自从20世纪80年代首次提出Ge-Sb-Te可以应用于相变光存储介质以来,相变可擦重写型光盘(简称相变光盘)得到了迅速的发展和应用,相继经历了以CD-RW、DVD-RAM与DVD±RW、HD-DVD或蓝光光盘为代表的三代可擦重写型光盘。为适应通信网络、数字广播以及将来数字电视日益增加的爆炸式数字信息容量,存储容量更大的相变光盘将成为今后光存储领域的研究重点。
相变可擦重写型光盘
利用记录材料的相变,实现信息的记录和擦除写入的一类光盘。
- 英文名称
- phase change erasable rewritable optical disk
- 所属学科
- 光学工程
相变光盘中相变材料的初始状态为晶态。存储信息时,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109~1010℃/s的冷却速率快冷后转变为非晶态相。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融化温度之间,相变材料再通过成核生长完成晶化,光照区域又回到晶态。由于相变材料处在非晶态时放射率较小,处在晶态时反射率较大,因此可以利用这种反射率的差别实现信息的写/擦操作。信息读出是以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,用光电探测器检测其反射光并将其转化为电信号的方法进行的。
在相变光盘的写/擦过程中,所用激光束的能量密度很高,且对相变材料要反复作用,因此对相变材料的要求很高:①可记录性。要求材料由液相急速冷却时易形成非晶结构。②耐久储存和可擦除性。耐久储存要求材料在室温或较低运作温度下具备抗结晶的能力,而可擦除性需要材料在高温下进行快速结晶,这二者彼此冲突,需要寻求一个最佳的平衡点。③可读取性。可读取性要求记录层材料晶态和非晶态的光学参量相差大,以获得合适的光盘载噪比。④重复擦写特性。要求光盘多层薄膜的某一特定区域在经过反复结晶及非晶化行为后仍能保持很好的稳定性。
用于相变光盘的相变材料大多由元素周期表中III—IV族的一些半导体元素构成,实际应用最多的是Te基和InSb基合金。
由于Te基合金具有合适的光学、热学和晶化性质,长期以来一直被认为是最有发展前途的相变光存储材料之一。Te基合金主要有:GeSbTe、GaSeTe、SeSbTe、SeInTe、SeSnTe、SeCuTe、GeAsTe、GeSeTe、GeSnTe、GeTeOx、SnTeOx、GeSbTeN、GeSbTeS、GeSbTeSe、GeSbTePd、GeSbTeCr、SbTeAg、InSbTe、GeSnSb、GeSbTeO、GeSbTeO(N)、GeSbTeAg、GeSbTeSn、GeSbTeB、GeSbTe(Fe;Zn;Bi)、GeSbTeBi(B)、GeSbTeIn和Te-Ge-Sn-Au等。
以上这些Te基合金各有所长,其中,光存储性能最好的是Ge2Sb2Te2三元合金,其主要性能参量如表1所示,它也是商品化相变光盘中用得最多的记录材料之一,已成为DVD-RAM和蓝光光盘的首选记录材料。
性能 | 参数 |
结晶温度 | ~180℃ |
融化温度 | ~600℃ |
结晶时间 | 50ns;沉积态:非结晶 |
结构特征 | 低温(~<300℃):NaCl型面心立方(FCC) 高温(~>300℃):六方密堆(HCP) 短脉冲激光退火( <几百纳秒),均为fcc< span> |
晶格常数 | FCC,a=0.601nm;HCP:a=0.4216nm;c=1.7174nm |
结晶活化能 | 非晶→FCC2.1~2.4eV;FCC→HCP3.4~3.8eV |
结晶机理 | 成核-生长模式为主 |
热传导率 | 0.058J·cm-1·K-1·s-1 |
比热容 | 0.21J·g-1·K-1 |
密度 | ~6.15g·cm-3 |
InSb基合金也较引人注目,特别是Ag-In-Te-Sb四元合金,由于其晶态的反射率较高,写入功率较低,已成为可擦重写光盘(CD-RW、DVD-RW)的首选记录材料。
Ag-In-Te-Sb系相变材料是以三元合金AgInTe2为基础发展起来的。热致Ag-In-Te-Sb相变材料的结晶机理是直接的晶粒生长,晶态中可能出现的晶相有:六方Sb相、四方AgInTe2相和立方AgSbTe2相。而激光致结晶晶相中比热致结晶又增加了立方相Ag2Te。
按照光盘的记录波长逐渐减小和数值孔径逐渐增大的发展路线,相变光盘从最早的第一代CD系列光盘,发展到第二代DVD系列光盘,蓝光系列光盘产品逐步进入市场,成为第三代相变光盘的最典型代表,如表2所示。
参量 | 类型 | ||
CD系列 | DVD系列 | 蓝光系列 | |
存储容量(单面单层)/GB | 0.65 | 4.7 | 23.3/25/27 |
最大允许的记录面/层数量 | 1/1 | 2/2 | 1/2 |
激光波长/λ | 780 | 650 | 405 |
数值孔径/(NA) | 0.45~0.5 | >0.6 | 0.85 |
数据传输速率I(Mbit·s-1) | 1.2 | 11或22* | 36 |
光盘直径/mm | 120 | 120 | 120 |
光盘盘基厚度/mm | 1.2 | 0.6 | 1.1 |
记录机理 | 相变型 | 相变型 | 相变型 |
记录方式 | 凹槽记录 | 凹槽记录或台/槽记录* | 凹槽记录 |
道间距/µm | 1.6 | 0.59~0.74 | 0.32 |
最小记录位长度/µm | 0.83 | 0.28~0.44 | 0.160/0.149/0.138 |
记录密度/Gbit | 0.25 | 2.0 | 16.8/18.0/19.5 |
擦写循环次数 | >1000次 | >1000次或>105次* | >1000次 |
数据刻录速度 | (1~24)×CD | (1~8)×DVD | 1× |
调制码 | 8-4调制(EFM) | 8-4调制(EFM+) | 17PP |
纠错码 | 交叉穿插里德-所罗门码(CIRC) | RS-PC | Picket code |
视频存储格式 | MPEG-l视频 | MPEG-2视频 | MPEG-2视频 |
音频存储格式 | 二声道 | AC3、5.1声道 | AC-3、MPEG-l、Layer-2,等 |
视频与音频格式 | MPEG-l视频 | MPEG-2视频 | MPEG-2编码数据流 |
光盘保护盒尺寸 | 无 | 无 | 约129×131×7mm3 |
*指DVD-RAM的参量。 |
真正意义上的第一代相变光盘出现于1996年初,由理光、飞利浦、索尼等公司建立的工业论坛发布了新的可擦写CD标准,称之为CD-RW,该标准由理光大力发展,于1996年出台了橙皮书的第三部分,从此CD-RW标准(1.0版本)才被正式定义,并且已得到众多公司和用户的普遍支持。
与一次记录型光盘(CD-R)相比,CD-RW光盘的主要特点有:
①可重写,无需把所有数据内容擦除之后再进行数据刻录,而是采用直接重写的方法。
②价格更高。
③写入速度慢,CD-RW的写入数据过程必须使相变合金材料熔化,经过快冷过程实现。
④反射率更低,非晶态的约为5%,而多晶约为20%。
⑤采用与CD相同的EFM调制方式和CIR检纠错方法。
⑥采用CD-UDF(通用磁盘格式)文件结构,可以进行文件的复制、删除等操作,方便灵活。
⑦CD-RW也可在ROM驱动器读取,应用前景广泛。
相对于CD系列相变光盘来讲,DVD系列相变光盘的发展历程就复杂曲折得多,由于不同公司各自利益的冲突导致了DVD市场中出现了多种DVD刻录格式。最具有代表性的三种可擦写DVD刻录格式分别是DVD-RAM、DVD-RW和DVD+RW。
最原始的DVD-RAM技术是从松下的PD(Phase-change Disk)演变而来,是官方认可的可擦写型DVD格式之一。1997年,DVD论坛就DVD-RAM存储标准达成一致意见(1.0版本)。1998年,DVD刻录市场中首先出现了DVD-RAM。2000年,颁布DVD-RAM的国际标准(2.1版本)。DVD-RAM具有向下兼容性,DVD-RAM光盘可在DVD-ROM中读取;调制编码和纠错编码与DVD-ROM相同;采用区域等线速率盘的典型结构(ZCLV)存取方式;同一区内数据的写入与读出采用等角速率(CAV)方式;台-槽记录格式;擦写循环次数为105次;数据保存时间大于30年;数据的格式上与硬盘数据相类似。因此,它可以像硬盘一样对数据进行随机读写,反应速度较快,这是DVD-RAM的优势。但正是由于这种类似硬盘的读写模式,DVD-RAM光盘在使用前需要先快速格式化,并且使用一段时间后,也要做文件重组工作,以提高DVD-RAM的利用率。
DVD-RW标准是由先锋公司于1998年提出的,并得到了DVD论坛的大力支持,其成员包括苹果、日立、三星和松下等厂商,其1.1版本的正式标准于2000年完成,是官方认可的可擦写型DVD格式之一。DVD-RW的刻录原理和CD-RW刻录类似,采用CLV的刻录方式。DVD-RW的优点是兼容性好,它提供了两种记录模式:视频录制模式和DVD视频模式。前一种模式功能较丰富,但与DVD影碟机不兼容,后一种模式刻录的数据则可以在影碟机上进行播放。DVD-RW的最大缺点是格式化一张光盘需要花费一个半小时的时间,而将4.7GB的数据存储在一张DVD-RW光盘上则需要1个小时以上。
DVD+RW光盘结构与DVD-RW的相似,它是由DVD+RW联盟的七个成员(飞利浦/索尼/雅马哈/三菱化工/理光/惠普/汤普森)联合开发的。2004年6月,颁布了DVD+RW视频格式标准的2.1版本。遗憾的是DVD-RW和DVD+RW两种规格并不兼容。DVD+RW的规格虽然并不属于DVD论坛的正式规格,但它获得了微软公司支持的DVD刻录标准。
DVD+RW的主要特点有:
①激光波长650nm,与DVD视频相同。
②单面容量4.7GB、双面容量9.4GB。
③CLV(恒线速度)和CAV(恒角速度)刻录方式。
④通用磁盘格式(UDF)文件系统。数据的读写性能要强于DVD-RW。
⑤快速格式化。具有后台格式化功能,一分钟后就可开始刻录数据,使用速度最快。
⑥具有与DVD-RAM相似的易用性。
⑦与DVD-RW相比,具有防刻死技术、纠错管理功能、对已刻录出的DVD视频盘片可导入再编辑的功能、类似CD刻录中的格式化拖拽式刻录方式、光盘刻录封口时间短等优点。
⑧无损失的链接。DVD+RW联盟加入了“无损链接”技术,分次刻录也不浪费盘片空间。
⑨顺序刻录或随机刻录。数据可以随机写人,非常适合处理视频图像的应用。
⑩刻录成品的所有物理参量均符合DVD-ROM规范。DVD+RW是与现有的DVD播放器、DVD驱动器全部兼容的可重写格式。
光存储领域两种互不兼容的技术标准之争(DVD-RW与DVD+RW)严重阻碍了可擦写DVD产品在全球的市场推广。2002年初,DVD论坛的主要成员为了结束可擦写DVD标准之争给业界引起的混乱和争执,DVD论坛指导委员会的9个成员(日立、LG电子、松下、先锋、飞利浦、三星、夏普、索尼和汤姆逊多媒体公司,即通常所说的9C)最终宣布支持采用蓝色激光的存储技术,制定出了新的高密度光盘标准一一蓝光光盘(BD),作为采用红色激光存储技术的各类DVD标准的取代者。三菱电子、戴尔、惠普和TDK先后宣布支持BD,与9C共同宣布成立蓝光光盘协会。可擦写BD标准是2002年6月颁布的蓝皮书1.0版本。但是,东芝公司却反对制定与当DVD论坛支持的DVD格式不相同的新技术标准,并与NEC公司联手在2003年6月推出了蓝光DVD存储技术的新技术标准-AOD标准,后更名为HD-DVD,之后戴尔、惠普、微软等IT企业巨头也加入进来,HD-DVD已成了“DVD论坛”的通用标准。HD-DVD与BD相比具有一定的市场优势,它可以继续使用红光DVD生产设备进行生产,从而节约投资成本;但其容量要低于BD,无法满足更高容量存储的要求。HD-DVD与BD格式完全不兼容,阻碍了其市场开拓。
BD光盘的主要技术特点如下:
①激光波长更短——405nm,数值孔径更大——0.85。
②存储容量大,分别是同样大小CD和DVD系列相变光盘存储容量的41.5和5.7倍。
③数据传输速率快,可达36Mbit/s,分别是CD和DVD系列相变光盘的30和3.3倍。
④槽内记录格式,较容易实现只读光盘和可录光盘之间的兼容性,使光学头简单化。
⑤光盘盘基厚度为1.1mm,保护层厚度为0.1mm,激光直接从透明保护层一侧入射,这与传统的CD、DVD光盘正好相反。
⑥在寻址方式方面,采用由MSK(最小频移键控)方式和STW(锯齿摆动)方式组合而成的摆动寻址方式,提高了地址信号读取时的翘曲容许度和聚集误差容许度。
⑦新的调制码——17PP码。17PP码具有较长的通道位长度和较高的码率、极性保持特性、最小跳变游程重复控制特性等特点,比(1,7)RLL码对切向倾斜的敏感度要小。
⑧新的纠错码,它与DVD系统中采用的RS-PC码相比较,纠错能力更强。
⑨具有高质量的版权保护功能。
⑩BD的缺点是需要新的制备设备以及光盘需配备保护盒,成本较高。因为BD的保护层仅有0.1mm,耐伤、抗污性非常脆弱,因此需要寻求新的技术替代保护盒。
BD–RW的高密度存储单元需要足够小和均匀的纳米晶来满足其对记录数据的识别,故对可擦写蓝光光盘用高速相变材料提出了更大的挑战,需要同时满足快速晶化和较高的晶化温度这两个看似矛盾的要求,GeSbTe类高速相变材料以形核为主的晶化所决定的纳米晶特征可以满足蓝光高密度存储的要求,筛选时更多地还是要考虑像Ge这样的四面体短程序与像Te这样的八面体短程序的比例问题。
以东芝公司为首的HD-DVD阵营虽然也采用蓝光技术,但是在很多技术标准方面与BD存在差异,致使这两面蓝光技术互不兼容。与BD相比,HD-DVD的主要技术特点有:
①激光波长与BD一样,也为405nm。
②数值孔径小——0.65,有利于扩大光盘和物镜之间的工作距离,与DVD相兼容。
③盘片仍采用两片厚度为0.6mm的覆盖层结构,便于继续用现有DVD光盘的生产设备,储存的数据易于保存,不需要光盘盒等,也与DVD相兼容。
④采用台-槽记录方式。采用此方法的平均格式效率可达到81.6。
虽然蓝光光盘具有一系列的技术优势和非常美好的应用前景,但由于其技术标准并没有得到统一,因此蓝光光盘技术的普及可能需要比原有DVD更长的时间。
光盘存储具有存储密度高、容量大、可随机存取、保存寿命长、工作稳定可靠、轻便易携带等一系列其他记录媒体无可比拟的优点,特别适于大数据量信息的存储和交换。光盘存储技术不仅能满足信息化社会海量信息存储的需要,而且能够同时存储声音、文字、图形、图像等多种媒体的信息,从而使传统的信息存储、传输、管理和使用方式发生了根本性的变化。IDC(国际数据公司)机构移动存储专业部调查总监沃尔夫冈评论称,个人数码视频、高清晰度电视及专业文档图像类的应用将促使光存储技术得以长足发展。
与CD、DVD系列可擦写相变光盘相比,蓝光光盘由于具有更大的存储容量、更快的数据传输速率,其应用领域将得到大大拓展。蓝光光盘将为高质量音频、视频和数据存取提供使用方便的技术平台,是宽带时代信息发行多样化的重要产品,它同时是推动新一代高清晰度数字地面广播,以及各种高画质数字媒体发展的重要媒介,未来它甚至可以被应用在PC(个人计算机)存储。单面单层5英寸蓝光光盘的27GB存储容量可以记录2小时的高清晰度数字视讯,以及超过13小时的标准电视视频资讯。另外,在资料安全性部分,蓝光光盘也采用了一种独特的ID(识别码)写入模式,可确保资料安全,并为盗版问题提出一套保护版权的解决方案。
蓝光光盘的超高存储密度已促使一些厂商将这一高密度光存储技术瞄准了未来的移动应用市场。飞利浦公司在2002年7月向世人展示了采用最新的蓝光DVD技术研发的袖珍型存储产品原型,该盘片直径只有3cm(比硬币略大),存储容量却高达1GB,驱动器的尺寸也非常小,足以将其轻松地植人数码相机、掌上电脑甚至手机等设备当中。
由于不同系列相变光盘的制备工艺基本相似,在此仅以CD-RW相变光盘的制备过程为例加以简单介绍。CD-RW盘片的生产主要包括注塑、真空溅射、旋涂硬化保护层、初始化和质量检测。其中比较关键的几个工艺过程是:①盘基的制备和压制。要求盘基有较低的双折射、无斑点及其他缺陷,在压制盘基的过程中一定要保持母盘的清洁,否则压制的盘基将不能通过在线检测仪。常用的母盘清洗方法有:微粒清洗方法(浸泡池)、超声波清洗、电解槽清洗、旋洗与旋干;②介质层、相变材料层和反射层的制备。要求各层薄膜厚度的一致性要好且要控制好缺陷;③保护层的旋涂与固化。采用紫外光来固化保护层时应满足以下几点基本要求:高的固化质量、翘曲的控制、连续固化的效果、短的曝光时间、加工可靠性高等;④光盘的初始化。初始化是把激光聚焦在盘片上,使相变层加热而结晶,从而使反射率高到能实现聚焦与轨道伺服,也可降低光盘的噪声。
衡量相变光盘记录性能的主要指标包括:载噪比、写入功率、擦除功率、擦除率、抖晃、串扰或串擦、直接重写循环性、眼图、数据传输速率、记录畴形貌等。通常情况下,要求可擦重写相变光盘具有高的载噪比、擦除率和数据传输速率,直接重写循环性好,写入功率、擦除功率、抖晃和串扰低,眼图的张开程度大,记录畴规整均匀。
光盘载噪比的高低直接影响到光盘的读写擦等性能。通常,为了获得高的载噪比,相变光盘一般被设计成具有大的反射率对比度,也就是记录膜处于晶态时的反射率高,而非晶态的反射率低。通过降低噪声水平可以提高载噪比。
抖晃的定义是:记录斑边缘位置的波动或标准偏移。对于相变光盘来说,抖晃性能是一个很重要的衡量参量,抖晃值越低越好。但由于受多种因素的影响,相变光盘的抖晃往往会比较高,如低的擦除率、晶态与非晶态间吸收性能的差异、热干扰或信息间的干扰以及记录介质中针孔的增多等都会使抖晃升高。
晶态与非晶态间吸收性能的差异是造成抖晃升高的主要原因,另外槽深、散焦和径向摆动引起的偏差、写入脉冲波形对抖晃也有影响。因此,要想降低抖晃,首先就要从控制晶态与非晶态间吸收率的差异入手。控制吸收率就意味着控制晶态与非晶态的温度升高,由于热延迟效应的存在,可以通过使晶态的吸收率比非晶态的略高来减小两相间温度升高的差异。另外,抖晃与结晶速率密切相关,如果结晶速率不能快得足以和光盘的转速相匹配的话,将使原来的非晶畴不能完全结晶而遗留下尾巴,显然会使抖晃升高。
串扰指的是某一信道的信息受相邻道上信息的干扰。串擦是指擦除某一道内的信息时由于热扩散使相邻道因温度升高而使部分信息被擦除。
由于光盘的道间距比较小,特别是高密度光盘要求道间距尽可能小,因此道间的串扰/串擦是不可避免的,但可以通过各种途径减轻道间的串扰/串擦。台-槽记录可以抑制道间串扰,但台和槽的深度要精密恰当地选择。在光路中插入屏蔽带能降低道间串扰,如光学滤光器能有效减轻道间串扰,但要合理设计并准确控制滤光器的形状。光盘预刻槽的几何形状对串扰影响也很大,深槽和陡的槽侧壁能减轻串扰。影响串擦的因素有:槽间距、写入功率、记录材料的热传导率,热扩散比激光对相邻槽的直接加热更强;采用导热性很好的金属层作为反射层以及高转速有利于减轻串擦,并且槽记录对串擦的影响比台记录大。
由于受记录材料本身的性能、记录材料的结构变化、多层膜结构和记录激光脉冲宽度、记录膜局部区域厚度的变化和针孔的产生等因素的制约,相变光盘的直接重写循环次数往往很低,因为记录膜的材料受激光束照射后产生的热量不能快速扩散,轻则使记录膜熔化而沿着记录道缓慢流动,严重的则产生记录层的破裂剥落。保护层的热变形和熔化区因温度梯度产生的表面能差异往往被认为是造成记录膜流动的原因。
在记录膜内掺杂高熔点的组分可以有效阻止记录材料的流动,因为高熔点材料实际上起到了障碍物和支撑柱的作用,不但可阻止记录材料的流动,还起到阻止保护层变形的作用。在记录层与介质层间添加阻挡层也能改善重写循环性能,添加阻挡层改善了记录层与介质层间的黏附力,也阻碍了记录层原子的扩散和迁移,阻止了记录层性能的恶化。阻挡层材料主要有:ZnS、GeN、AlOxNy、HfOxNy、Si3N4和In-SnOx等。
高密度和高数据传输速率是相变光盘两大重点发展方向。但是,随着记录速率的增加,记录材料温度保持在结晶温度以上的时间就会减少,这正是实现相变光盘高速重写的瓶颈所在。最大数据传输速率是由记录层的结晶速率决定的,而结晶动力学从根本上依赖于相变材料的组成,也受记录层厚度、掺杂及介质层的类型影响。因此,要想获得高的数据传输速率,需要解决的主要问题是让记录材料有足够的时间进行成核与生长。
除了提高光盘转速和记录密度外,光盘数据传输速率的提高依赖于光盘结构和热学性能的优化设计,以便进一步减小写入和擦除时间。主要方法有:吸收控制法,即记录层晶态的吸收率被设计成比非晶态的大些,此法可提高晶态相变材料的热吸收效率,减小写入时间;快速结晶法,采用SiN、AlN、SiO2和SiC等包夹GeSbTe记录层,界面处的成核得到了促进,缩短了擦除时间;吸收控制快速结晶法,综合了上述两种方法的优点。采用结晶速度快的新型相变材料能够大幅度减小擦除时间,提高数据传输速率,如以Sb2Te3和GeTe层相互间隔重复排布的类超晶格结构为记录材料,使数据传输速率高达140Mbit/s。
引导光存储领域不断向前发展的一条主线是如何提高存储密度。用于增加相变光盘存储密度的三种主要方法是:短波长+高数值孔径(包括固体浸没透镜技术),SIL+近场技术,对面记录非常有效;多层记录,形成体存储;多级记录,突破传统的“0”“1”记录模式。
针对缩短记录激光波长的主要工作集中于蓝绿光激光器的研制开发上,特别是GaN和ZnO半导体激光器。如果进一步缩短记录激光波长至紫外波段,可使存储密度更大,但塑料盘片还不能透过这么短的波长,因此要首先研究开发出新型衬底材料,以适应超短波长记录的需要。
增加数值孔径同样可增加存储密度。但是随着数值孔径的增大,如何把聚焦光斑准确定位在高速旋转的光盘记录槽上将变得越来越困难。当数值孔径变得更大时,盘片的散焦和翘曲、衬底的厚度和折射率变化都会降低写入和读出性能。
SIL技术主要通过提高物镜的数值孔径获得高的分辨率,利用可见光可以达到亚100nm的分辨率。双元件物镜可获得高的数值孔径,其优点是通过控制两个物镜间的距离来抵消由于盘片厚度变化产生的偏差,从而实现球形偏差补偿。但是双元件物镜要求组装技术非常精密,比如两个物镜的偏心必须控制在10µm以内,并且它的工作距离很短(75µm)。当SIL的数值孔径为1.36时,采用蓝光记录的存储面密度可达到50Gb/in2。
高数值孔径的单元件物镜能够克服双元件物镜的缺点,其特点是工作距离大(0.7mm)和不需组装过程等。与双元件物镜相比,单元件物镜的表面制备要求更为精密,因为球面与平面间的偏心和厚度误差将分别产生彗形像差和球面像差。不过彗形像差可由同步的新的补偿光学器件、精密的制备技术和类圆柱形彗差补偿器共同补偿,球面像差则由伺服电路自动补偿。
近场光学存储技术主要以超分辨近场结构(SRENS)技术为主,可实现纳米位的存储,其类型主要有两种:孔径型和散射型。孔径型SRENS主要采用Sb薄膜作为掩模层,通常条件下掩模层是结晶状态,不透明,如果受强激光照射,将变成非晶相,其折射率发生变化,从而变得透明,这样就在掩模层上的光斑中心点形成微小的光学孔径。而散射型SRENS用AgOx、PtOx、Zno和Au-SiO2作掩模层,其机理主要与掩模层受强光照射分解后形成纳米颗粒或是薄膜中本身就含有纳米颗粒有关,这些纳米颗粒即是近场光的发生源,使近场局部的光密度或非线性效应得到大大增强。
多层光盘的概念最早由Rubin等于1994年提出。由于多层记录可与短波长和高数值孔径物镜等上述高密度记录方法相结合,因此它是一种很有吸引力和发展前景的光存储技术。其主要特点是分别制备在PC衬底上的两层用紫外固化胶把它们黏结在一起,对于层1(靠近激光束的一侧)和层2,信号的读出都是从同一个方向进行的。双层光盘层1的记录和读出性能不受层2的影响,而层2则受层1的影响非常大。因此双层光盘的膜层设计主要围绕第一层进行,应考虑以下几个问题:首先要保证第一层有足够高的透射率;第二层要有足够高的记录灵敏度和反射率;两层的记录性能相当,且相互间的影响要最小。
使用蓝紫色激光光源,能够在双层架构上实现45GB,以及在四层架构上实现90GB的容量。另外,据日本媒体的报道,索尼研发单片“蓝光”光盘上可容纳多达八层数据记录层的新技术,是现有“蓝光”标准的数倍。
多级记录首先于1997年在相变电子转换存储装置中提出。由于多级存储能在不改变读出装置和记录畴尺寸的情况下增加记录密度,因此也受到了广泛的重视。
相变光盘多级记录的方式之一是畴径向宽度调制(MRWM)记录,其记录方法是:采用特殊的激光脉冲和能量获得不同级的记录畴,且保证每一级记录畴的长度相同,而其径向宽度不同;若以初始态为级0,从级1到级3的径向宽度逐渐增加,可实现四级记录。级1、级2和级3的径向宽度分别为级0的1/3、2/3和1倍。不同状态之间的相互组合可以大大提高存储密度。
与MRWM有所不同,采用控制记录畴长度(RLL)的方法也实现了多级记录,记录原理基本与MRWM相同,也是通过调整写入功率的强度和脉冲时间的长短来控制非晶畴的尺寸,在保持记录畴宽度基本相同时,通过调整非晶畴的再结晶程度来控制最终的非晶畴尺寸,从而最终控制反射率的大小来实现多级记录。
相变光盘将继续围绕增加存储容量和提高光盘的数据传输速率两条主线发展,在基础之上继续缩短记录激光波长至紫外波段和增加光学头的数值孔径固然非常有效,但是在实用化方面仍存在很多困难,还受到许多制约因素的限制。多级记录存储技术虽然很有发展潜力,还处于研究的初级阶段,有待进一步研究开发。近场光存储技术由于和光盘兼容性好,只需在光盘结构上做些调整即可,但还存在光盘载噪比偏低等缺点,仍需要对此做大量研究工作。多层光盘存储技术至少可以使光盘的容量加倍,由于多层记录还可与短波长和高数值孔径物镜等高密度记录方法相结合,因此它是一种很有吸引力和发展前景的光存储技术,多层光盘存储技术已与近场存储技术共同成为光存储领域的研究重点之一。
扩展阅读
- 干福熹.数字光盘存储技术.北京:科学出版社,1998.
- 干福熹.新型高密度光学数据存储材料和技术研究进展.中国基础科学,2001,4-9.
- 孙明达,汪镜.可擦写光盘用高速相变材料.记录媒体技术,2008,35-36.
- 刘波,干福熹.高密度双层记录光盘的研究进展.激光与红外,2003,33(3):167-171.