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光盘的历史


中国古代四大发明之一造纸术的发明极大地促进了人类文明的进步,它记载了人类文明的发展史,造就了一批新兴的工业。

随着时代的进步人类经历了割木记事、竹简记书、以及纸张发明以来的活字印刷,到现代磁存储和光存储的广泛使用。下面我们谈谈光存储技术的发展趋势和关键技术。随着光学技术、激光技术、微电子技术、材料科学、细微加工技术、计算机与自动控制技术的发展,光存储技术在记录密度、容量、数据传输率、寻址时间等关键技术上将有巨大的发展潜力。在下一个世纪初,光盘存储将在功能多样化,操作智能化方面都会有显著的进展。随着光量子数据存储技术、三维体存储技术、近场光学技术、光学集成技术的发展,光存储技术必将在下一世纪成为信息产业中的支柱技术之一。


一、光存储技术的发展趋势

以光学、集成光学、光子效应、体全息技术、光感生或磁感生超分辨率等原理为基础的新一代光存储技术将朝着以下几个方向发展:


1.实现低价位DVD系列光盘及驱动器的规模生产

直径为120mm的DVD光盘单面容量4.7GB,双面容量9.4GB,如果改成双面双层,容量可达到18GB,组成了标称容量为5GB、9GB、10GB、18GB的DVD-5、DVD-9、DVD-10、DVD-18的光盘系列,只要这种光盘及光盘机的生产成本能降低到当今CD-ROM或CD-R光盘及光盘机的价位,就足够满足一般信息系统及家用电器的需求。由于DVD系列产品仍以传统的光盘制造技术为基础,基本工作原理没有改变,只是将信息符坑点的尺寸从原来的0.83μm降低到0.4μm,信道间距从原来的1.6μm降低到0.74μm。这种光盘机的结构原理也没有太大的变化,所用的半导体激光器的波长略有缩短,一旦形成规模,成本必将大幅度下降。目前,加工这种高密度光盘母盘及盘片注塑的设备及技术都已完全成熟。 9


2.进一步提高DVD光盘质量、成品率及功能

目前,DVD光盘的成品率,无论是母盘制作还是最终产品的成品率都低于普通CD光盘,从而也影响其生产成本。各种生产光盘的专用加工和测试设备还需要进一步更新,将深紫外超分辨率曝光技术、电子束曝光技术、多层光致抗蚀剂技术、无显影曝光技术、4X或更高速的刻录技术等引入母盘制作,以便进一步提高母盘质量和成品率。DVD光盘及光盘机将在功能上进行改进,首先是多功能化,包括光盘机和盘片的多功能化,即一台光盘机可用于只读、一次写入不可擦除及可直接改写等不同盘片,而盘片也可能作成同时具有只读和可擦写功能。此外随着编码技术和集成电路技术的进步,光盘机的编码及控制软件功能还将进一步改进,将分散的视频、音频、编码、解码、调制、解调、通道控制、伺服控制重新整合成少数芯片甚至单一芯片,不仅能降低成本,还会大大提高系统的可靠性。为了使光盘机使用更方便,其另一改进方向是光盘机的智能,使人一机界面更加简单,操作更为简便。


3.在记录密度不变的条件下提高系统性能

无论是VCD或DVD光盘都可以利用自动换盘系统,组成光盘库、光盘塔、光盘阵列,实现提高整个系统的容量、数据传输率及多数据存储的可靠性。如果将光盘库、光盘塔及光盘阵列与自动换盘系统有机结合,可以大大提高系统容量、数据传输率和显著改善存储数据的可靠性。目前最大的光盘库容量已可达到TB量级(即1012字节)。


4.综合利用其它新技术开发下一代新产品

高密度数据存储技术始终是信息技术和计算机技术发展中不可缺少的关键研究领域,预计到2005年,新型网络系统和第三代多媒体出现时,计算机外部存储容量至少应为100GB,数据传输率至少为40Mbps,现有的各种光盘都不能满足要求,即使上面提到的DVD-RAM光盘系统也与此目标相距甚远。需要采用新技术和新材料,研究开发出新一代高密度、高速光存储技术和系统。虽然目前所进行的研究尚处于实验室阶段。许多理论问题、实验技术问题及工程问题还待深入研究,但从所取得的初步成果中能看出其发展方向包括:

(1)利用光学非辐射场与光学超衍射极限分辨率的研究成果,进一步减小记录信息符尺寸。因光束照射到物体表面时,无论透射或反射都会形成传播场(传播波)和非辐射(隐失波)。传播波携带着物体结构的低频信息,容易被探测器探测。隐失波携带描述物体精细结构的高频信息,沿物体表面传播。只要把这一部分信息扑捉到,就可提高系统的分辨率。

(2)采用近场光学原理设计超分辨率的光学系统,使数值孔径超过1.0,相当于探测器进入介质的辐射场,从而能够得到超精细结构信息,突破衍射极限,获得更高的分辨率,可使经典光学显微镜的分辨率提高两个数量级,面密度提高4个数量级。

(3)以光量子效应代替目前的光热效应实现数据的写入与读出,从原理上将存储密度提高到分子量级甚至原子量级,而且由于量子效应没有热学过程,其反应速度可达到皮秒量级(1O-12秒),另外,由于记录介质的反应与其吸收的光子数有关,可以使记录方式从目前的二存储变成多值存储,使存储容量提高许多倍。

(4)三维多重体全息存储,利用某些光学晶体的光折变效应记录全息图形图像,包括二值的或有灰阶的图像信息,由于全息图像对空间位置的敏感性,这种方法可以得到极高的存储容量,并基于光栅空间相位的变化,体全息存储器还有可能进行选择性擦除及重写。

(5)利用当代物理学的其它成就,包括光子回波时域相干光子存储原理、光子俘获存储原理、共振荧光、超荧光和光学双稳态效应、光子诱发光致变色的光化学效应、双光子三维体相光致变色效应,以及借助许多新的工具和技术,诸如扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、光学集成技术及微光纤阵列技术等,提高存储密度和构成多层、多重、多灰阶、高速、并行读写海量存储系统。实验已证明目前的技术可使光存储密度达到40~100Gbits/in2。


二、光存储发展的关键技术


1.高密、高效、高速的母盘刻录技术

采用短波激光和大数值孔径的物镜,可使道间距减小,比特长度减小,从而可提高光盘的刻录密度;采用脉宽调制,可显著提高记录效率。


2.DVD单面盘的精密注塑及双盘的封装技术

将DVD母盘、模板生产线挑选出的合格模板,用精密注塑机注塑成形,制得的DVD半成品经适当冷却,送入溅射室,根据不同要求,分别溅射金或铅,然后进行粘合剂旋涂、封装、紫外光固化、在线检测、商标印刷等,制成DVD只读光盘。


3.光盘记录介质

DVD-RAM光盘是否稳定可靠,记录介质是关键,而材料设计能否满足高速存储的要求,又取决于记录介质能否在两个稳定态之间实现快速可逆相变。国内外传统相变介质材料设计都是基于激光的热效应,信息写入用液相快淬实现;信息的擦除用晶核形成、晶粒长大来完成。由于热效应是能量积累过程,写入一个比特需较长时间,约几十纳秒,而且介质在经历几十万次的写/擦循环后会出现信噪比下降的热疲劳。

随着记录激光采用短波长,激光的热效应逐渐减弱,而激光光子的激发作用变得突出;所以新的材料设计基于激光的光效应。对半导体类型介质来讲,写入一个比特只要几十皮秒,使记录速率获得数量级的提高。这种基于非线性光学双稳态变化效应的记录介质称为光双稳态记录介质,它可以是无机材料,也可以是有机材料或无机-有机复合材料。

从信息存储的角度看,一张以光形势存储的CD-ROM完全可以看成一种新型的纸。一张小小的塑料圆盘,其直径不过12厘米(5英寸),重量不过20克,而存储容量却高达600多兆字节。如果单纯存放文字,一张CD-ROM相当于15万张16开的纸,足以容纳数百部大部头的著作。

但是,CD-ROM在记录信息原理上却与纸大相径庭,CD-ROM盘上信息的写入和读出都是通过激光来实现的。激光通过聚焦后,可获得直径约为1微米(μm)的光束。

据此,荷兰飞利浦(Philips)公司的研究人员开始使用激光光束来进行记录和重放信息的研究。1972年,他们的研究获得了成功,1978年投放市场。

最初的产品就是大家所熟知的激光视盘(LD,Laser Vision Disc)系统。从LD的诞生至今,光盘有了很大的发展,它经历了三个阶段:

(1)LD-激光视盘

(2)CD-DA激光唱盘(3)CD-ROM

下面简单介绍这三个阶段性的产品特点。


1. LD-激光视盘

它就是通常所说的LCD,直径较大,为12英寸,两面都可以记录信息,但是它记录的信号是模拟信号。模拟信号的处理机制是指模拟的电视图像信号和模拟的声音信号都要经过FM(Frequency Modulation)频率调制、线性叠加,然后进行限幅放大。限幅后的信号以0.5微米宽的凹坑长短来表示。


2. CD-DA激光唱盘

LD虽然赢得了成功,但由于事先没有制定统一的标准,使它的开发和制作一开始就陷入昂贵的资金投入中。1982年,由飞利浦公司和索尼(Sony)公司制定了CD-DA激光唱盘的红皮书(Red Book)标准。由此,一种新型的激光唱盘诞生了。CD-DA激光唱盘记录音响的方法与LD系统不同,CD-DA激光唱盘系统首先把模拟的音响信号进行PCM(脉冲编码调制)数字化处理,再经过EFM(8-14位调制)编码之后记录到盘上。数字记录代替模拟记录的好处是:对干扰和噪声不敏感;由于盘本身的缺陷、划伤或沾污而引起的错误可以校正。


3. CD-ROM

CD-DA系统取得成功以后,这就使飞利浦公司和索尼公司很自然地想到,利用CD-DA作为计算机大容量只读存储器.

但要把CD-DA作为计算机的存储器,还必须解决两个重要问题:

①建立适合于计算机读写的盘的数据结构;

②CD-DA误码率必须从现有的10-9 降低到10-12 以下。由此就产生了CD-ROM的黄皮书(Yellow Book)标准。这个标准的

核心思想是:盘上的数据以数据块的形式来组织,每块都要有地址。这样做后,盘上的数据就能从几百兆字节的存储空间上迅速找到。为了降低误码率,采用增加一种错误检测和错误校正的方案。错误检测采用了循环冗余检测码,即所谓CRC;错误校正采用里德-索洛蒙(Reed Solomon)码。

2008-1-10

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