《光学存储材料》PPT课件.ppt

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1、光 学 存 储 原 理 及 应 用 按存储介质分 半导体存储器、磁表面存储器、光存储器 1. 存储容量大； 一张 CD-R的容量为 700M，相当于 450张软盘。 在刻录信息时可分多次直至刻满整张光盘。 2. 稳定性与数据保存性好，坚固耐用； 3. 保存时间长； 光盘信息的读取采用非接触式激光扫描，多次读取不 会象磁盘、磁带那样磨损盘面，且数据信息为物理性存 储，不受电磁场、光照、气温、湿度等的影响、此外， 由于盘面上有保护层，密封性好，不受尘土、手印等的 损害。 4. 结构小巧，性能价格比高。 5.刻录后的光盘能在 CD机、 VCD机、 CD-ROM、 DVR等播 放机上播放和检索。 与软

2、盘与以及其他的辅助存储介质相比，整个光 盘信息存储在一个轨道上，因此存储的信息方便 地以一个连续的数据速率回放，这有利于音频数 据，因为它们是连续的数据流。 磁性是随着时间而减少，以磁带为例，串音现 象时有发生，而这些在光盘上是不可能发生的。 因此，这种介质非常适用于长期存储，只有原 材料的分解或改变才会导致不可修复的损坏。据我们所知，这种情况不会发生。 激光的光源可放置在距离磁盘表面约 1mm的地 方，它不用直接放置在盘上，接近盘的表面， 而硬磁盘必须这样。这样就减少了磨擦，增加了相关组件的寿命。 随着计算机硬件技术高速发展 ， 传统以纸 ， 磁为介质记录 方式遇到了前所未有的挑战 ， 光存

3、储已成为主流 。 以 CD-R光盘为代表光存储产品在短短时间开辟广阔市场 。 全球 CD-R生产线近千条 ， 我国已投产和在建的 CD-R光盘生 产线数百条 ， 全球存储材料需求价值每年可达数十亿 元 。 目前存储材料提供商主要来自国外少数厂家 ， 其价格一直 高居不下 。 光盘：即高密度光盘 (Compact Disc)是近代发 展起来不同于磁性载体的光学存储介质，用 聚焦的氢离子激光束处理记录介质的方法存 储和再生信息，又称激光光盘。 光盘存储技术研究始于 60年代，真正获得发展 在 70年代。 1972年用聚焦的氢离子激光束在记录介质上烧 蚀微孔的方法录制电视节目，用氢氖激光扫描信 息轨

4、道，按反射强度的变化再现已录的信息。 1978年激光电视唱片正式在市场出售。 1982年出现了记录带有声音的静止图象的光 盘 1984年日本研制出可反复擦写的光盘。目前， 借助于各种软、硬件，光盘已可以达到数据、图象、 声音的综合处理。 二、光盘的种类 光盘按功能可分为三类 ： 只读式光盘（ Compact Disc-Read Only Memory, CD-ROM） 写读光盘（ Write Once Read Memory， WORM） 可擦写光盘（ Optical Random Access Memory, ORAM） 只读式光盘是第一代光盘，信息一旦录入，用 户无法改变盘片上的内容，也无

5、法录入自己的信息。 这种光盘目前技术上最成熟，应用也最广泛。 写读光盘是第二代光盘，不仅可以读出已录入的 信息，而且可在空白的盘片空间追加录入新的信息， 但与只读光盘一样，信息一旦录入，则不能改变。 可擦写光盘是第三代光盘，同磁盘一样，可以删 除、改写已录入的信息，也可以在盘片空间允许的 情况下录入新的信息。 光盘 -光盘驱动器 光盘由三层构成：即盘基、记录层、防护层。 盘基由有机玻璃、聚酯树酯等材料制作。记 录层是光盘的核心，由碲合金或碲与氧化碲混 合记录薄膜等材料组成（ 光敏膜可以是低熔点的薄金 属或半金属，也可以是有机物质敏感膜 ）。防护层由 塑料、有机玻璃等材料构成，用以保护盘面上 信

6、息 。 三、光盘的结构 可写一次型光盘 CD-R 利用激光在 CD-R有机染料记录面 直接加热 而烧出坑 (Pit)或是使有机染料曾发生化学性退化 (Degrade)， 总之就改变有机染料记录面对光的反 射率 。 当光驱较低功率的激光读到坑 (Pit) 和原来的表 面不同的 反射率 ， 被烧出坑 (Pit) 的地方它会吸 收部分的激光 ， 而原来的表面不吸收而反射激 光 ， 光驱将不同的反射结果转换成对应的数据 可重写型光盘 可重写入型指光盘片可无限次的重复写入， 将旧数据洗掉，重新写上新数据 磁光盘 CD-MO(Magneto-Optical) 相变盘 PD(Phase-change Dua

7、l) CD-RW(Rewritable) 我们的切入点 保护层 记录层 反射层 盘 基 CD-R光盘的 结构 CD-R光盘结构 保护层 记录层 反射层 盘 基 780nm 激光器 激光烧 蚀形成 的凹坑 CD-R光盘记录原理 用激光可实现高密度存储的原因是由于空间相干 性好的激光可被聚焦到其尺寸仅由波长衍射极限 所决定的微小光斑，用这种高密度能量可在金属 薄膜和有机薄膜上开成 0.6 m 左右的小孔，并进 行数字写入（数字脉冲码为 “ 1”时，开孔； “ 0” 时不开孔）。现在一般是在玻璃或者时塑料圆盘 上涂以铝层。小孔通常称为穴，穴与穴之间相隔 约 1.6 m 穴的连线呈自盘中心向外的螺旋形

8、，穴 嵌在平顶的螺旋型脊中，脊与脊之间由宽约 1.6 m 的槽隔开 . 当用强激光束照射薄膜时，一个人射功率为 5mW、 100ns 的聚焦光脉冲可使薄膜温度上升到 1000K。 由于只读型光盘是生产厂家制造，为了大量复 制，所以需要制作母盘。为此将存储信息以表 面坑点形式转录在母盘上。母盘是一块平整的 圆形玻璃衬底，厚约 0.5cm，涂有约 12um厚的 光敏材料膜层。用一束待录信息调制光强并聚 焦的激光束照射光敏膜层时，曝光的地方被吸 收，局部地改变了光敏薄膜的性能。然后用化 学溶液处理光敏膜，曝过光的光敏膜被溶解， 从而显示出凹凸结构。 大家都知道光盘技术分为写一次和可擦除两种。写 一次

9、光存储通常称为写一次读多次（ WORM） 存储，用的光盘是由夹在两层塑料保护膜之间的 碲合金吸收层构成，由激光在光盘的吸收层上烧 孔写入信息。 WORM 可用于档案存储等永久性 的存储。对于可擦除存储，最重要的是磁光盘， 它将磁存储的可擦除性和光存储的相对永久性结 合起来。磁光系统将强激光束聚焦在涂以如 TbFeCo 或者 FeTbGd 的铁磁合金的光盘层，是 局部加热到居里温度，这是铁磁材料成为顺磁性 的，它的内部磁极可由外部磁场确定。在读头上 安装小的磁场线圈产生外场，由来回改变外磁场 极性确定每一数据。当激光功率撤去材料冷却到 居里点以下时，数据就永久地存储在光盘上。 光盘存储的实际上应

10、用的是激光的高能 量在光盘上打孔，实际上与激光在机加 工方面的应用一样。只是在这里打孔要 求精密度更高，要小到微米量级，并且 要求定位准确，响应速度快，而这些又 不是对激光器本身的要求了，更多的限 制来自伺服电机等其他部件的性能的好 坏 C D 光盘表面形貌的 A F M 三维图 3 D V D 光盘表面形貌的 A F M 三维图 光盘读出信息时，用安装在可移动读头 上的短焦距物镜将来自低功率二极管激 光器的连续激光紧聚焦在穴上。当光盘 在读头上方旋转时，伺服电机控制在读 头上下和左右地跟踪，使激光始终聚焦 在每一个穴上。来自脊和穴的反射光重 新产生数字化的调制信号。光探测器将 受调制的反射光

11、又转化为电信号，以便 解码和放大。 任何光学存储方法的优劣决定于存储的寿命， 硬件的兼容性、数据传递速率、可擦除性、使 用便利程度和最重要的存储容量。光盘的面积 存储容量是很高的，还可以用各种电子学和光 学的技术来扩大存储容量，但是面积存储容量 最终决定于激光的波长，它决定光盘上最小光 斑的尺寸。最后，更大的容量还可以在一张光 盘上用多个半透明存储层堆积起来达到，存储 容量是堆积层的倍数，由改变读头的焦点分别 读出各层，存储在不同层的数据之间的串音可 由增大读头物镜的 NA 消除。 二、全息存储 虽然至今还没有研制成功一个实用的全 息存储系统，但是相对于光盘存储，全 息存储更为人们看好，有人预

12、计在不久 的将来可以将全部 不列颠百科全书 存储在一个角币大小的体积内。此外， 用全息存储技术有可能达到大于 1Gb 的 数据传递速率和小于 100 ms 的随机存储 时间。 在光折变存储器中，信息不是像光盘存储那样 一个字接着一个字存储的，而是整 “ 页 ” 同时 存储，每页以分别代表 “ 1”和 “ 0”的明和暗像 素的两维图样，由一个空间光调制器（ SLM） 编码到激光束上。经编码的激光束由透镜聚焦 到光敏存储材料中，在其中与参考光束干涉而 行成 SLM 图样的体全息图。同一页信息可用 同一参考光束照明全息图读出，读出图象由读 出透镜的后焦平面处的电耦合器件（ CCD）阵 列探测。 光折

13、变存储器的真正潜力在于成千页数据可以存储在不 大于一个硬币的体积中，每一页包含几兆二进制位的信 息。为此，只要是每页信息对应一个特定的参考光束， 即各页信息对应于不同角度、波长和相位的参考光束。 全息页组也可以分别堆积在整个存储介质的厚度内，这 样又可以增加更多的存储容量。光折变存储器的另一个 优点是其剩余度，这一个有点来自于单个全息图象的每 一个元是分布在存储介质的整个曝光体积内，因此存储 介质中分立的缺陷会影响整页数据的水准，但不会使个 别的二进制位数据消失，从而加强了存储数据的完整性。 还有一个优点是随机存取速率快，这是全息过程的光学 性质的直接结果。 如果数据页由参考光束角度确定，则每

14、 页的写或读可与参考光束的角度变化一 样快，因此用生光偏转即使就可以导致 很快的数据存取，并实现联想记忆。与 传统的全息记录手段（全息干板）相比 较，它不需要显影、定影等手续而可以 实时写入与读出，这大大方便了使用。 而且存储介质可以循环使用，如果需要 更新存储器中的信息，可在均匀光辐照 下活用升温的方法可全部擦洗，也可通 过相减光学运算修改全息图。 上述特点使得基于光折变效应的全息存 储器具有诱人的应用前景，可应用于光 学相关器、光学中性网络、光学互连器 及光学动态记忆器等。下面我们介绍一 下光折变存储器的原理及编码方式。 光折变存储器中全息图的写入使基于二 波混频的几何配置，即参考光束与载

15、有 被存储信息的信号光束在光折变晶体中 相干写入全息图。这种形式类似于全息 图的记录过程。读出时用挡住信号光用 参考光束照射写入的光栅，衍射光束是 物光的再现，通过改变参考光束的入射 角（角度编码）或者改变参考光和物光 在晶体中相互作用的区域（空间编码）， 可实现多个全息图在同一晶体中的多像 存储 光折变存储器的编码方式，一般有以下几种： 1、角度 编码，所有全息图完全叠置在光折变晶体中的同一区 域，每个全息图的分离靠参考光束的角度的变化来实 现。由于每个全息图都分别与一定的布拉格角相关联， 因此按照布拉格定律只有以正确布拉格角对全息图对 全息图读出时才能出现有效的衍射，使被存储的信息 得以再

16、现。 2、空间编码，每个全息图被存储在晶体中 空间相邻但又彼此分离得区域中，通常形成二维傅立 叶变换得全息图阵列，最适用于薄得表面存储介质。 3、 空间角度编码，每个参考光束得光斑尺寸内和相邻 得全息图之间不仅有微小得参考光束的角度分离还有 微小的空间分离。 或者是分空间多通道的方法。 4、相位编 码，由相位调制器、子透镜阵列和针孔 阵列产生一组正交相位编码的单位振幅 平面波，他们彼此之间分离距离大于布 拉格选择角。每个全息图依次由相位编 码中的一个相应的平面波分别与物光束 在晶体中的干涉来记录。 对于记录在光折变晶体中的全息图，在读出其 中的某个全息图是会对它本身以及其他的全息 图造成不期望

17、的擦洗。因为参考光辐照晶体同 样会引起光生载流子的再分配。为了避免这一 问题，增大光折变存储器的存储时间，人们提 出了如下几种方法。 1、室温下强光写入固定， 这种方法是由 Yariv 等人提出的，此方法就是 用高光强写入，此方法的优点是能够有选择地 对某个全息图进行固定，固定是自动地与写入 过程同时进行的。 2、畴反转的方法，通过外加电场是与空间电荷 场相关的铁电畴发生反转，或者通过制冷样品 使其通过铁电相变而获得畴反转，严格来说室 温下强光写入固定也属于畴反转方法。 3、热固 定方法，此方法是在全息图记录期间或者在记 录之后将样品放到 100 160 摄氏度的温度下， 是热激活离子中和电子

18、形成的空间电荷场。当 样品被冷却到室温后再用均匀光辐照样品，电 子光栅被擦洗，只剩下由离子电荷形成的全息 图，而离子栅对光辐照是不敏感的，原来的全 息图就被固定下来了。 光折变存储器目前还仅仅处于实验室研究阶 段，还有很多问题需要解决，比如，响应时 间长，对于铁电体响应时间为秒的量级，对 于响应最快的半导体也是毫秒量级，虽然可 以通过并行存储进行一定的弥补，但也大大 限制了存储速度的进一步提高。再者就是读 出过程中对已记录全息图的擦洗，虽然可以 通过固定光栅的方法减少或者是避免读出过 程中的擦洗，但这同时却限制了光折变存储 器动态读写的能力。另外由于扇形效应以及 动态失配光栅引起的信噪比降低也

19、是一个亟 待解决的问题。 光折变存储器在光存储与读出的过程中 都要用到激光，但是相对于对优秀的光 折变存储材料的需求来说，光折变存储 器读于激光器的要求并不高。它对于激 光器的要求，主要是要求激光器的稳定 性要高，如果从实用性的角度来考虑， 还要求激光器小型化。 光盘的特点 1. 存储容量大； 一张 CD-R的容量为 650M，相当于 450张软 盘。在刻录信 息时可分多次直至刻满整张光盘 。 2. 稳定性与数据保存性好，坚固耐用； 3. 保存时间长； 光盘信息的读取采用非接触式激光扫描，多次读取 不会象磁盘、磁带那样磨损盘面，且数据信息为物理 性存储，不受电磁场、光照、气温、湿度等的影响、

20、此外，由于盘面上有保护层，密封性好，不受尘土、 手印等的损害。 4. 结构小巧，性能价格比高。 5.刻录后的光盘能在 CD机 、 VCD机 、 CD-ROM、 DVR等播 放机上播放和检索 。 DVD则从使用较短波长的激光束着手， 并提高光盘片数据的密度，推出第一代 的 DVD储存容量即高达 4.7GB，是 CD产 品容量的 7倍，而如果采取双面双层的记 录方式，容量更可高达 17GB。 聚碳酸脂 PC 这种聚碳酸酯是由双酚 A 和碳酸二苯酯缩聚反应而得的 能让高画质电视与大量资料存储设备受 到重视的媒介便是依赖光盘，当然要制 造出好的光盘片便需要良好的塑料材料。 问题 蓝光雷射 (Blue

21、Wavelenght)对于 PC料会有怎样 的影响？是否 PC料蓝光雷射的能量而有变质 的可能？ PC料是否能够适应蓝光或绿光雷射系统的读 取装置？ 要加入怎样的添加剂或松弛剂于 PC料中，以 改善读取数据受到萤光或噪声的干扰？ 如何复制比目前更深的记录坑孔？如何控制高 分子链接长度使 PC料的黏性与流动性更适应 深度复制？ 其它的高分子材料也被考虑到，例如一 些非结晶相的高分子，乙烯耐波龙聚高 分子 (Ethylene-norbornene Copolymer)、 多环六方乙烯 (Polycyclohexylethylene)， 已经是在被实验阶段验证可用。 还有其它的可能，例如近场记录 (

22、Near Field Recording, NFR)的设计，这种可 以重复读写、大量的媒体储存格式之记 录媒体系组合硬盘浮动读取功能与光学 读取技术的方式，也被引进塑料的记录 盘片。这技术会取代 MO(磁光记录光盘 )、 4与 8厘米宽的影带以及所有可携带式的 硬盘。 Bayer 德国公司，世界知名，更高存储密度的 盘片用新材料，我们已经能做出每面 5GB记录密度的盘片材料，这是 DVD盘 片所要求的究极目标，然后，我们最近 已经发展出可以储存 1015GB如此高记 录密度用的材料。，这些话都来自于该 公司光储存系统事业部大老 Mr. Lower所 述。 Mr. Lower认为 PC料仍然是主

23、流，他强 调：我们还能够与 PC料一起在光盘历 史与碟工业中中走上一段长路。话虽 如此， Bayer对光盘用的新材料系统仍被 如火如荼的加速研究着。每一家都会有 相同的疑问， PC真的可以作为下一代光 盘的主要材料吗？ PC料需要怎样的改进 才能适用于下一代光盘呢？是化学成份 的变化还是使用全新的高分子呢？ Mr. Lower承认，他建议可能的话 PC料 的成份须改变， Bayer预计发展不同的双 酚 (Bisphenols， PC材料是一种高分子聚 合物，酚则为高分子的一种见链接形式 ) 之共聚碳酸脂 (Co-Polycarbonate)，有助 于双折射率与吸水率的降低，提供更稳 定的光学特

24、性。 其它的材料如环烯 (Cyclo Olefins)，是一种 完全与 PC料不同的光储存材料，未来 810年内 也许会被大量采用，因此未来的两年中 Bayer 亦将投注人力研究。 Bayer希望不论是现在与 未来，都能够在光盘工业材料上保持领先。 Bayer的 PC料称为 Markolon，因为光盘工业的 需求每年至少有 50万吨的产量，因此 Bayer在 亚洲的泰国再成立了一家生产工厂，以应付日 益增加的订单，估计每年可再使 Markolon增加 约 10万吨的产量，同时 Bayer亦计画在中国大 陆设厂准备生产。 Dow Plastics 很少光盘材料的制造商对发展多环六方乙烯 (Pol

25、ycyclohexylethylene, PCHE)像 Dow这样 的认真 !这是美国 Dow公司技术服务与发展总 裁 Mr. William Lutz所说的话， Dow化学事业 部对于研究非极化不定型脂工程用高分子 (Amorphous Aliphatic non-Polar Engineering Polymer)是很积极的，这些塑料 材料都是有关光盘片可以使用的材料，尤其是 PCHE， DOW强调高画质的电视一但被消费者所 要求时，高密度的光盘材料理所当然的将为消 费者所需求。 Dow当然也生产光学等级的 PC料供应目 前光盘片制造商， Dow积极增加其 Treeport, Texas工

26、厂的产能，以满足全 世界各地的 PC料订单，根据 Mr. William Lutz说法： Calibre 1080 DVD用 PC料 是我们目前推出品质优良的产品。 Dow同时会特别注意市场上对于 PCHE的 需求，他们深信这种每面可以记录 15GB 的光盘片用材料远远胜过于目前仅能记 录最多 4.7GB的 PC料，未来需求必将会 更多， PCHC将会取代 PC成为 ” 标准 ” 。 Dow公司相信那就是 PCHE，大部分的以 氢化聚合的高分子材料提炼纯度与残留 物都没有比 PCHE少，因此此材料内不 含有氯 (Non-Chlorine)可以有效的增加盘 片的寿命 (因为含氯的高分子材料会破坏

27、 盘片的金属反射层或记录层 )，未来含有 氯的光盘片材料亦会逐渐消失在光盘工 业中。 Teijin(日本帝人化工 ) 新一代光盘片材料的关键性质要求当然 是记录坑的尺寸小使记录密度更高、低 吸水性以及抵抗高功率雷射的热能。 Mr. Hisayoshi Shimazu补充说明，确保制造 过程可以容易控制盘片尺寸外型，抗潮 性是一大关键以，尤其在东南亚区域 (东 南亚洲是盘片制造商最密集的地方，尤 其是台湾 )。 Teijin-Bayer Polytec 这两家公司是目前世界上供应 PC料两大 厂，论品质与量都难以分辨熟轻重，因 此合并出现一家塑料科技工厂是令人振 奋的，这意味下一代光盘出现 (比

28、 DVD更 先进的格式 )已经进入白热化阶段，新的 PC料会被从黑盒子中拿出到桌面与世人 见面。 CD-R的用途 哇塞，数据文件几百 兆，用 CD-R最合适！ CD-R光盘的容量 CD-R光盘的用途 鉴于 CD-R光盘的制造主要集中在台湾，占全 球 70的市场，现在印度也在不断的扩大规模。 市场分析 不同盘片的市场需求 0 2 . 0 0 0 4 . 0 0 0 6 . 0 0 0 8 . 0 0 0 1 0 . 0 0 0 1 2 . 0 0 0 1 4 . 0 0 0 1 6 . 0 0 0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 W o

29、r l d w i d e C o n s u m p t i o n ( m i l l i o n s ) C D - A , R O M , V D V D - A , V , R O M C D - R D V D - R C D - R W D V D - R e W 市场分析 CD-R市场需求预测 市场分析 全球 CD-R光盘生产线分布 600 40 60 100 0 100 200 300 400 500 600 700 港台地区 大陆 日本 欧美 2年内再建 250条生产线 全球 CD-R生产线对存储材料的需求 0.3 1.8 14 .3 0 5 10 15 染料市场需求 /

30、亿元 国内已经投产的 17 条生产线 国内已建和在建的 100 条生产线 全球生产线（ 800 条计算） CD-R光盘存储材料市场 新上 250条线将有 4.5 亿元的存储材料需求 CD-R发展的新机遇 今年开始全球 CD-R盘片供不应求 成为全球 CD-R光盘生产基地 CD-R刻录机价格跌破千元 2 3年国内建立 250条 CD-R生产线 2005年国内光盘产业上市公司 20家 光盘产品年销售超过 50亿超过 10家 国外竞争对手 Cib a 80% T a iy o Y u d e n 20% 瑞典的 Ciba公司 ， 日本的东洋油墨公司 竞争分析 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 2002年 2003年 2004年 2005年 销售收入 净利润 磁光方法要靠磁场的极化，这里的极化是由热 引起的。当要写的时候，扇区被加热到 150 C 以上的高温，同时产生了一个极性约为地球磁 场 10倍的磁场。材料中的每个偶极子就在这个 磁场中被极化。凹坑相应于磁场的低值，非凹 坑相应于磁场的高值。 CD在激光束的照射下，光的极性随着存在的 磁性发生了变化，通过这种过程，就能从 CD 上读数据。 如要进行行删除时，就在这块上加上一个恒定 磁场同时对它加热。