光电子技术基础第九章光盘与光存储技术.doc
第9章 光盘与光存储技术信息的采集、传输、处理、存储与显示是互相关联、密不可分的。光信息系统中不仅 需要信号的产生、加载、传输、接收,还常常需要把所获得的信息记录下来,以便长久保 存或交流。光存储系统就是完成这一使命的信息光电子系统。一页文字占2KB,一页黑白 图片占20KB,一页彩色图片占4MB,一首MP3歌曲占3~4MB,随着人们对记录内容与质量 的要求不断提高,光存储的容量要求越来越大。从家用上来讲,人们已经从纸张、胶卷、 磁带、磁盘记录,经由650MB的CD、VCD,步入到4.7GB、9.2GB的DVD等记录方式上来, 单盘记录的容量扩大了很多量级;而科学上,哈勃望远镜传回的数据量达到每天10TB;随 着互联网的日渐普及,每天人们的信息下载量越来越大,电子商务的兴起又使商业系统数 据备份量也在飞速增长。因而21世纪要求记录密度达到TB量级,这无疑给信息存储提出 了严峻的挑战。海量信息存储的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。 目前国内外有关方面的研究都很热,成为光通信以来的新热点之一,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 前信息存储技术中的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。磁记录是利用磁头在磁盘上进行信息的读、写、擦,其结构要素包括磁记录介质和磁 头。记录介质包括软盘、硬盘、磁带,近年来磁带已日渐稀少,软盘主要是1.44MB 3.5 英寸盘。具有高密度存储性能的硬盘采用磁阻(magnet0—resistive)或巨磁阻(giant magnet0—resistive)磁头,面密度已达 ,精密加工技术使得气浮磁头与盘片 2 / 1 . 4 in GB 间距由最初的mm级降到30nm。近年,通过改进工艺、优化膜系、降低磁头飞行高度,硬 盘的存储容量已由50MB、500MB发展到主流60GB以上,并将很快逼近其物理极限——超顺 磁性限制(super paramagnetic limit)面密度 。磁光记录是利用激光退磁,偏 2 / 40 in GB 置磁场在磁光盘上进行信息的写入,属于半磁半光的混合型记录,但从物理过程来看,仍 然是磁记录,是激光辅助下的磁记录:激光引起记录区的矫顽力下降,使得磁存储更容易 进行。磁光存储器件为磁光盘MD,包括2.5英寸、3.5英寸与5.25英寸等规格。全光记录是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,其结构要素包括光记录介质和光头。光记录介质包括一次性压模的CD、DVD,一次 写入型CD.R、DVD.R,以及相变光盘CD—RW、DVD—RW等。CD存储容量650MB,DVD为 4.7GB、9.2GB。光头以往常采用红外波段作为记录波长(如850nm),目前逐渐向短波长 方向推进,因而记录密度不断加大。光记录的密度受到衍射极限限制,但仍可以是磁记录 的百倍之上,因而成为信息领域中的重大科学技术前沿之一和TB级存储技术的主要发展方 向,其中由于存储技术的核心是记录媒质——光盘,不同的光盘需要采用不同的存储技术, 光盘存储已成为光电子产业的主要支柱(1998年全世界产值在300亿美元以上)。为此,本 章有关存储技术的学习围绕光盘展开。9.1光存储与光盘光存储包括信息的“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 (直径一般在微米量级以下)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99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与未 记录区反射率的差别,通过解调取出所要的信息的过程。衬盘上淀积了记录介质及其保护膜的盘片就是光盘。光盘具有以下优点:(1)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能存储的二进制位数8。前者称线密 度,后者是面密度。光盘的线密度一般是 ,面密度一般为 mm B/ 10 3 ~ 10 5 2 6 / 10 mm B(2)数据传输速率高数据传输速率可达每秒几至几十MB量级,并最终希望达到每秒GB、TB量级。(3)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, 因此寿命很长,一般在10年以上。(4)信息位价格低一张CD光盘650MB,仅需5~10元,每MB仅需几分钱;一张DVD容量4.7GB,10元 左右,每MB不足l分钱。(5)更换容易自美国ECD及IBM公司共同研制出第一片光盘以来,光盘经历了四代:(1)只读存储光盘(read only memory,ROM)这种光盘中的数据是在光盘生产过程中刻入的,用户只能从光盘中反复读取数据。这 种光盘制造工艺简单,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—Audi0、CD—ROM、VCD、DVD—Audi0、DVD—ROM、DVD—Vide0。(2)一次写入多次读出光盘(write once read many,WORM)这种光盘具有写、读两种功能,用户可以用专门的CD—R刻录机向光盘中一次 性写入数据,但写人数据后不可擦除。常见的有:CD—R、DVD—R。(3)可擦重写光盘(rewrite,RW)用户除了可在这种光盘上写入、读出信息外,还可以将已经记录在盘上的信息 擦除掉,然后再写入新的信息;但擦与写需要两束激光、两次动作才能完成,即先用 一束“擦激光”将某一信道上的信息擦除,然后再用另一束“写激光”将新信息写入。(4)直接重写光盘(overwrite,OW)这种光盘上实现的功能与可擦重写光盘一样,所不同的是,这类光盘可用同一 束激光、通过一次动作就擦除掉旧信息并录入新信息,也就是说在写入新信息的同 时旧信息自动被擦除,无需两次动作。目前,前两类光盘应用最为广泛,RW光盘也已商用化,但OW光盘尚未大规 模上市,需要进一步开发。 9.2只读存储光盘 9.2.1 ROM光盘存储原理图9—1是只读存储光盘的存储原理示意图。 图9—1 ROM刻录不意图将事先记录在主磁带上的视频或音频信息通过信号发生器、前置放大器去驱动电光或 声光调制器,使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(又称印模,stamper),然后再经过“2P”注塑形成ROM光盘,总的制备过程 示意图如图9—2所示。 图9-2 ROM光盘制备过程示意图 9.2.2 ROM光盘主盘与副盘制备ROM光盘的主盘与副盘制备一般经过如图9—3所示工序。 图9-3 ROM主盘、副盘制备工序(1)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; 在此衬盘上滴以光刻胶,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。(2)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。若衬盘以恒定角速 度旋转,同时刻录机的光学头沿径向