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光电子技术基础与应用 第六章 光盘与光存储技术 第二十、二十一、二十二讲

物理与微电子科学学院. 光电子技术基础与应用 第六章 光盘与光存储技术 第二十、二十一、二十二讲. School of Physics and Microelectronics Science. 2013 年 02 月. 8.1. 8.2. 8.5. 8.3. 8.4. 8.6. 光衰减器. 光耦合器. 光波分复用器. 光隔离器. 光开关. 光纤连接器. 第二十讲. 光通信无源器件技术（回顾第十九讲内容）. 8. 偏振角变化 90°. 法拉地旋转器. 偏振器. 偏振器.

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光电子技术基础与应用 第六章 光盘与光存储技术 第二十、二十一、二十二讲

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  1. 物理与微电子科学学院 光电子技术基础与应用 第六章 光盘与光存储技术 第二十、二十一、二十二讲 School of Physics and Microelectronics Science 2013年 02 月

  2. 8.1 8.2 8.5 8.3 8.4 8.6 光衰减器 光耦合器 光波分复用器 光隔离器 光开关 光纤连接器 第二十讲 光通信无源器件技术（回顾第十九讲内容） 8

  3. 偏振角变化 90° 法拉地旋转器 偏振器 偏振器 图 8-40 微型空间型偏振相关光隔离器典型结构 8.5.1 光隔离器元件 8.5.2 光隔离器（Isolator）的结构与工作原理 8.5.3 光隔离器的性能指标 • 插入损耗 • 反向隔离度 • 回波损耗 • 偏振相关损耗 PDL • 30dB 隔离度带宽 • 偏振模色散 PMD • 来源偏振器、法拉第旋转器和光纤准直器插损。 • 偏振相关光隔离器插损： • 光从隔离器输出端入射时，输入端反向出射光功率与入射光功率比值： • 表征：隔离器对反向传输光衰减能力； 正向入射到隔离器中光功率与沿输入路径返回隔离器输入端口光功率比： • 输入光偏振态变化，其它参数不变，器件插入损耗最大变化量； • 衡量器件插入损耗受偏振态影响程度指标，在折射率突变界面上。 • 以30dB带宽表示光隔离器能覆盖工作范围， • -20~20nm左右。 • 指：通过器件信号光不同偏振态间相位延迟。 • 偏振无关光隔离器中双折射晶体产生两束线偏光以不同相速和群速度传输，形成色散——偏振无关隔离器偏振模色散PMD， • 用双折射晶体中两束线偏振光光程差L表示：

  4. Pim Pi Pin 8.6.1 光开关的特性参数 8.6.2 机械式光开关 8.6.3 MEMS 式光开关 8.6.4 集成光波导式光开关 8.6.5 半导体光波导开关 8.6.6 液晶光开关 • 插入损耗 • 回波损耗（反射损耗或反射率） • 隔离度 • 远端串扰 • 近端串扰 • 消光比 • 开关时间 输入和输出端口间分贝表示光功率↓： 输入端返回光功率与输入光功率比值，分贝表示。 i端口输入m端口测得光功率与相隔离n端口输出光功率比值， 分贝表示。 光开关接通端口输出光功率与串入另一端口输出光功率比值。1×2光开关，第一输出端口接通，远端串扰定义： • 其他端口接终端匹配，连接端口与另一名义隔离端口光功率比。 • 1×2光开关，端口1与匹配终端连接，近端串扰定义： • 与远端串扰表示形式一样，意义不同。 两个端口处于导通和非导通状态插入损耗之差： 开关端口从某初始态转为通或断需时间，从在开关上施加或撤去转换能量时刻起测量。

  5. 旋转 V型槽定位 导杆定位 平面 金属簧片定位 压电陶瓷定位 • 图 8-43 移动反射镜型光开关 动作前 动作后 8.6.1 光开关的特性参数 8.6.2 机械式光开关 8.6.3 MEMS 式光开关 8.6.4 集成光波导式光开关 8.6.5 半导体光波导开关 8.6.6 液晶光开关 • 移动光纤型光开关 • 移动套管型光开关 • 移动透镜型光开关 • 移动反射镜型光开关 • 移动棱镜型光开关 • 移动自聚焦透镜型光开关 • 移动套管型光开关 • 图 8-41 移动光纤型光开关 • 输入输出端口光纤均固定，靠微透镜精密准直实现输入、输出光路连接——光从入纤进入输入透镜后变成平行光，装在由微处理器控制步进电机或其他移动机构上输入透镜移动，使光准直到输出透镜或零位置。 • 两透镜成互相准直状态后，光被输出透镜，聚焦进入输出光纤。

  6. 图 8-44 移动棱镜型光开关 • 图 8-45 移动自聚焦透镜型光开关 8.6.1 光开关的特性参数 8.6.2 机械式光开关 8.6.3 MEMS 式光开关 8.6.4 集成光波导式光开关 8.6.5 半导体光波导开关 8.6.6 液晶光开关 • 移动光纤型光开关 • 移动套管型光开关 • 移动透镜型光开关 • 移动反射镜型光开关 • 移动棱镜型光开关 • 移动自聚焦透镜型光开关

  7. 光电二极管阵列 图 8-46 二维微反射镜 MEMS 光开关阵列 图 8-47 微铰链与推动杆详细结构 图 8-48 二维微透镜 MEMS 光开关阵列 8.6.1 光开关的特性参数 8.6.2 机械式光开关 8.6.3 MEMS 式光开关 8.6.4 集成光波导式光开关 8.6.5 半导体光波导开关 8.6.6 液晶光开关 • 微反射镜型 MEMS 光开关 • 微透镜型 MEMS 光开关

  8. Y分束器型 双3dB定向耦合器型 图 8-51 热光波导光开关 图 8-50 声光波导光开关 图 8-49 电光波导光开关 • 集成电光波导光开关 • 集成声光波导光开关 • 集成热光波导光开关 • 集成磁光波导光开关 • 集成气泡光开关 8.6.1 光开关的特性参数 8.6.2 机械式光开关 8.6.3 MEMS 式光开关 8.6.4 集成光波导式光开关 8.6.5 半导体光波导开关 8.6.6 液晶光开关

  9. 气泡光开关结构图 磁光效应光开关工作原理 • 集成电光波导光开关 • 集成声光波导光开关 • 集成热光波导光开关 • 集成磁光波导光开关 • 集成气泡光开关 8.6.1 光开关的特性参数 8.6.2 机械式光开关 8.6.3 MEMS 式光开关 8.6.4 集成光波导式光开关 8.6.5 半导体光波导开关 8.6.6 液晶光开关

  10. 8.6.1 光开关的特性参数 8.6.2 机械式光开关 8.6.3 MEMS 式光开关 8.6.4 集成光波导式光开关 8.6.5 半导体光波导开关 8.6.6 液晶光开关 • 通过改变波导区内折射率达到光波导通或截止。 • 改变波导区内折射率方法： • 半导体电光效应 • 利用加在脊形波导与衬底之间反向偏置控制波导区内折射率变化，GaAs加10+4V/cm电场可获n约(2~3)×10-5折射率变化。 • 载流子感生折射率变化 • 基于填充带效应。载流子由P-N结注入InGaAsP波导层，该处折射率降低，发生全内反射，形成波导。注入电流5kA/cm+2时，感生n约1×10-3。这种类型n与波导区带隙密切相关。  • 量子限制斯塔克效应 • 量子阱结构器件，零偏时轻、 重空穴呈很好激子峰，电场加至14V/m激子峰消失，激子影响使电吸收有很大变化，导致场感生折射率变化，1.55m波段n约2%。

  11. 入射自然光 偏振片P1 扭曲排列的液晶分子具有光波导效应 光波导已被电场拉伸 （TN捏转向列效应） 偏振片P2 上升时间 下降时间 出射光 8.6.1 光开关的特性参数 8.6.2 机械式光开关 8.6.3 MEMS 式光开关 8.6.4 集成光波导式光开关 8.6.5 半导体光波导开关 8.6.6 液晶光开关 液晶光开关电光特性曲线 液晶光开关工作原理图 液晶光开关组成矩阵式图形显示器 液晶驱动电压和时间响应曲线 液晶图像显示原理

  12. 讲授内容 3 6 激光原理与技术 光电探测技术 1 绪　　论　 2 光学基础知识与光场传播规律 4 光波导技术基础 5 光调制技术—光信息系统的信号加载与控制 7 光电显示技术 8 光通信无源器件技术 9 光盘与光存储技术

  13. 9.1 9.2 9.5 9.3 9.4 9.6 只读存储光盘(ROM) 一次写入光盘(WORM) 可擦重写光盘(RW) 光盘衬盘材料 光信息存储新技术 光存储与光盘 9 光盘与光存储技术

  14. 光盘与光存储技术（1） • 信息采集、传输、处理、存储与显示互相关联； • 光信息系统不仅需信号产生、加载、传输、接收，还需存储； • 光存储容量要求越来越大： • 一页文字2KB(103)，一页黑白图片20KB，一页彩色图片4MB(106)； • 家用：从纸张、胶卷、磁带、磁盘、CD（激光唱片，光盘）、VCD（影音光碟），到DVD（数字激光视盘）记录； • 科学：哈勃望远镜传回数据量每天>10TB(1012)； • 21世纪要求记录密度达TB级，信息存储提出严峻挑战。 • 海量信息存储飞速发展以互联网为代表海量信息传输技术飞速发展必然结果。 • 大容量、高速度、高密度、高稳定和可靠性存储系统竞相研究与推出。 • 记录方式：磁记录由磁光记录向全光记录发展； • 存储器件：磁带、磁盘由磁光光盘向全光光盘发展。

  15. 光盘与光存储技术（2） • 磁记录： • 磁头在磁盘上信息写、擦； • 结构： • 磁记录介质：磁带（日渐稀少）、软盘（1.44 MB 3″盘）、硬盘（最重要）； • 硬盘磁头：磁阻(magneto-resistive)或巨磁阻(giant magneto-resistive)型； • 精密加工技术使气浮磁头与盘片间距由mm↓30nm； • 改进工艺，优化膜系，↓磁头飞行高度，硬盘存储容量由50MB、500MB发展到250GB(109)以上，逼近物理极限——超顺磁性限制面密度40GB/in2。

  16. 光盘与光存储技术（3） • 磁光记录： • 用激光退磁，偏置磁场在磁光盘上信息写入， • 属半磁半光混合型记录， • 物理过程是激光辅助下磁记录： • 激光引起记录区矫顽力↓，磁存储更易进行； • 磁光存储器件：磁光盘MD，包括 • 2.5″、 • 3.5″与 • 5.25″规格。

  17. 光盘与光存储技术（4） • 全光记录： • 用激光使光盘发生物理或化学变化信息写、擦或直接重写， • 结构要素：光记录介质： • CD（激光唱片；光盘；Compact Disc，只听声音没有图像）； • LD（镭射影碟、激光视盘，Laser disc）； • VCD（影音光碟，Video Compact Disc）， • DVD（数字激光视盘，Digital Versatile Disc，有声音也有图像）； • CD-R（光盘刻录机，Compact Disc-Recordable，只刻和读CD盘） • DVD-R（可记录DVD盘，DVD-Recordable，兼容CD-R、DVD-R读写功能）； • CD-RW（重复写入技术，Compact Disc-ReWritable）、 • DVD-RW（可重复刻录DVD盘，DVD-ReWritable）。 • 光头：用红外记录向短推进，记录密度不断加大。 • 记录密度受衍射极限限制，是磁记录百倍之上——TB级存储技术发展方向。 • 核心是光盘，不同光盘需用不同存储技术！

  18. 光存储： • 包括信息“写入”和“读出”过程： • 信息“写入”： • 用激光单色性和相干性，将要存储模拟或数字信息通过调制激光聚焦到记录介质上，使介质光照微区（直径<1m）发生理化变化，实现信息记录。 • 信息“读出”： • 用低功率密度激光扫描信息轨道，光电探测器检测信号记录区与未记录区反射率差别，通过解调取出所要信息过程。 • 光盘：衬盘上淀积记录介质及保护膜盘片。

  19. 光盘存储优点： • 存储密度高 • 线密度：记录介质单位长度能存储二进制位数，~103B/mm • 面密度：记录介质单位面积能存储二进制位数，>106B/mm2 • 数据传输速率高 • 数据传输速率达百MB(106)，希望达GB(109)、TB(1012)量级； • 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，>10 年； • 信息位价格低 • 一张CD 650MB，5~10元， 1 分/MB； • 一张DVD 4.7GB，10 元，<1分/MB； • 更换容易

  20. 光盘经历了四代（1）： • 只读存储光盘(ROM，Read Only Memory) • 数据在光盘生产过程刻入，只能从光盘中反复读取数据； • 特点：工艺简单，成本低，价格便宜，普及率和市场占有率最高； • 常见：LD（镭射影碟）、 CD-Audio（CD音频）、 CD-ROM（光盘-只读存储光盘）、 VCD（影音光碟）、 DVD-Audio（数字激光视盘光碟格式扩展）、 DVD-ROM（数字激光视盘-只读存储光盘）、 DVD-Video（DVD视频）。 • 一次写入多次读出光盘(WORM，Write Once Read Many) • 有写读功能，用专用CD-R（光盘刻录机）刻录机向光盘中一次性写入数据，写入后不可擦除。 • 常见：CD-R（光盘刻录机）、DVD-R（可记录DVD盘）；

  21. 光盘经历了四代（2）： • 可擦重写光盘(REWRITE，简写RW) • 除可读写信息外，还可将盘上记录信息擦除，再写入新信息； • 擦与写需两束光、两次动作： • “擦激光”将信息擦除， • 另一束“写激光”将新信息写入； • 直接重写光盘(OVERWRITE，简写OW) • 实现功能与可擦重写光盘一样，但“擦激光”与“写激光”为同一束光，写入新信息同时旧信息自动被擦除，无需两次动作。 • 现状： • ROM（只读存储光盘）与 WORM（一次写入多次读出光盘）应用广， • RW（可擦重写光盘）已商用化， • OW（直接重写光盘）待完善。

  22. 9.1 9.2 9.5 9.3 9.4 9.6 只读存储光盘(ROM) 一次写入光盘(WORM) 可擦重写光盘(RW) 光盘衬盘材料 光信息存储新技术 光存储与光盘 9 光盘与光存储技术

  23. 电光或声光调制器 视频或音频信息 甩有光刻胶玻璃衬盘 • 2P—photopolymerization（光致聚合作用） 总制备过程示意图 9.2.1 ROM 光盘存储原理 9.2.2 ROM 光盘主盘与副盘制备工序 9.2.3 ROM 光盘 “2P” 复制 • 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玻璃衬盘上，曝光光刻胶， • 经显影、刻蚀，制成主盘（母盘，Master）， • 经喷镀、电镀制成副盘（印模，Stamper）， • 经“2P”注塑形成ROM（只读存储光盘）光盘。

  24. 9.2.1 ROM 光盘存储原理 9.2.2 ROM 光盘主盘与副盘制备工序 9.2.3 ROM 光盘 “2P” 复制 • 衬盘甩胶 . • 调制曝光 • 显影刻蚀 • 喷镀银层 • 电镀镍层 • 镍膜剥离 • 衬盘精密研磨、抛光后超声清洗，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； • 放入烘箱中前烘，得与衬底附着良好且致密光刻胶膜。

  25. 9.2.1 ROM 光盘存储原理 9.2.2 ROM 光盘主盘与副盘制备工序 9.2.3 ROM 光盘 “2P” 复制 • 衬盘甩胶 . • 调制曝光 • 显影刻蚀 • 喷镀银层 • 电镀镍层 • 镍膜剥离 • 膜片置入高精度激光刻录机中信息写入。 • 衬盘以恒定角速度旋转，刻录机光学头径向匀速平移， • 膜片上刻录出螺旋形信息道。

  26. 9.2.1 ROM 光盘存储原理 9.2.2 ROM 光盘主盘与副盘制备工序 9.2.3 ROM 光盘 “2P” 复制 • 衬盘甩胶 . • 调制曝光 • 显影刻蚀 • 喷镀银层 • 电镀镍层 • 镍膜剥离 • 刻有信息盘片放入显影液监控显影： • 正性光刻胶，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信息凹坑，形状、深度及坑间距与携带信息有关。 • 携有调制信息、有凹凸信息结构盘片是主盘。 • 用正性光刻胶，得主盘为正像主盘。

  27. 9.2.1 ROM 光盘存储原理 9.2.2 ROM 光盘主盘与副盘制备工序 9.2.3 ROM 光盘 “2P” 复制 • 衬盘甩胶 . • 调制曝光 • 显影刻蚀 • 喷镀银层 • 电镀镍层 • 镍膜剥离 • 主盘表面溅射银膜，作用： • ↑信息结构反射率，以便检验主盘质量； • 作为下一步电镀Ni电极之一。

  28. 9.2.1 ROM 光盘存储原理 9.2.2 ROM 光盘主盘与副盘制备工序 9.2.3 ROM 光盘 “2P” 复制 • 衬盘甩胶 . • 调制曝光 • 显影刻蚀 • 喷镀银层 • 电镀镍层 • 镍膜剥离 • 在溅射了Ag盘片表面电解法镀Ni， • 主盘长出厚度符合要求金属Ni膜。

  29. 9.2.1 ROM 光盘存储原理 9.2.2 ROM 光盘主盘与副盘制备工序 9.2.3 ROM 光盘 “2P” 复制 • 衬盘甩胶 . • 调制曝光 • 显影刻蚀 • 喷镀银层 • 电镀镍层 • 镍膜剥离 • 上述盘片经化学处理，Ni模从主盘剥脱，形成副盘。 • 主盘每个都可通过(5)、(6)重复，得若干副像副盘； • 每个副盘都可通过(5)、(6)重复，得若干正像子盘。

  30. 将所得正像或副像子盘作为“印模”stamper），加工中心孔和外圆后装入“2P”喷塑器中，进一步“2P”复制过程制作批量ROM光盘 图 9-4 2P过程示意图 9.2.1 ROM 光盘存储原理 9.2.2 ROM 光盘主盘与副盘制备工序 9.2.3 ROM 光盘 “2P” 复制 • 2P—photopolymerization（光致聚合作用） • ROM记录介质：光刻胶； • 记录方式： • 用声光调制氩离子激光将信息刻录在介质上； • 然后制成主盘及副盘； • 再用副盘为原模，大量复制视频录像盘或数字音像唱片。 • 一个原模可复制至少5000片盘片。 • 用户有台播放机就能享受光盘上逼真音、像节目。 • ROM光盘只能读取，不能录入。 • 想自行录像录音，须用WORM（一次写入）光盘系统

  31. 9.1 9.2 9.5 9.3 9.4 9.6 只读存储光盘(ROM) 一次写入光盘(WORM) 可擦重写光盘(RW) 光盘衬盘材料 光信息存储新技术 光存储与光盘 9 光盘与光存储技术

  32. 微区熔化、蒸发 图 9-5 一次写入方式 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 烧蚀型 • 起泡型 • 熔绒型 • 合金化型 • 相变型 • 用激光光斑在存储介质微区产生不可逆理化变化进行信息记录盘片。 • 记录方式： • 烧蚀型 • 存储介质可是：金属、半导体合金、金属氧化物或有机染料。 • 用介质热效应，使介质微区熔化、蒸发，形成信息坑孔（9-5(a)）。 烧蚀型先推商品。以之为实例，讨论光盘介质优选、存储原理及结构优化设计

  33. 气泡使上层薄膜隆起 图 9-5 一次写入方式 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 烧蚀型 • 起泡型 • 熔绒型 • 合金化型 • 相变型 • 记录方式： • 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出气体，两层间形成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（9-5(b)）。 烧蚀型先推商品。以之为实例，讨论光盘介质优选、存储原理及结构优化设计

  34. 绒面熔成镜面 图 9-5 一次写入方式 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 烧蚀型 • 起泡型 • 熔绒型 • 合金化型 • 相变型 • 记录方式： • 存储介质用：离子刻蚀Si，表面呈绒状结构， • 激光光斑使照射部分绒面熔成镜面，实现反差记录（9-5(c)）。 烧蚀型先推商品。以之为实例，讨论光盘介质优选、存储原理及结构优化设计

  35. 微区熔成合金 图 9-5 一次写入方式 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 烧蚀型 • 起泡型 • 熔绒型 • 合金化型 • 相变型 • 记录方式： • 用： • Pt（铂 ）-Si、 • Rh（铑）-Si或 • Au-Si制成双层结构， • 激光加热微区熔成合金，形成反差记录（9-5(d)）。 烧蚀型先推商品。以之为实例，讨论光盘介质优选、存储原理及结构优化设计

  36. 微区非晶到晶相相变 图 9-5 一次写入方式 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 烧蚀型 • 起泡型 • 熔绒型 • 合金化型 • 相变型 • 记录方式： • 存储介质用： • S属化合物或 • 金属合金制成薄膜， • 用金属热和光效应使被照微区发生：非晶相到晶相相变（9-5(e)）。 烧蚀型先推商品。以之为实例，讨论光盘介质优选、存储原理及结构优化设计

  37. 图 9-6 读取分辨率示意图 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 分辨率及信息凹坑的规整几何形状 • 没有中间处理过程 • 较好的记录阈值 • 记录灵敏 • 较高的反衬度 • 稳定的抗显微腐蚀能力 • 与预格式化衬盘相容 • 高生产率、低成本 • 保证光盘：高存储密度获较小原始误码率。 • 图9-6上方已记录信息坑孔，坑孔边缘形状不规整偏差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“1”，否则“0”。 • 得图9-6下方读取信号波形。存储密度108B/cm2，每信息位占1m2面积。 • 存储介质保持显微坑孔规整几何形状以更高精度分辨他们位置，边缘偏差落在±100Å内，保证原始错位率<10−8。

  38. 图 9-6 读取分辨率示意图 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 分辨率及信息凹坑的规整几何形状 • 没有中间处理过程 • 较好的记录阈值 • 记录灵敏 • 较高的反衬度 • 稳定的抗显微腐蚀能力 • 与预格式化衬盘相容 • 高生产率、低成本 • 存储介质： • 需实时记录数据并及时读出信息， • 不需中间处理过程， • 实现光盘写后直读(DRAW，Direct Read After Write)，保证记录数据实时检验。

  39. 图 9-6 读取分辨率示意图 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 分辨率及信息凹坑的规整几何形状 • 没有中间处理过程 • 较好的记录阈值 • 记录灵敏 • 较高的反衬度 • 稳定的抗显微腐蚀能力 • 与预格式化衬盘相容 • 高生产率、低成本 • 记录阈值： • 存储介质中形成规整信息标志需最小激光功率密度。 • 适当记录阈值使信息被读出次数>108次仍不使信息凹坑退化。 • 记录阈值过高或过低影响： • 凹坑质量和 • 读出效果。

  40. 图 9-6 读取分辨率示意图 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 分辨率及信息凹坑的规整几何形状 • 没有中间处理过程 • 较好的记录阈值 • 记录灵敏 • 较高的反衬度 • 稳定的抗显微腐蚀能力 • 与预格式化衬盘相容 • 高生产率、低成本 • 存储介质对用激光要求： • 吸收系数大、 • 光响应特性好， • 能迅速传输数据、 • 保证波形不失真下小功率激光形成可靠记录标志。 • 830nm、到达盘面功率10mw、脉宽可调激光对高速转动多元半导体盘片记录时，获每秒几兆字节数据速率。

  41. 图 9-6 读取分辨率示意图 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 分辨率及信息凹坑的规整几何形状 • 没有中间处理过程 • 较好的记录阈值 • 记录灵敏 • 较高的反衬度 • 稳定的抗显微腐蚀能力 • 与预格式化衬盘相容 • 高生产率、低成本 • 反衬度： • 信道上记录微区与未记录区反射率对比度。 • 存储介质及经优化设计光盘应有尽可能高反衬度，使读出信噪比达最佳值。

  42. 图 9-6 读取分辨率示意图 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 分辨率及信息凹坑的规整几何形状 • 没有中间处理过程 • 较好的记录阈值 • 记录灵敏 • 较高的反衬度 • 稳定的抗显微腐蚀能力 • 与预格式化衬盘相容 • 高生产率、低成本 • 存储介质做到： • 大面积成膜均匀、 • 致密性好、 • 显微缺陷密度小、 • 抗缺陷性能强， • 低于10-4原始误码率及 • 至少10年存储寿命。

  43. 图 9-6 读取分辨率示意图 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 分辨率及信息凹坑的规整几何形状 • 没有中间处理过程 • 较好的记录阈值 • 记录灵敏 • 较高的反衬度 • 稳定的抗显微腐蚀能力 • 与预格式化衬盘相容 • 高生产率、低成本 • 一次写入光盘可存储和检索文档资料，光盘应有： • 地址码，包括信道号、扇区号及同步信号。 • 这些码以标准格式预先刻录并复制在光盘衬盘上。 • 存储介质与预格式化衬盘实现力、热及光学匹配，保证轨道跟踪顺利能实现在任一轨道任一扇区信息读和写。

  44. 图 9-6 读取分辨率示意图 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 分辨率及信息凹坑的规整几何形状 • 没有中间处理过程 • 较好的记录阈值 • 记录灵敏 • 较高的反衬度 • 稳定的抗显微腐蚀能力 • 与预格式化衬盘相容 • 高生产率、低成本 • 具有高生产率、低成本。

  45. 图 9-7 记录光的分配 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 激光热效应对存储介质单层薄膜烧蚀时，存储介质吸收到达激光能量而超过存储介质熔点时形成信息坑孔。 • WORM光盘以聚甲基丙烯酸脂(PMMA)为衬底，厚1.2mm，上面溅射介质薄层； • 用830nm激光聚焦在1m2范围，T高斯型空间分布； • 中心T>介质熔点Tm，表面形成熔融区，表面张力将此区拉开成孔； • 激光脉冲撤去后孔边缘凝固，记录介质膜上形成与输入信息相应坑孔。

  46. 图 9-7 记录光的分配 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 入射到膜面激光能量E0： • 部分在膜面反射(ER)； • 大部分被薄膜吸收(EA)； • 部分在薄膜中因径向热扩散损失(E)； • 剩余部分透射到衬盘中(ET)，即：

  47. 图 9-7 记录光的分配 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 反射(ER), 吸收(EA), 径向热扩散损失(E), 射到衬盘中(ET) • 要存储介质灵敏度高： • EA尽量大，更快更好吸收能量，使光斑中心T尽快>介质熔点， • ER, ET及E尽可能小。 • ER最小，使从记录层上下界面反射回光相消干涉。上界面有半波损失下界面没有，得记录层厚度最小值/2n1(n1：介质层n，：入射光)；上下界面能量差很大，难实现明显消反，记录层和衬底层间加Al反射层，新相消条件下得记录厚度下限/4n1 • 加Al条使ER↓，Al热良导体，使ET↑，记录和反射层间加热障层（透明介质SiO2），折射率n2，厚度d2。充分阻挡介质层吸收能量向衬盘传导。 • 消反条件相应最小厚度： 形成记录层、热障层和反射层三层结构存储介质

  48. 图 9-8 WORM 光盘结构 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • 实用化WORM光盘三层式，用： • 空气夹层式（图6-8b）和 • 直接封闭式（图6-8c）两种，均商品化 • 吸收强、热导低记录介质中，刻蚀信息坑孔需激光能量与介质熔化（气化）热、光效率、热效率有关。 • 选定介质材料，熔化（气化）热固定，为↑介质存储灵敏度，要求光效率与热效率接近100%。

  49. 图 9-8 WORM 光盘结构 9.3.1 一次写入方式 9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求 9.3.3 WORM光盘的存储原理 • ↑光效率关键： • 记录层和热障层介质光学常数和热学常数选配得当； • 记录层和热障层厚度满足反射光干涉相消条件； • ↑热效率关键： • 使信息坑孔形成tS<热障层热扩散t常数D； • 热障层厚度> （KD:热障层热扩散系数）——选择热障系数大衬盘材料。

  50. 9.1 9.2 9.5 9.3 9.4 9.6 只读存储光盘(ROM) 一次写入光盘(WORM) 可擦重写光盘(RW) 光盘衬盘材料 光信息存储新技术 光存储与光盘 第二十一讲 9 光盘与光存储技术（回顾第二十讲内容）

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