光电子技术课件第5存储器

1、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5.3 CD、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

2、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、光存储器的特点存储密度高，可把激光聚焦成直径约1m的光点进行记录。 非接触式读/写信息。 存储寿命长，可达百年。 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。 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1m2的面积，盘片上极小的缺陷或针孔也会引起错误

3、。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D

4、VD-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 光盘类型：只读型、可录型、可擦重写型。 光盘直径：多为5即120mm

5、。 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。 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。 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。 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。 信噪比：信号电平与噪声电平之比，以dB表示。 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。 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

6、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。 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。 激光光源和与之相连的形成读、写光 斑的光学系统。 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5.2 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。 写/读数据通道中的编/译码电路，误差检验与 校正（即ECC）电路。 光盘，即数据存储媒体。 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。 光盘机的电子线路。 二、光盘

7、的读、写原理 载有信息的激光束聚焦成直径1m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

8、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/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

9、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

10、，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。

11、 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： 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0.45，一张120mm的CD盘存储容量约为0.6GB。DVD光盘：使用635650nm红光，NA为0.6时，120mmDVD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2327GB。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

12、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。5.3 CD、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

13、段的数字光盘可分为以下三个系列：CD（compact disc）系列，激光波长780830nm，第一代光盘；DVD(digital versatile disc)系列，激光波长635650nm，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-ray disc BD)，第三代光盘。参量 CD DVD 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) 0.6 4.7 15 23-27激光波长/nm 780-830 635-650 405 405聚焦物镜NA 0.45 0.6 0.65 0.85

14、道间距/m 1.6 0.74 0.40 0.32最小记录点长度/m 0.83 0.39 0.20 0.13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：

15、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300m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

16、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、DVD DVD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、Dolby AC-3分别作为视频、音频的压缩标准

17、，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，综合多方面因素，读出层的厚度缩小到0.1mm。BD减薄读出层厚度可以有效地降低像差的大小；NA大使光斑面积小，存储容量大；由于光斑能量密度提高，可使激光写入

18、功率大大降低。 BD光盘的盘片结构（0.1mm+1.1mm）与DVD不兼容，需要驱动器和盘片的生产设备全面升级。CD、DVD、HD-DVD、BD的工作情况 BD光盘和CD相反，信息从较薄的那一面读出。 HD-DVD要通过0.6mm的盘基去读写信息，即使已使用405nm波长的蓝光，容量仍比BD光盘小。四、可擦重写型光盘 光盘存储技术一直在寻求可擦重写性，这是光盘存储器能否与磁盘存储器竞争、并逐渐取代后者的关键所在。 现在已有了利用光磁技术和相变技术的两类可擦重写型光盘存储器。具有磁存储的读/写数据的能力，但其存储容量却要大得多，且具有光盘存储器的其它独有的优点。 可擦重写型光盘，无论光磁型还是相

19、变型，其缺点是都需要擦除操作，没有擦去旧的信息时，不能写入新的信息。而磁盘可在原位直接重写。1.光磁盘存储器 是用磁性材料作为记录介质，用激光作为记录、读出和擦除手段的存储器。光磁盘的记录原理如图所示初始化（b）光磁记录居里点写入铁磁性材料补偿点写入亚铁磁性材料写入完成强磁场HO光磁盘的读出，就是检测记录介质的磁化方向。 利用克耳效应读出入射线偏振激光照射到磁膜上，反射激光的偏振面根据磁化M的方向旋转。 使检偏器的透过轴与-k正交，磁化向下区域的反射光不能通过检偏器，磁化向上区域的反射光则可通过sin（2k）的分量。 用光检测器将光的强弱转变为电流的大小，就可检测出相应的信号。磁光盘的缺点是无

20、法在广泛使用的CD-ROM、DVD-ROM驱动器上读取，使磁光盘的应用范围受到了较大的限制。 要擦去信息时，只需重新用大功率写入光斑照射数据道，外加反向的直流偏压磁场，照射区域的磁化即翻转到原来的方向。由于在转换相当大的磁场时有速度限制，因而光盘的一转用来擦去数据，将磁化置于“0”的方向，然后在下一转再写入。2.相变可擦重写型光盘 从20世纪80年代提出Ge-Sb-Te可以应用于相变光存储以来，相继经历了以CD-RW、DVDRW和蓝光光盘(HD-DVD、BD)为代表的三代可擦重写型相变光盘。 相变光盘利用记录材料的结晶态和非结晶态之间的可逆相变，实现信息的记录和擦除。 相变光盘的初始状态为晶态

21、。写入信息时，选用功率密度高、脉宽为几十至一百纳秒的激光脉冲，使光斑微区因介质温度刹那间超过熔化温度而变为液相，液相以1091010 oC/s的冷却速度快冷后变为非晶相。 相变材料处在非晶态时反射率较小，处在晶态时反射率较大，由此可以实现信息的读取：用不会引起材料相变的低功率密度、短脉宽的激光扫描信息道，用光电检测器检测其反射光并转化为电信号。 若用中等功率密度、较宽脉冲激光照射此非晶态区域，使光斑微区因介质温度升至玻璃转变温度与熔化温度之间，相变材料再通过成核生长完成晶化，光照区域又回到晶态。这就擦除了原先写入的信息。 结晶态与非结晶态之间的相变依赖于温度及冷却速度，在热平衡状态下不会产生相

22、变。因而，存储是可靠的。 相变光盘的结构如图所示。用丙烯酸或聚碳酸酯树脂制成基片，在其上预制出记录信息的导向槽，宽0.60.7m。 通过蒸发或喷镀在基片上形成记录材料薄膜，再在其上附加保护层。将两片盘粘结在一起，就可从两面使用。 相变光盘仅用光学技术来读写，光头相对简单，存取时间也可以缩短。其读出方法与CD-ROM、DVD-ROM光盘相同，容易实现兼容CD-ROM和DVD-ROM的多功能相变光盘驱动器。 5.4 超高密度光存储技术 超高密度光存储的研究主要有：从远场光存储发展到近场光存储；从一维的光存储发展到多维光存储；从利用光热效应发展到利用光子效应存储。 为使存储密度达到Tb/cm2和存储

23、容量达到TB，记录点尺寸要小于100纳米，即达到纳米光存储。一、光瞳滤波器超分辨技术是在光盘读写镜头上增加一块相位板，通常为二元环带结构。 通过对各环半径、环带相位的设计优化，该相位板对光束波前的相位分布进行调制，可以得到小于艾里斑的聚焦光斑。 有研究对NA0.6的两种物镜设计了三个环带的相位板，聚焦光斑压缩为原来的0.81，使光盘存储密度提高约1.45倍。 超分辨光瞳滤波器在提高横向分辨率的同时，还能够增加透镜的焦深，利于光盘的调焦伺服工作。 在原有光盘读写头中，仅增加了一个相位板，制作成本很低，很容易实现集成化。在CD、DVD、蓝光光盘读写头中都可应用。 二、近场光存储技术 目前CD、DV

24、D、蓝光光盘读写头中的透镜到盘片的距离都在毫米量级，远大于激光波长，称为远场工作，光斑直径在数百nm1m。 近场光存储试验了多种方案，这里介绍一种最具实用化前景的近场光存储技术超分辨近场结构技术(Super-RENS)。 在常规光盘的记录层上加入三明治结构的非线性开关层（SiN/Sb/SiN），可以方便地实现近场光存储。 激光束在Sb薄膜上由于光热效应产生微小孔径，通过此孔径出射的光透过下保护层入射到记录介质层进行读写操作。 下保护层厚度一般小于50nm，可以精确控制出光口在近场距离。 Sb薄膜是非线性开关掩膜。 在聚焦脉冲激光作用下，光斑中心的Sb首先熔化，光斑边缘能量低，Sb不能熔化。熔化

25、态Sb透射率高，相当于在Sb膜上开了一个透光小孔。在激光脉冲结束后Sb快速凝固而关闭小孔。 三、数字全息光存储是利用光学全息的基本原理进行二值化光学信息页存储的方法。 将欲存储的信息进行数字化编码，经空间光调制器调制而形成二值化光学信息页。 该信息页作为光学全息中的物，将其透过或反射的物光束与参考光束在记录介质中相干形成全息图，全息图也是按页分层存储的。 信息的读出即光学全息的再现。 用满足条件的光束照射全息图，将二值化光学信息页再现，再将其成像到CCD接收面上，转换为视频信号，通过判决电路恢复成原始的数字化信息流。 全息存储可以实现高密度和海量存储。在厚的全息存储介质中记录体全息光栅，将信息

26、存储于整个体积中，使传统的二维存储扩展到三维存储，存储密度约为1012bit/cm3。全息存储是按数据页并行读出和写入，寻址是靠波长选择或光束偏转等实现。因而其数据传输速率和读写速度很高。研究表明，其数据传输速率会超过1GB/s。全息存储采用光致聚合物材料可实现一次写入多次读出，用光折变材料可以实现可擦重写、实时记录。四、光子多维存储技术 CD、DVD、蓝光光盘都是利用写入激光在存储介质上的热效应产生凹坑来记录信号的，是光热存储方式。 存储介质吸收光子使电子产生跃迁或重新分布而达到光存储的目的，被称为光子存储。全息存储也属于光子存储。 光子存储常常采用多维存储(如三维体存储、多层存储、多频率存储等),被称为“光子多维存储技术”。 光子存储密度大、读写速度快，是非常有竞争力的技术。1.双光子光存储技术 双光子吸收是材料的分子同时吸收两个光子而达到激发态的过程。 由于到达激发态所需单个光子