激光led在超高密度激光存儲(chǔ)中的應(yīng)用

激光led在超高密度激光存儲(chǔ)中的應(yīng)用

1光存儲(chǔ)技術(shù)及產(chǎn)品信息資源的數(shù)字化和信息資源的快速增長(zhǎng)是當(dāng)前信息社會(huì)發(fā)展的重要標(biāo)志。信息量的增長(zhǎng)率高于莫爾定律,每8~12個(gè)月增長(zhǎng)一倍,預(yù)計(jì)在未來(lái)的10年中,信息存儲(chǔ)容量將達(dá)到1Ebyte量級(jí)。超高密度、超快速的信息存儲(chǔ)和處理技術(shù)受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。同磁存儲(chǔ)相比,以光子為載體的光存儲(chǔ)技術(shù)以其存儲(chǔ)密度高、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉以及易拷貝發(fā)行等優(yōu)點(diǎn)在信息社會(huì)中擁有廣闊的市場(chǎng),尤其在現(xiàn)代電子娛樂(lè)和電子出版發(fā)行等領(lǐng)域,光存儲(chǔ)更是信息傳播的主流載體。在光存儲(chǔ)中,由于受衍射極限的限制,焦點(diǎn)處記錄斑直徑與激光波長(zhǎng)λ成正比,與聚焦系統(tǒng)的數(shù)值孔徑(NA)成反比,空間分辨率為λ/2NA。在光盤產(chǎn)品的發(fā)展歷史中,從CD光盤到藍(lán)光光盤,其波長(zhǎng)從780nm減小到了405nm,數(shù)值孔徑從0.45增大到了0.85,沿用了一條通過(guò)縮短激光器波長(zhǎng)、增大數(shù)值孔徑來(lái)減小記錄斑尺寸和提高存儲(chǔ)容量的技術(shù)路線,如表1所示。另外,該方法還減少了光學(xué)系統(tǒng)的容差:焦深(與λ/NA2成正比)的減小,提高了對(duì)伺服系統(tǒng)的要求;對(duì)盤片的傾斜更敏感(與λ/NA3成正比),要求具有可消除傾斜誤差的力矩器或具有較薄的讀出層結(jié)構(gòu);對(duì)盤片厚度均勻度要求更高(與λ/NA4成正比),需要具有更精密的盤片制造設(shè)備和更高的復(fù)制工藝。因此,單純依靠這種方法提高光盤存儲(chǔ)容量已經(jīng)接近了極限,必須將藍(lán)光技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展,如與近場(chǎng)技術(shù)、多階技術(shù)、多波長(zhǎng)技術(shù)相結(jié)合等,以實(shí)現(xiàn)超大容量存儲(chǔ)。本文介紹了藍(lán)光存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展,比較了Blu_Ray和HD_DVD(HighDensityDVD)兩種技術(shù)方案的特點(diǎn),并綜述了藍(lán)光存儲(chǔ)的一些擴(kuò)展技術(shù),展望了藍(lán)光存儲(chǔ)的發(fā)展前景。2盤片結(jié)構(gòu)對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究隨著短波長(zhǎng)激光二極管(GaN藍(lán)綠色激光器)的研制成功,使高密度激光視盤系統(tǒng)步入了短波長(zhǎng)的存儲(chǔ)時(shí)代。1999年,Sony公司和Philips公司提出了一種新的糾錯(cuò)方法(長(zhǎng)距碼LDC與突發(fā)定標(biāo)子碼BIS相結(jié)合)、新的信道調(diào)制方案(17PP)和新的地址格式(區(qū)域恒角速),將它們用于相變記錄介質(zhì)的DVR系統(tǒng)(650nm,NA=0.85)實(shí)現(xiàn)了9.2Gbyte的存儲(chǔ)容量。采用波長(zhǎng)為405nm的GaN藍(lán)紫色二極管激光器可以實(shí)現(xiàn)單盤單面22Gbyte的存儲(chǔ)容量。所采用的盤片結(jié)構(gòu)如圖1所示。Sony公司提出的適合于藍(lán)色激光光源的新型TbFeCo磁光光盤結(jié)構(gòu)如圖2所示。同傳統(tǒng)的磁光光盤相比,該新型藍(lán)光磁光光盤盤片結(jié)構(gòu)在TbFeCo層與反射層Ag之間增加了一層Ag納米薄膜,目的是改善TbFeCo層的熱傳導(dǎo)系數(shù)。從盤片的載噪比CNR的測(cè)量結(jié)果可以看出,新型盤片結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)盤片結(jié)構(gòu)相比,其功率裕量和CNR都有了明顯的提高,如圖3所示。Ricoh公司采用405nm波長(zhǎng)激光器和0.6的數(shù)值孔徑以及AgInSbTe相變材料,在普通盤片結(jié)構(gòu)上進(jìn)行槽岸同時(shí)記錄實(shí)驗(yàn),得到了單盤單面12Gbyte的存儲(chǔ)容量和30Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸率。Pioneer公司選擇Ag合金作為半反射層、采用新的信號(hào)處理技術(shù)如三光束CTC、有限均衡和切向均衡等,研制成功了27.4Gbyte的藍(lán)光雙層只讀光盤。圖2藍(lán)光磁光光盤新型結(jié)構(gòu)2000年,Matsushita公司首次驗(yàn)證了使用藍(lán)紫激光器實(shí)現(xiàn)相變介質(zhì)重復(fù)記錄的雙層光盤的可行性。第一層介質(zhì)采用了很薄的新型相變材料GeSnSbTe,通過(guò)使用10nm銀合金反射層獲得了大的透射比和高質(zhì)量的信號(hào)。第二層介質(zhì)通過(guò)優(yōu)化各層厚度使記錄層具有高吸收率和小熱容,如圖4所示。當(dāng)?shù)谝粚拥挠涗浌β蕿?mW、第二層的記錄功率為11mW時(shí),信噪比均超過(guò)50dB,可擦性超過(guò)30dB。在典型記錄條件下,在120mm單面盤片上獲得了27Gbyte的存儲(chǔ)容量,用戶數(shù)據(jù)傳輸率為33Mbit/s。2001年,Matsushita公司完成了基于405nm波長(zhǎng)激光器和0.85數(shù)值孔徑光學(xué)系統(tǒng)的相變高密度光存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究。下一代藍(lán)光光盤應(yīng)滿足2~4h的記錄數(shù)字電視和高清晰電視節(jié)目的容量要求,等價(jià)于24~48Gbyte。NEC公司于2002年對(duì)兩種新開(kāi)發(fā)的藍(lán)光存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,如圖5所示。兩種系統(tǒng)采用的是0.6mm的盤基、0.65和0.85的數(shù)值孔徑、0.1mm的保護(hù)層,并且都采用405nm波長(zhǎng)的激光器和最大似然部分響應(yīng)(PMRL)檢測(cè)技術(shù),分別獲得了20Gbyte和35Gbyte的用戶數(shù)據(jù)容量。前一系統(tǒng)無(wú)需保護(hù)盒防止指紋,與DVD/CD系統(tǒng)有較好的兼容性。Toshiba公司采用改進(jìn)的相變材料(添加Bi的富GeTe偽二元GeSbTe結(jié)構(gòu))、槽岸記錄方式和最大似然部分響應(yīng)技術(shù)對(duì)上述的兩個(gè)藍(lán)光存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了研究,分別獲得了單面18Gbyte和30Gbyte的存儲(chǔ)容量,且兩個(gè)系統(tǒng)的最低信道誤碼率低于5×10-5,在擦寫1000次以后的最低信道誤碼率低于1×10-4。Matsushita公司繼續(xù)對(duì)藍(lán)光的多層記錄方式進(jìn)行了研究,討論了多層記錄的物理格式。采用基于鋸齒擺動(dòng)(wobble)的記錄格式、405nm波長(zhǎng)激光器和0.85數(shù)值孔徑的雙層結(jié)構(gòu)光盤獲得了45Gbyte(四層為90Gbyte)的存儲(chǔ)容量。若采用與DVD兼容的方式(數(shù)值孔徑為0.65),則可獲得雙層27Gbyte,四層54Gbyte的容量。3受制數(shù)字視頻系統(tǒng)的盤片工藝和記錄方式優(yōu)勢(shì)在光盤發(fā)展的主流技術(shù)中,藍(lán)光技術(shù)被稱為第3代光存儲(chǔ)技術(shù)。從技術(shù)指標(biāo)上分析主要存在兩種技術(shù)方案:一種是以Philips公司和Sony公司為代表的Blu_Ray方案,波長(zhǎng)為405nm,數(shù)值孔徑為0.85;另一種是以Toshiba公司和NEC公司為代表的HD_DVD方案,波長(zhǎng)為405nm,數(shù)值孔徑為0.65,具體參數(shù)如表2表示。由于Blu_Ray方案采用了NA=0.85的物鏡,所以單盤的存儲(chǔ)容量更大,適合于高密度記錄;由于采用了厚度僅為0.1mm的保護(hù)層,因此其傾斜裕量較大;采用了單一溝槽記錄方式,有利于實(shí)現(xiàn)只讀盤片和可擦寫盤片的兼容。但由于Blu_Ray方案采用了大數(shù)值孔徑的物鏡,工作距離很小,需要具有較高的伺服和機(jī)械精度來(lái)保證;由于保護(hù)層厚度較薄,因此需要具有盤盒保護(hù)盤片,或采用高硬度的涂層來(lái)保護(hù);盤片制造過(guò)程變化很大,需要盤片生產(chǎn)廠商新的投資;難以與DVD系統(tǒng)兼容,加大了技術(shù)難度。同Blu_Ray方案相比,HD_DVD方案采用了NA=0.65的物鏡,工作距離較大,無(wú)需高精度的伺服和高精度的機(jī)械來(lái)保證;保護(hù)層厚度為0.6mm,因此無(wú)需盤盒;盤片制造工藝與DVD基本相同,易于與DVD系統(tǒng)兼容,容易生產(chǎn)多層盤片。但由于物鏡的NA小于Blu_ray系統(tǒng),因此HD_DVD的記錄密度較低;保護(hù)層厚度為0.6mm,傾斜裕量較小,需要傾斜伺服環(huán)節(jié)的支持。一般認(rèn)為,HD_DVD技術(shù)方案由于具有較好的兼容性,因而比較適合于PC機(jī)應(yīng)用,Blu_Ray技術(shù)方案由于它的容量?jī)?yōu)勢(shì)較適合于作為視頻傳播媒體。4擴(kuò)展光束技術(shù)以增加光存儲(chǔ)光存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展趨向可以概括為由遠(yuǎn)場(chǎng)到近場(chǎng)、由二維到多維、由光熱效應(yīng)到光子效應(yīng)、由低速到高速的過(guò)程,因此只有將藍(lán)光技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展才能實(shí)現(xiàn)超大容量的光存儲(chǔ)。4.1記錄波長(zhǎng)c的多階光存儲(chǔ)多階技術(shù)是指在一個(gè)記錄單位的空間上可以記錄多于1位(2階)的信息。在采用同樣波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器、同樣數(shù)值孔徑物鏡和同樣特性的記錄介質(zhì)的前提下,與普通的2階存儲(chǔ)記錄方式相比,多階存儲(chǔ)容量為Cn=log2n?CCn=log2n?C式中:C是采用普通記錄方式時(shí)的存儲(chǔ)總?cè)萘?n為階數(shù)。將藍(lán)光與多階技術(shù)相結(jié)合可以獲得更高的存儲(chǔ)容量。2003年,Calimetrics公司和Philips公司聯(lián)合公布了使用405nm波長(zhǎng)藍(lán)紫色激光器和0.85數(shù)值孔徑進(jìn)行多階光存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)是基于可重寫相變介質(zhì)槽內(nèi)記錄方式的。盤片結(jié)構(gòu)采用的是0.1mm的保護(hù)層,道間距為20nm,記錄符長(zhǎng)度在175~190nm范圍內(nèi)。以2.3m/s的記錄速度,結(jié)合多階幅值檢測(cè)的8階存儲(chǔ)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有大數(shù)值孔徑藍(lán)光系統(tǒng)中34Gbyte的存儲(chǔ)容量。圖6為經(jīng)過(guò)預(yù)補(bǔ)償?shù)?PIP)寫入校正和多階均衡后的讀出信號(hào)。采用12階編碼技術(shù)后,預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)單面40Gbyte的存儲(chǔ)容量?？偟膩?lái)說(shuō),多階技術(shù)將是未來(lái)使用在大數(shù)值孔徑藍(lán)光系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要候補(bǔ)技術(shù)。4.2超分辨光學(xué)記錄技術(shù)1998年,日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)研究院產(chǎn)業(yè)技術(shù)融合研究所的Tominaga等人提出了一種用于記錄和讀取超衍射尺度記錄符的超分辨近場(chǎng)結(jié)構(gòu)(Super_RENS),如圖7(a)所示。這種以銻(Sb)作為掩膜的Super_RENS光盤稱為孔徑(TA)型Super_RENS光盤。在激光照射下,此孔徑層可形成小于聚焦光點(diǎn)的透光孔徑,使得聚焦光點(diǎn)在通過(guò)此特殊薄膜后形成的記錄光點(diǎn)的尺寸有效地變小至衍射極限以下,并在近場(chǎng)的距離內(nèi)作用于記錄層上,實(shí)現(xiàn)超分辨光學(xué)記錄。微孔到記錄介質(zhì)的近場(chǎng)間隔(20nm左右)由固定介質(zhì)層來(lái)保證,無(wú)需用復(fù)雜的近場(chǎng)間距來(lái)控制伺服系統(tǒng),可采用常規(guī)光盤聚焦系統(tǒng),光學(xué)系統(tǒng)只需使用目前的光驅(qū)讀寫頭即可。1999年,Tominaga等人又提出以氧化銀(AgOx)為主要作用層的散射(LSC)型Super_RENS光盤,如圖7(b)所示。通過(guò)氧化銀受熱產(chǎn)生的銀微粒的近場(chǎng)散射作用來(lái)實(shí)現(xiàn)超分辨效應(yīng),取得了更好的效果。Super_RENS技術(shù)是一種基于存儲(chǔ)介質(zhì)結(jié)構(gòu)的超分辨技術(shù),它吸收了近場(chǎng)光存儲(chǔ)與介質(zhì)超分辨兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),是光存儲(chǔ)領(lǐng)域中的一項(xiàng)重大突破。近年來(lái),關(guān)于Super_RENS光存儲(chǔ)技術(shù)的研究方興未艾,它被認(rèn)為是最有希望實(shí)用化的近場(chǎng)光盤存儲(chǔ)技術(shù)。將藍(lán)光技術(shù)與Super_RENS技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)超高密度存儲(chǔ)是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。2002年,臺(tái)灣大學(xué)的Wei_ChinHsu等人對(duì)新型無(wú)機(jī)一次寫入型材料SbNx進(jìn)行了藍(lán)光超分辨實(shí)驗(yàn),獲得了比普通相變材料更好的讀出信號(hào)?；?05nm激光器和0.65數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)60nm記錄符的超分辨讀出。2003年,Samsung公司基于藍(lán)光存儲(chǔ)系統(tǒng),證實(shí)了采用PtOx/AgInSbTe/ZnS_SiO2多層膜結(jié)構(gòu)作為Super_RENS只讀盤介質(zhì)的可行性。此外,設(shè)計(jì)了一種新型的適合Blu_Ray系統(tǒng)的超分辨近場(chǎng)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了50nm記錄符(相當(dāng)于Blu_Ray格式,即75Gbyte的容量)和CNR為42.5dB的有效讀出。4.3光致變色存儲(chǔ)多波長(zhǎng)存儲(chǔ)充分利用了光子頻率維的特性,將光存儲(chǔ)在頻率維上進(jìn)行擴(kuò)展,可大幅度地提高光盤的存儲(chǔ)容量。清華大學(xué)光盤國(guó)家工程研究中心多年來(lái)致力于基于光致變色原理的多波長(zhǎng)存儲(chǔ)研究。采用新型分合光元件和多層介質(zhì)光學(xué)薄膜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)激光束的合成系統(tǒng),完成了復(fù)消色差物鏡的研制,得到了不同波長(zhǎng)激光的共焦和能量分布的均化,已建立了650nm/532nm/780nm和405nm/532nm/650nm兩套三波長(zhǎng)合成光學(xué)系統(tǒng)用于光致變色多波長(zhǎng)的存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究,并取得了一定的成果,光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。圖9為650nm/532nm/780nm三波長(zhǎng)基于光致變色二芳基乙稀材料的讀出信號(hào)。在理論上驗(yàn)證了使用405nm/532nm/650nm三波長(zhǎng)的光致變色存儲(chǔ)可以獲得單面45G