第六章 光存储技术

1、第6章光盘与光存储技术 主要内容n6.1 光存储与光盘n6.2 只读存储光盘（ROM）n6.3 一次写入光盘(WORM)n6.4 可擦重写光盘(RW)n6.5 光盘衬盘材料n6.6 光信息存储新技术n光盘与光存储技术 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

2、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，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。存储器件由磁带、磁盘经由磁光光盘向全光光盘发展。 n光盘与光存储技术磁记录：磁记录： 利用磁头在磁盘上进行信息的写、擦，利用磁头在磁盘上进行信息的写、擦， 结构要素包括结构要素包括 磁记录介质：包括磁带磁记录介质：包括磁带(已日渐稀少已日渐稀少)、软盘、软盘(1.44MB 3盘盘)、硬盘、硬盘(最重要最重要) 硬盘磁头：磁阻硬盘磁头：磁阻(m

3、agneto-resistive)或巨磁阻或巨磁阻(giant magneto-resistive)型型 精密加工技术使得气浮磁头与盘片间距由精密加工技术使得气浮磁头与盘片间距由mm级降到级降到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 发展到主流发展到主流250GB以上，将很快逼近其物理极限以上，将很快逼近其物理极限超顺磁性限制面密度超顺磁性限制面密度40GB/in2。磁光记录：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，利用激光退磁，偏置磁场在磁光盘上

4、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磁光存储器件为磁光盘MD，包括，包括2.5、3.5与与5.25等规格。等规格。 全光记录：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，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：结构要素：光记录介质：包括光记录介质：包括CD、DVD，CD-R、DVD-R，以及，以及CD-RW、DVD-RW等。等。光头：由用红外记录波长

5、向短波长方向推进，记录密度不断加大。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核心是光盘，不同光盘需采用不同存储技术n6.1光存储与光盘 光存储包括信息的光存储包括信息的“写入写入”和和“读出读出”过程。过程。 信息信息“写入写入”：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：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，使介质的光照微区调制激光聚焦到记录介

6、质上，使介质的光照微区(直径直径106B/mm2 .(2)数据传输速率高数据传输速率高数据传输速率达百兆数据传输速率达百兆B量级，并最终希望达到量级，并最终希望达到GB、TB量级。量级。 (3)存储寿命长存储寿命长 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，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年年 (4)信息位价格低信息位价格低 一张一张CD 650MB，510元，元， 1分分/MB；一张；一张DVD 4.7GB，约，约10元，元，1分分/MB(5)更换容易更换容易 n6.1光存储与光盘光盘经历了四代：光盘经历了四代：(1)只读存储光盘（只读存

7、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。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。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：常见的有：LD、CD-Audio、CD-ROM、 VCD、DVD-Audio、DVD-ROM、DVD-Video。 (2)一次写入多次读出光盘（一次写入多次读出光盘（WORM，Write Once Read Many） 具有写读功能，用专用具有写读功能，用专用CDR刻录机向光盘中一次性写入数据，但写入后不

8、可擦除。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：常见的有：CDR、DVDR(3)可擦重写光盘（可擦重写光盘（REWRITE，简写作，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；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：擦与写需两束光、两次动作：“擦激光擦激光”先将信息擦除，另一束先将信息擦除，另一束“写激光写激光” 将新信息写入将新信息写入 (4)直接重写光盘（直接重写光盘（OVERWRITE，简写作，简写作OW） 实现的功能与可擦重写光盘一样，但实现的功能与可擦重写光盘一样，但“擦激光擦激光”

9、与与“写激光写激光”为同一束光，在写入新为同一束光，在写入新信息的同时旧信息自动被擦除，无需两次动作。信息的同时旧信息自动被擦除，无需两次动作。ROM与与WORM应用最广，应用最广，RW已商用化，已商用化，OW光盘尚待完善光盘尚待完善填空n6.2只读存储光盘（只读存储光盘（ROM） 6.2.1 ROM光盘存储原理光盘存储原理 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，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

10、，制成主盘（又称母盘，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，经喷镀、电镀等工序制成副盘（又称印模，Stamper） 经经“2P”注塑形成注塑形成ROM光盘光盘总制备过程示意图如下总制备过程示意图如下 n6.2只读存储光盘（只读存储光盘（ROM）6.2.2 ROM光盘主盘与副盘制备工序光盘主盘与副盘制备工序 1.衬盘甩胶衬盘甩胶 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；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

11、好且致密的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 2.调制曝光调制曝光 将膜片置入高精度激光刻录机中进行信息写入。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，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。则可膜片上刻录出螺旋形信息道。 将刻有信息的盘片放入显影液中进行监控显影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正性光刻胶曝光部分脱落负性光刻胶，不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、深度及坑各信息道出现符合调制信号的信息凹坑

12、，形状、深度及坑间距与携带信息有关。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。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常用正性光刻胶，所得主盘为正像主盘 3.显影刻蚀显影刻蚀 n6.2.2 ROM光盘主盘与副盘制备4.喷镀银层喷镀银层 在主盘表面溅射一层银膜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作为下一步电镀镍的电极之一 5.电镀镍层电镀镍层 在溅射了银的盘片表面用电解的方法镀镍，使得主在溅射了银的盘片表面用电解的方法镀镍，使得主盘上

13、长出一层厚度符合要求的金属镍膜。盘上长出一层厚度符合要求的金属镍膜。 6.镍膜剥离镍膜剥离将上述盘片经过化学处理，使得镍模从主盘剥脱，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。形成一个副盘。 7.上述主盘每一个都可以通过上述主盘每一个都可以通过(5)、(6)步骤的重复，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。步骤的重复，制得若干个正像子盘。 n6.2.3 ROM光盘“2P”复制 将上述所得正像或副像子盘作为将上述所得正像或副像子盘作为“印模印模”（stamper），加工中心

14、孔和外圆后装入），加工中心孔和外圆后装入“2P”喷塑器中，经进一步的喷塑器中，经进一步的“2P”复制过程来制作批量复制过程来制作批量ROM光盘。光盘。 2Pphotopolymerization（光致聚合作用）一词的缩写。（光致聚合作用）一词的缩写。 图图9-4 2P过程示意图过程示意图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唱

15、片。一个原模一般可复制至少5000片盘片。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。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。光盘系统。 n6.3 一次写入光盘(WORM) 6.3.1一次写入方式一次写入方式 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：记录方式： 1.烧蚀型烧蚀型：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

16、质的：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，以形成信息坑孔热效应，使介质的微区熔化、蒸发，以形成信息坑孔(图图9-5(a)。 2.起泡型起泡型：存储介质由聚合物：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：存储介质用离子刻蚀的硅，表面呈现绒状结构，

17、激光光斑使照射部分的绒面熔成镜面，实现反差记录面熔成镜面，实现反差记录(图图9-5(c)。 4.合金化型合金化型：用：用Pt-Si、Rh-Si或或Au-Si制成双层结构，激光加热的微区熔成合金，形成制成双层结构，激光加热的微区熔成合金，形成反差记录反差记录(图图9-5(d)。 5.相变型相变型：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：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应使被照微区发生非晶相到晶相的相变(图图9-5(e)。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烧蚀型率先推

18、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。 图图9-5 一次写入方式一次写入方式 n6.3.2 写写/读光盘对存储介质的基本要求读光盘对存储介质的基本要求 1.分辨率及信息凹坑的规整几何形状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。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。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

19、号的“1”，否则为，否则为“0”。得如图。得如图9-6下方所示读取信号波形。若存储密度下方所示读取信号波形。若存储密度108B/cm2，每信息位仅占，每信息位仅占1 m2面积。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，这就要求边缘偏差要求边缘偏差 落在落在 100 以内，以保证原始错位率小于以内，以保证原始错位率小于10 8。 A图图9-6 读取分辨率示意图读取分辨率示意图 n6.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 2.没有中间处理过程没有中间处理过程存储介质需实时记录数据并及时读出

20、信息，不需要任何中间处理过程，以实现光盘写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（即后直读（即DRAW，Direct Read After Write功能）从而保证记录数据的实时检验。功能）从而保证记录数据的实时检验。 3.较好的记录阈值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。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。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

21、效果。记录阈值过高或过低都会影响凹坑质量和读出效果。 4.记录灵敏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。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。如用波长如用波长830nm、到达盘面功率、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。体盘片记录时，可获得每秒几兆字节的数据速率。 5.较高的反衬度较高的反衬度反衬度指信道上

22、记录微区与未记录区的反射率对比度。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。 n6.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 7.与预格式化衬盘相容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、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

23、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。实现在任一轨道的任一扇区进行信息的读和写。 8.高生产率、低成本高生产率、低成本 6.稳定的抗显微腐蚀能力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，从而得到低于得到低于10-4数量级的原始误码率及至少数量级的原始误码率及至少10年的存储寿命。年的存储寿命。 n6.3.3 WORM光盘

24、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而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。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（光盘常以聚甲基丙烯酸脂（PMMA）为衬底，厚）为衬底，厚1.2mm，上面溅射介质薄层，上面溅射介质薄层 用用830nm激光聚焦在激光聚焦在1 m2范围内，温度呈高斯型空间分布；范围内，温度呈高斯型空间分布； 当中心温度超过介质熔点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时，介质表面形成一熔融区，表面张力

25、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。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。 但入射到膜面的激光能量但入射到膜面的激光能量E0一部分在膜面反射一部分在膜面反射(ER)，大部分被薄膜吸收大部分被薄膜吸收(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剩余部分透射到衬盘中(ET)，即：，即： EEEEETAR0图图9-7 记录光的分配记录光的分配n6.3.3 WORM光盘的存储原理若要存储介质的灵敏度高，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

26、的应尽量大，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，为此温度尽快超过介质的熔点，为此ER、ET及及 E都应尽可能小。都应尽可能小。 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，：介质层折射率， ：入射光入射光波长波长)；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；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

27、反射层，在新的相消条件下得记录厚度下限为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。加铝条使加铝条使ER得到明显减小，但由于铝是热的良导体，会使得到明显减小，但由于铝是热的良导体，会使ET加大，为此，还应在加大，为此，还应在记录层和反射层间加入一层热障层记录层和反射层间加入一层热障层(一般选透明介质一般选透明介质SiO2)，其折射率为，其折射率为n2，厚度为，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。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度为 42211dndn形成记录层、热障层和反射层三层结构存储介

28、质。形成记录层、热障层和反射层三层结构存储介质。n6.3.3 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(气化气化)热、光效率、热效率有关。对于选定的介质材料，其熔化热、光效率、热效率有关。对于选定的介质材料，其熔化(气化气化)热固定，为提热固定，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：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介质的光学常数和热学常数

29、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；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：提高热效率的关键：使信息坑孔形成的时间使信息坑孔形成的时间 S小于热障层的热扩散时间常数小于热障层的热扩散时间常数 D热障层厚度大于热障层厚度大于 ( : 热障层热扩散系数热障层热扩散系数)选择热障系数大的衬盘材料选择热障系数大的衬盘材料 sDKDK图图9-8 WORM光盘结构光盘结构目前，实用化目前，实用化WORM光盘均为三层式，主要采用空气夹层式（图光盘均为三层式，主要采用空气夹层式（图9-8b）和直接封）和直接封闭式闭式(图图9-8c)两种基本结构，且均已商品化。两

30、种基本结构，且均已商品化。 6.4 可擦重写光盘(RW)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。写、擦，分为热致相变光盘和光致相变光盘。 (2)磁光盘磁光盘：采用稀土采用稀土-过渡金属合金制成的磁性相变介质作为具

31、有垂直于薄膜表面易磁化轴的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/负来区别二进制负来区别二进制的的“0”或或“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共存的情况，故可用介质的两个稳定状态来区别“0”或或“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。可擦重写光盘中的反复写、擦过程与

32、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。记录介质。 6.4.1可擦重写相变光盘存储原理可擦重写相变光盘存储原理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：擦。常见的相结构变化有下列几种：1. 在晶态在晶态和晶态和晶态 之间的可逆相变，这种相变反衬度太小，没有实用价值之间的可逆相变，这种相变反衬度太小，没有实用价值2. 非晶态非晶态非晶态非晶态 之间的可逆相

33、变，这种相变反衬度太小，也没有实用性之间的可逆相变，这种相变反衬度太小，也没有实用性3. 发生玻璃态发生玻璃态晶态之间的可逆相变，这种相变有实用价值。晶态之间的可逆相变，这种相变有实用价值。n6.4.1可擦重写相变光盘存储原理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激光热致相变可擦重写光存储 (1)存储材料存储材料 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：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，晶态长程有序，非晶态短程有序。非晶态短程有序。 这类介质中原子受到键长和键角的约束，平均配位数为这类介质中原子受到键长和键角的约束，平均配

34、位数为2.45，大于此值为过约束，小于，大于此值为过约束，小于此值为欠约束。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，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，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。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：记录介质的可逆相变选定为玻璃态和晶态间的反复转变

35、： 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。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。n6.4.1可擦重写相变光盘存储原理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激光热致相变可擦重写光存储 3. 掺杂材料掺杂材料2提高相变速率掺杂提高相变速率掺杂 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，或等一价元素，或Ni、Co、Pd等过渡金属元

36、素，以加快相变速率等过渡金属元素，以加快相变速率形成三元结构体系。形成三元结构体系。 4.掺杂材料掺杂材料3增强介质处于玻璃态和晶态间反衬度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。形成了三元或多元合金光记录介质。2. 掺杂材料掺杂材料1提高热稳定性掺杂提高热稳定性掺杂 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形成以GeTe、InTe、SbTe、InSe、SbSe为基

37、的二元无序体系。为基的二元无序体系。1. 可逆相变光记录介质的基质材料可逆相变光记录介质的基质材料响应灵敏度考虑响应灵敏度考虑 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发生相结构的变化，因而对光的响应十分灵敏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、热稳定从激光热效应导致可逆相变的角度来看，材料

38、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。性、相变速率及反衬度等要求。 n6.4.1可擦重写相变光盘存储原理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激光热致相变可擦重写光存储 图图9-9相变过程中可擦重写光盘材料特性相变过程中可擦重写光盘材料特性 (a) 介质体积随温度变化情况介质体积随温度变化情况(b) 透射率随温度变化情况透射率随温度变化情况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。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、应

39、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。晶相，从玻璃态到晶态的相转变过程也较快。 n6.4.1可擦重写相变光盘存储原理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激光热致相变可擦重写光存储 (2)存储原理与过程存储原理与过程 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

40、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。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。 图图9-10 写、读、擦激光脉冲与其相应的相变过程写、读、擦激光脉冲与其相应的相变过程 n6.4.1可擦重写相变光盘存储原理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

41、储激光热致相变可擦重写光存储 (a)信息的记录信息的记录 对应介质从晶态对应介质从晶态C向玻璃态向玻璃态G的转变。的转变。选用功率密度高、脉宽为几十至几百选用功率密度高、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的激光脉冲，使光斑微区因介质温度刹那间超过熔点间超过熔点Tm 而进入液相，再经过液相快淬完成到达玻璃态的相转变。而进入液相，再经过液相快淬完成到达玻璃态的相转变。如：介质熔点如：介质熔点Tm=600 C，激光脉宽，激光脉宽 =100ns，则快淬过程冷却速率，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。从而很快就使介质的光照微区进入玻璃态。 (

42、b)信息的读出信息的读出 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。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一般介质处在玻璃态(即写入态即写入态)时反射率小，处在晶态时反射率小，处在晶态(即擦除态即擦除态)时反射率大。时反射率大。 读出过程中，介质的相结构保持不变。读出过程中，介质的相结构保持不变。 (c)信息的擦除信息的擦除 对应介质从玻璃态对应介质从玻璃态G向晶态向晶态C的转变。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，

43、再处，再通过成核通过成核-生长完成晶化。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、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。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。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。 n6.4.1

44、可擦重写相变光盘存储原理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激光光致相变可擦重写光存储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，介质散的直接固态相变实现从玻璃态到晶态

45、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。之上，因而相变速度极快。 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，ReRr，RcRe。可见，这时介质内部的光吸收由带间吸收为主变为以由自

46、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。 eR图9-11 光致相变介质内部光吸收过程 n6.4.1可擦重写相变光盘存储原理光致晶化过程包括光致突发晶化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）和声子参与的弛豫(几十几十ns)过程秒。过程秒。n6.4.1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

47、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。 图9-12可擦重写光盘存储机构与信息存储过程示意图 由于擦信号脉宽较宽，必然影响光盘数据传输速

48、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。 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70-80C之间，使Hc降至极小值。补偿

49、点写入正是利用了这一特性。 n6.4.2可擦重写磁光光盘存储 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；19711973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。 目前磁光薄膜的记录方式有补偿点记录

50、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。图9-13 GdCo磁学特性与温度的依赖关系 n6.4.2可擦重写磁光光盘存储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。 图9

51、-14 磁光介质的写、读、擦原理示意图 n6.4.2可擦重写磁光光盘存储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(2k)的分量，这样探测器就有效地读出了写入的信号。 实际应用时，光盘的信噪比

52、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kISNR 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 n6.5光盘衬盘材料 6.5.1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in14，12，8，5.25，5。近年来民间

53、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。 光盘衬盘上分布着间距为1.6m(ISO)的预刻沟槽，同心圆或螺旋线都可。槽宽约0.8m，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。 6.5.2衬盘材料的选择 衬盘材料应满足以下要求

54、： 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。 n6.5.2衬盘材料的选择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： PMMA聚甲基丙烯酸甲酯（英文全名：polyme-thymethacrylate）；

55、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。 n6.5.2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6.6 光信息存储新技术光信息存储新技术6.6.1 综述综述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。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

56、和极其迫切的课题，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超大容量三维体存储技术 发展方向发展方向长波向短波长波向短波低维向高维（即由平面向立体）低维向高维（即由平面向立体）远场向近场远场向近场光热效应向光子效应光热效应向光子效应逐点存储向并行存储逐点存储向并行存储n6.6 光信息存储新技术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80s90s中

57、期中期 代表：第一代光盘代表：第一代光盘CD 光源：光源：830nm、780nm红外红外LD 存储容量存储容量650 MB ( 8 MB/cm2)；90s中后期中后期 代表：第二代光盘代表：第二代光盘DVD 光源：光源：650nm红光红光 LD 存储容量：存储容量：4.7GB( 60 MB/cm2)21s 光源：蓝绿光光源：蓝绿光(400500nm附近附近) 相应记录材料和器件相应记录材料和器件 超分辨记录和探测技术超分辨记录和探测技术 存储容量：存储容量：1015 GB。 1. 读写光源波长向短波发展读写光源波长向短波发展n6.6.1 综述 2. 采用近场光学扫描显微技术采用近场光学扫描显微

58、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。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使透镜与记录层的距离缩小到100200nm，突破衍射极限，使存储密度达，突破衍射极限，使存储密度达6 GB/cm2，相当于，相当于DVD光盘存储密度的光盘存储密度的100倍。倍。目前研究的重点：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。进一步

59、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改进光纤探针和记录材料的性能代表：松下、索尼、代表：松下、索尼、AT&T、IBM3. 三维立体存储三维立体存储A. 体全息存贮：体全息存贮：B. 双光子吸收三维存储双光子吸收三维存储C. 多层记录存储。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，传输速率可达可达1GB/s，寻址时间小于，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，可用于随机存取器和光驱间的快速缓冲存储n6.6.2持续光谱烧孔和三维光

60、信息存储 持续光谱烧孔持续光谱烧孔PSHB(Persistent spectral hole burning)可使光频率成为新存储维，将传统二维（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）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，决定了目前光存的材料上，决定了目前光存储密度上限为储密度上限为108B/cm2，1B占据的空间含占据的空间含106107个分子。个分子。将单分子做将单分子做1B存储元件可提高记录密度存储元件可提高记录密度106107倍。倍。分子存储分子存储分子存储要