • 掺杂材料1——提高热稳定性掺杂 • 材料的晶化温度和晶化激活能越高，热稳定性愈好。为了改变硫系元素半导体晶化温度偏低、稳定性差等缺陷，制备中须掺入过约束元素 • ——形成以GeTe、InTe、SbTe、InSe、SbSe为基的二元无序体系。 • 掺杂材料2——提高相变速率掺杂 • 无序体系热稳定性愈好，晶化就愈困难。为了解决增强热稳定性和提高晶化速率的矛盾，制备中还要掺入能起成核或起催化作用的Cu、Ag、Au等一价元素，或Ni、Co、Pd等过渡金属元素，以加快相变速率——形成三元结构体系。 • 掺杂材料3——增强介质处于玻璃态和晶态间反衬度 ——形成了三元或多元合金光记录介质。

只要材料设计满足一定条件，可以既增强介质玻璃态的稳定性，又提高其晶化速率。应注意的是，以上掺入的元素应尽可能避免在晶化过程发生相分离，以防止光盘擦、写循环次数的降低。组分符合电子计量比的介质在晶化过程中没有相分离，只有共晶相，从玻璃态到晶态的相转变过程也较快。只要材料设计满足一定条件，可以既增强介质玻璃态的稳定性，又提高其晶化速率。应注意的是，以上掺入的元素应尽可能避免在晶化过程发生相分离，以防止光盘擦、写循环次数的降低。组分符合电子计量比的介质在晶化过程中没有相分离，只有共晶相，从玻璃态到晶态的相转变过程也较快。 • 9.4.1可擦重写相变光盘存储原理1.激光热致相变可擦重写光存储 (a) 介质体积随温度变化情况 (b) 透射率随温度变化情况图9-9相变过程中可擦重写光盘材料特性

(2)存储原理与过程 近红外波段的激光作用在介质上，能加剧介质网络中原子、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，其中写、读、擦激光与其相应的相变过程见图9-10。图的上半部是用来写入、读出及擦除信息的激光脉冲，下半部表示出在这三种不同的脉冲作用下，在介质内部发生的相应相变过程。 • 9.4.1可擦重写相变光盘存储原理1.激光热致相变可擦重写光存储图9-10 写、读、擦激光脉冲与其相应的相变过程

(a)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ns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到达玻璃态的相转变。如：介质熔点Tm=600C，激光脉宽=100ns，则快淬过程冷却速率6109℃/s，从而很快就使介质的光照微区进入玻璃态。 • 9.4.1可擦重写相变光盘存储原理1.激光热致相变可擦重写光存储 (b)信息的读出用低功率密度、短脉宽的激光扫描信息道，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(即擦除态)时反射率大。读出过程中，介质的相结构保持不变。 (c)信息的擦除对应介质从玻璃态G向晶态C的转变。选用中等功率密度、较宽脉冲的激光，使光斑微区因介质温度升至接近Tm处，再通过成核-生长完成晶化。此过程中，光诱导缺陷中心可以成为新的成核中心，因此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纯热晶化的速率要高。总之，激光热致相变中通过成核-生长过程完成晶化：随着温度的升高，非晶薄膜中有晶核形成，晶粒随温度升高而长大。激光作用使这一过程速度很快。

激光波长短波移动时，光致相结构变化效应逐渐明显激光波长短波移动时，光致相结构变化效应逐渐明显复合化学计量比介质不仅可用单纯加热方式晶化，还可以通过激光束或电子束的粒子作用在极短时间内完成晶化全过程。这一过程中，介质在光激发作用下通过无原子扩散的直接固态相变实现从玻璃态到晶态的突发性转变，在晶化突然发生的瞬间，介质中光照微区的温度还来不及升高至晶化温度Tc之上，因而相变速度极快。 • 9.4.1可擦重写相变光盘存储原理2.激光光致相变可擦重写光存储图9-11示出高功率密度的激光脉冲作用下，介质内部发生的带间吸收和自由载流子吸收。由于入射激光束不与非晶网络直接作用，光子能量几乎直接用来激发电子，用N表示任一时刻的受激载流子浓度。若激光束的光子能量是，介质的吸收功率密度就是，则自由载流子的产生率。用Rr表示电子与空穴的复合率，Rc表示电子与网络作用时将能量传递给声子的的几率。在高功率密度的激光作用下，ReRr，RcRe。可见，这时介质内部的光吸收由带间吸收为主变为以由自由载流子吸收为主，而且吸收系数随着激光功率的增加而增加，结果导致自由载流子浓度猛增，从而使得电子-电子碰撞的几率（正比于N2）远远超过电子-网络碰撞的几率（正比于N），自由载流子吸收的光能远比它与网络作用损失的能量为高，形成温度很高的电子-空穴等离子体，但网络的温度变化不大。图9-11 光致相变介质内部光吸收过程

光致晶化过程包括光致突发晶化(10-910-12s）和声子参与的弛豫(几十ns)过程秒。光致晶化过程包括光致突发晶化(10-910-12s）和声子参与的弛豫(几十ns)过程秒。 • 9.4.1可擦重写相变光盘存储原理

3.可擦重写光盘存储机构 可擦重写光盘在记录信息时一般需要先将信道上原有信息擦除，然后再写入新信息。这可以是一束激光的两次动作，也可以是两束激光的一次动作，即用擦除光束和之后写入光束的协调动作来完成擦、写功能。图9-12是可擦重写光盘存储机构与信息存储过程示意图。图9-12(a)中的虚线方框内是一个双光束光学头，或叫光学读写头。1、2和3分别为写入激光光斑、擦除激光光斑和写入的信息道，激光聚焦在盘面上的写入光斑1’、擦除光斑2’和写入的信息3’，都在图9-12(b)中放大示出。读写头中左侧以半导体激光器1为光源的光路是写读光路；右侧以2为光源的光路是擦除光路。 • 9.4.1可擦重写相变光盘存储原理由于擦信号脉宽较宽，必然影响光盘数据传输速率提高，并带来光盘驱动器设计与制作上的复杂性。为了能象磁盘那样具有在记录新信息的同时自动被擦除旧信息，就必须寻找快速晶化也就是快擦除的光存储材料，实现真正的直接重写光盘存储。图9-12可擦重写光盘存储机构与信息存储过程示意图

磁光记录由来已久。早在1957年，美国Bell实验室H.威廉斯(H.Williams)用热笔在 MnBi薄膜上记录，用法拉第效应读出。1958年，L. 梅耶(L.Mayer)用居里点记录，1960年Miyata用 Kerr角读出。1965年开始用补偿点记录；19711973年P.柯德海里(P.chaudhali)用GdCo 做磁光存储器件；1978年日本某公司研究所在 TbFe 薄膜上，用半导体激光器件实现信息的存储；这些工作开辟了利用稀土-过渡金属（RE-TM）磁性非晶薄膜实现磁光存储的新纪元。 • 9.4.2可擦重写磁光光盘存储目前磁光薄膜的记录方式有补偿点记录和居里点记录两类，前者以稀土-钴合金为主，后者则多为稀土-铁合金。下面我们以补偿点写入的磁介质为例来讨论磁光记录介质的读、写、擦原理。 GdCo薄膜是利用补偿点写入的典型材料。Gd和Co的磁化强度对温度有不同的依赖关系，见图9-13(a)。在补偿点，它们的正、负磁化强度正好等值反向，净磁化强度为零。图9-13(b)示出GdCo的矫顽力Hc随温度的变化，在室温附近Hc很大，但在室温以上，Hc随温度的升高按指数规律很快减小。因此，可以选择GdCo的组分，使 Tcomp正好落在室温以下，这样就可以在比室温略高的情况下，例如70-80C 之间，使Hc降至极小值。补偿点写入正是利用了这一特性。图9-13 GdCo磁学特性与温度的依赖关系

1.信息的写入 GdCo有一垂直于薄膜表面的易磁化轴。在写入信息之前，用一定强度的磁场H0对介质进行初始磁化，使各磁畴单元具有相同的磁化方向。在写入信息时，磁光读写头的脉冲激光聚焦在介质表面，光照微斑因升温而迅速退磁，此时通过读写头中的线圈施加一反偏磁场，就可使光照区微斑反向磁化，如图9-14(a)所示，而无光照的相邻磁畴磁化方向仍保持原来的方向，从而实现磁化方向相反的反差记录。 • 9.4.2可擦重写磁光光盘存储图9-14 磁光介质的写、读、擦原理示意图

2.信息的读出 信息读出是利用Keer效应检测记录单元的磁化方向。1877年keer发现，若用线偏振光扫描录有信息的信道，光束到达磁化方向向上的微斑，经反射后，偏振方向会绕反射线右旋一个角度k，如图9-14(b)。反之，若光扫到磁化方向向下的微斑，反射光的偏振方向则左旋一个k，以k表示。实际测试时，使检偏器的主截面调到与k对应的偏振方向相垂直的方位，则来自向下磁化微斑的反射光不能通过检偏器到达探测器，而从向上磁化微斑反射的光束则可以通过sin(2k)的分量，这样探测器就有效地读出了写入的信号。 • 9.4.2可擦重写磁光光盘存储实际应用时，光盘的信噪比与Kerr角的大小密切相关，若反射光强度为I，且光盘的本底噪声主要来自散射效应，则信噪比可近似表示为实用磁光盘的kerr角数值不大，一般只有零点几度，如图9-15所示，为此磁光盘的信噪比需落在45-50dB的范围内。要获得较高的信噪比，必须进行大k角的材料研究。图9-15 某磁光薄膜矫顽力及Kerr角随温度的变化

9.5.1光盘规格 光盘衬盘厚1.2mm，外形很象一张透明唱片。其直径尺寸按1984年ISO/X3B11推荐的国际标准共有直径公制单位mm=356，300，200，130，120等规格，分别对应的英制单位in14″，12″，8″，5.25，5。近年来民间又开发了小型光盘衬盘，直径3.5、2.5及1.8等。ISO是国际标准组织（international standardization organization）的简称，它管辖的信息部，代号是X3；X3B11是信息部所属光盘技术委员会的代号。以下内容凡标有“ISO”符号的数据，都表示ISO/ X3B11推荐的国际标准值。 • 9.5光盘衬盘材料光盘衬盘上分布着间距为1.6m(ISO)的预刻沟槽，同心圆或螺旋线都可。槽宽约0.8m，槽深取/8n，n是衬盘的折射率。目前半导体激光器波长=830nm，衬盘n=1.49时，槽深为70nm。信息可以记录在槽内或在两槽之间的岸上。 9.5.2衬盘材料的选择衬盘材料应满足以下要求： 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；抗溶剂性应强。 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1-10中是国际上几种衬盘材料的测试结果，表中各材料的全名如下： • 9.5.2衬盘材料的选择 PMMA聚甲基丙烯酸甲酯（英文全名：polyme-thymethacrylate）； PC聚碳酸脂(polycarbonate)； APO非晶态聚烯烃(Amorphous polyolefin) 一般只读存储和一次写入光盘的衬盘材料选用PMMA；可擦重写、直接重写相变光盘衬盘材料选用PC；磁光光盘衬盘选用PC及钢化玻璃，APO是新开发的材料，从吸水指标来看，是很有希望的材料。

9.5.2衬盘材料的选择 表10-1几种常用衬盘材料性能参数的对比

9.6.1 综述 9.6 光信息存储新技术 • 光存储目前达到的存储密度和数据传输速率远不能满足飞速发展的信息科技要求。 • 高密度和快读写的光存储技术成为非常重要和极其迫切的课题， • 研究和开发的热点 • 达到或超过光的衍射极限（纳米量级）的高密度光存储技术 • 超大容量三维体存储技术 • 发展方向 • 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 • 逐点存储向并行存储

读写光源波长向短波发展 ——提高光盘存储密度见效最快的的方法。波长缩短可缩小记录光斑尺寸 80s~90s中期代表：第一代光盘CD 光源：830nm、780nm红外LD 存储容量650 MB ( 8 MB/cm2)； 90s中后期代表：第二代光盘DVD 光源：650nm红光 LD 存储容量：4.7GB( 60 MB/cm2) 21s~ 光源：蓝绿光(400~500nm附近) ——相应记录材料和器件超分辨记录和探测技术存储容量：10~15 GB。 • 9.6 光信息存储新技术

2. 采用近场光学扫描显微技术 • 实现超高密度和超大容量存储的重要途径，可能将存储密度提高若干个数量级。 • 一种新型近场光学聚焦系统：运用飞行光头和固体浸没透镜(Solid Immersion Lens, SIL)使透镜与记录层的距离缩小到100～200nm，突破衍射极限，使存储密度达6 GB/cm2，相当于DVD光盘存储密度的100倍。 • 目前研究的重点： • 进一步缩短透镜与记录层的距离并且实现有效和可靠的控制。 • 改进光纤探针和记录材料的性能 • 代表：松下、索尼、AT&T、IBM • 9.6.1 综述 • 三维立体存储 • 体全息存贮： • 双光子吸收三维存储 • 多层记录存储。 • 利用光致折射率变化能进行并行传输和处理，存储容量可达数百GB，传输速率可达1GB/s，寻址时间小于100s，可用于随机存取器和光驱间的快速缓冲存储

持续光谱烧孔——PSHB(Persistent spectral hole burning) 可使光频率成为新存储维，将传统二维（x、y）光信息存储发展为三维（x、y、v） • 由于光衍射，光不可能聚焦在一个体积小于10-12cm3的材料上，决定了目前光存储密度上限为108B/cm2，1B占据的空间含106~107个分子。 • 将单分子做1B存储元件可提高记录密度106~107倍。——分子存储 • 分子存储要求 • 稳定性 • 具备选择或识别每个分子的方法 • ——PSHB是一种有效方法，能识别含有103~104个分子的分子集团，记录密度能达到1011~1012B/cm2。 • 9.6.2持续光谱烧孔和三维光信息存储 1978年美国IBM公司的G.Castro等提出将PSHB应用于波长多重记录目前研究重点：由单光子转向双光子（即双光子选通PSHB存储）

2. PSHB和PSHB光存储基本原理 光子烧孔大致可分为两类，即化学烧孔和物理烧孔——化学烧孔产生PSHB现象的物质系统组成：客体分子(光活性分子)+主体分子(透明固体基质) 客体分子均匀分散在固体基质中，低温下在激光诱导下发生具有位置选择性的光化学反应，引起在非均匀的宽带吸收光谱带上有选择性地产生一个均匀光谱孔。为了防止PSHB过程中光活性分子能量的转移，要求其分子浓度小于10-4~10-6mol/L。 • 9.6.2持续光谱烧孔和三维光信息存储图9-16 PSHB光存储示意图

应力等外界因素使同一类客体分子具有不同局域环境，对应于不同谐振频率的基本谱线，为线宽h的均匀展宽——分子量子态受到来自周围的微扰，寿命不能无限长应力等外界因素使同一类客体分子具有不同局域环境，对应于不同谐振频率的基本谱线，为线宽h的均匀展宽——分子量子态受到来自周围的微扰，寿命不能无限长 • 所有均匀吸收带叠加形成线宽i的连续非均匀展宽。hi时，利用调谐激光器在低温(﹤10K)下将激光频率调谐至非均匀吸收带范围内的任何一个频率L，对PSHB物质系统进行强辐照，会发生兰姆凹陷，从而形成了缺口(光谱烧孔)。 • 同一测点上，利用可调谐激光器对非均匀吸收带范围内的频率进行扫描，就会在同一测点上得到一系列光谱孔，按孔的有和无编译成二进制码”1”和”0”，就实现了PSHB频率域内的多重存储，其多重度取决于i/h的比值。 • 这种高密度存储方式可在原来的二维存储中增加一个频率维度，将记录密度提高103~104倍。 • 9.6.2持续光谱烧孔和三维光信息存储

RW光盘存储密度较高，但数据存取速率仍低于磁盘，稳定性和寿命仍有一定问题RW光盘存储密度较高，但数据存取速率仍低于磁盘，稳定性和寿命仍有一定问题美国马里兰州Optex公司开发了电子俘获材料，通过低能激光去俘获光盘特定斑点处的电子来实现存储，是一种高度局域化的光电子过程。理论上，它的读、写、擦循环不受介质物理性能退化的影响。测试光盘样品写、读、擦次数已达108以上，速率ns量级，且可使存储密度大大提高 • 9.6.3 电子俘获光存储技术

2.电子俘获光存储技术的基本原理 • (1)电子俘获材料 • 由带隙宽4~5eV的碱土硫化物和掺杂的两类不同稀土金属元素(浓度10-3ppm）组成 • 联系带E：存在于两类稀土原子之中，约位于基态G之上2.5eV处，使两类稀土原子 • 在共同能量处取得联系 • 陷阱能级T：存在于其中一类稀土原子中，位于能带E之下约1eV（热能）位置， • 使其中的电子不再移动和交换 • ——电子一旦落入能级T中，就不能因热运动而跃至能带E中并由E返回基态进行复合 • 9.6.3电子俘获光存储技术图9-17 一种电子俘获材料的能级分布

(2)信息写入、读出和擦除 • 写入 • 信息位“1”的写入以记录点局域位置处陷阱对电子的俘获来表征。 • 一束光子能量对应于电子跃迁能量范围的激光照射时，基态电子被激发到能带E后下落，并被T能级处的陷阱俘获，形成信息位“1”。不因写入光中断而消失。 • 读出——证明存储单元局域位置中电子陷阱已被电子所填充 • 读出近红外光使光斑局域位置处已被俘 • 获的电子获得光子能量后跃迁到能带E中， • 与另一种稀土原子取得联系后返回基态G， • 同时发射出与跃迁过程所损失能量对应波 • 长(600nm)的光，对这种光的探测能证 • 实 “1”的存入。 • ——信息读出以陷阱对电子的释放为基础， • 因而每次读出会引起被俘获电子的减少 • 9.6.3电子俘获光存储技术图9-18电子俘获存储读写擦光谱特性

3.电子俘获光存储技术的优点 • 可能存储模拟数据或多电平数据，使记录密度提高3倍 • 存储单元局域位置中的陷阱对电子的俘获与写入光束能量间存在固有的线性 • 读出过程中发光强度与读出所用的近红外光强度间也存在线性关系 • 可能进行三维存储 • 将不同光谱响应度的电子俘获材料薄膜层堆迭起来，可进行三维存储 • 写/擦循环次数应是无限 • 读出只借助于电子能态的改变、光谱移动导致的光发射，而不靠读出光反射，对表面缺陷及形貌扰动不敏感。 • 可能实现高速度存取 • 电子上、下跃迁改变的速率为ns级 • 9.6.3电子俘获光存储技术

优点： • 存储容量大： • 可能将信息存储在介质整个体积中 ,实现真正三维存储，其密度上限为； • 数据传输速率高、存储与读出时间短 • 全息图采用整页存储和读出的方式，一页中的所有信息位都被并行地记录和读出，因而可达到很高的数据传输速率 • 全息数据库可用电光偏转、声光偏转等无惯性光束偏转或波长选择手段寻址，无需磁盘和光盘存储中的机电式读写头，数据传输速率和存取速率可以很高； • 高冗余度： • 全息记录是分布式的，即把每一点的信息或者说每一信息位记录在整个全息图上，所以记录介质局部的缺陷和损伤不会引起信息的丢失。 • 9.6.4全息信息存储

全息存储中，全息图记录的是物体发射或散射出的光场的完整信息，包括光场的振幅和位相。由于任何光探测器或记录材料都无法直接响应光波的相对位相分布，因而，波场的位相变化必须用适当的方式变成强度变化，即所谓“编码”以记录位相信息。全息图一旦形成，便可施行解码以再现原来的波场。“编码”就是引入参考光波与待记录的物光波相干涉，记录下干涉场的类似光栅结构的过程，而“解码”则是通过此光栅结构对入射光的衍射，再现原来物光的过程，两者都是光学方法。全息存储中，全息图记录的是物体发射或散射出的光场的完整信息，包括光场的振幅和位相。由于任何光探测器或记录材料都无法直接响应光波的相对位相分布，因而，波场的位相变化必须用适当的方式变成强度变化，即所谓“编码”以记录位相信息。全息图一旦形成，便可施行解码以再现原来的波场。“编码”就是引入参考光波与待记录的物光波相干涉，记录下干涉场的类似光栅结构的过程，而“解码”则是通过此光栅结构对入射光的衍射，再现原来物光的过程，两者都是光学方法。典型的光学全息存储器中存储的信息可分为块状结构和顺序结构两类 • 9.6.4全息信息存储

1.块状结构全息存储器 全息存储技术的基本概念是把存储的信息构成一个像，将此像作为全息记录系统中的物，并把物存储于全息图中。由于在具体的存储器中被存储的信息可以是以电子信号的形式传递的，因此需要用一个通常称为组页器的特殊器件来呈现信息。例如，一张由白点和黑点的列阵组成的透明片，每一点表示一个二进制信息元，如白点”1”，黑点为”0”。如果将信息存储页从全息图上读出，其1级再现像就被聚焦在一探测器阵列上。它由光电二极管列阵组成，每只二极管与原组页器透明片上一个单元相对应。组页器和探测器列阵实际上就是电-光和光-电接口。 • 9.6.4全息信息存储图9-19所示的配置：组页器-全息图-探测器列阵，是所有块状(页状)结构全息存储器中的基本存储单元。更复杂的海量存储器是以此单元以及一些附加器件为基础的，而这些附加器件则是用来对能并行地存储许多页的存储面上大量全息图进行寻址的。图9-19 块状结构全息存储器配置

通常采用在激光器输出光束中配置一个x-y光束偏转器，使写入光束同参考光束重叠在存储面上任何(x，y)点，从而可在存储面上记录许多并行排列的小全息图列阵。读出时，每一个小全息图被一束方向与该记录该小全息图的参考光束相同的激光束所照射，而其再现页(信息)则成像同一个探测器列阵上(即不管小全息图在存储面上的位置如何，其再现像始终成在同一个位置上)，所以只要用一只探测器来探测由所有小全息图再现出的各个像。由此可知，激光束对全息图的寻址是由x-y光束偏转器来控制的，此偏转器即为存储器的寻址单元，它能控制激光束向每一个所需的小全息图上。在随机存取存储器中，激光束是在相同的随机存取时间内导向和作用在所需的小全息图位置上的。 • 9.6.4全息信息存储将存储面划分成许多可选择的寻址的页(小全息图)而不采用存储所有页(信息)的一个单一的大全息图的理由是，要求块状信息可选择性的擦除和读出。可选择性地擦除部分信息只可能利用许多不相连的小全息图，因为现在还不知道有什么方法可选择性地擦除叠加在同一个全息图上的部分图象。此外，还有一些关系到部件的提供、全息图的衍射效率等实际问题，也要求在存储平面上不用一个单一的大全息图，而只用一些不相连的小全息图。实际上，在全息海量存储器中，要使光束偏转器能使物光束和参考光束精确地交于存储面上的各点来记录小全息图，还要配置一个蝇眼透镜(微透镜列阵，例如短焦距玻璃透镜列阵，单片模压塑料透镜列阵，渐变折射率光纤列阵以及如32×32全息二进制相位波带片列阵那样的全息光学元件列阵等)。图9-20是配置蝇眼透镜的傅立叶变换全息存储器。在这种存储器的光路中，用一个光束偏转器来控制参考光束和写入光束，使写入光束投射在蝇眼透镜的一个微透镜上。蝇眼透镜中微透镜的数目与存储面

上的的小全息图的总数相同，它的作用是扩展输入的准直光束，再经透镜L2、L3的作用使之成为方向与微透镜的位置相关的平行光照明L3后面组页器的整个孔径，透过组页器的物光束经透镜L4、L5的傅立叶变换，汇聚在存储面H上的一个小区域并同照射在该处的平行参考光束叠加，形成一个小全息图。存储面上各个微透镜中各个微透镜的位置一一对应。若用记录时的参考光作为读出光束来照射各小全息图，则可从探测器列阵逐个输出对应于被存储的各页信息。 • 9.6.4全息信息存储图9-20 配置蝇眼透镜的傅立叶变换全息存储器在块状结构的全息存储器中不应包含机械部分，这是达到与计算机要求相一致的实际运行速度所必须的。此外，在复杂的存储系统中的机械运动往往会使可靠性降至不能接受的程度。

光学全息存储器可按在存储和检索过程中所使用的记录介质的厚度来分类：二维存储器使用薄记录介质，记录面全息图；三维存储器使用厚记录介质，记录体全息图。光学全息存储器可按在存储和检索过程中所使用的记录介质的厚度来分类：二维存储器使用薄记录介质，记录面全息图；三维存储器使用厚记录介质，记录体全息图。图9-21所示的是二维随机存取存储器的光路，在这种系统中薄记录介质可以是诸如热塑料或高分辨率照相底片。从图中可清楚的看到所有光全息存储器中的基本部分是光源、光束偏转器、记录介质和探测器列阵，这些部件用各种通常的光学和电子的部件互相连接。图中所示的是一种典型的配置，根据存储器的性质，当然还可以有其他的配置。 • 9.6.4全息信息存储图9-21 二维随机存取存储器的光路

存储器的操作是靠电光偏振转子来控制光束的偏振方向以实现写入和读出的。因设计的分束板不反射平行于入射面振动的偏振光束，故写入时用垂直于入射面振动的光束，读出时用平行振动的偏振光束。在写入过程中，记录介质上物光束的复振幅分布是组页器中数据页的傅立叶变换(近似)，该振幅花样与参考光束在记录面上相干涉而形成全息图。系统的光学元件可使物光束与参考光束相交于光束偏转器所选定的存储面上任何一个地址的存储介质上，这样，物光束和参考光束就自动地相互跟踪。在数据页再现的读出过程中，只有参考光出现，而此光束照射记录介质后就被全息图上的光栅衍射出记录时物光束的频谱(傅立叶变换)，该频谱再经其后的傅立叶变换透镜就再现出原始物光波的复振幅，其光斑(数字数据)花样就照射在光电探测器列阵上并被它读出。 • 9.6.4全息信息存储图9-22所示的是三维随机存取存储器的光路，在这一系统中的厚记录介质可以是电光晶体或光致变色晶体。许多三维存储系统已经被设计出来，这些系统在厚记录介质内同一个位置重叠许多全息图，它是通过对其中每一个全息图使用不同方向的参考光而被记录的，这些全息图由于其体性质而呈现十分强的角选择性。也就是说，要读出其中一个全息图，一定要用与该全息图相应的参考光束照明，该参考光束的入射角度则要求对该全息图而言的布拉格角附近的角度范围内，否则，再现数据的强度将随角度的偏离而很快下降。而且，全息图越厚，再现的角度范围就变得越窄。在单一的体位置上重叠许多个全息图将引入一个额外问题：在光折变介质的体积中写入一个新的全息图而不影响原来在那里的全息图，该问题已在铌酸锂晶体中外加一电场获得解决。它可大大增加写入的灵敏度，而对擦除的灵敏度保持不变或变为更低的值。因此，当一新的全息图写入时，在该位置的其他全息图仅稍有擦除。此外，多重全息图

第 9 章 光盘与光存储技术