多階光存儲(chǔ)技術(shù)研究進(jìn)展

一、前言 信息技術(shù)的發(fā)展對(duì)光存儲(chǔ)系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)傳輸率提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)光存儲(chǔ)受到光學(xué)衍射極限的限制，采用縮短激光波長(zhǎng)和增大數(shù)值孔徑的方法來提高存儲(chǔ)密度的空間非常有限。多階光存儲(chǔ)技術(shù)能夠在不改變光學(xué)數(shù)值孔徑的情況下，利用先進(jìn)的信號(hào)處理與編碼技術(shù)，顯著提高存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)傳輸率，目前已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外光存儲(chǔ)研究的熱點(diǎn)方向之一。 在傳統(tǒng)的光存儲(chǔ)系統(tǒng)中，二元數(shù)據(jù)序列存儲(chǔ)在記錄介質(zhì)中，記錄符只有兩種不同的物理狀態(tài)，例如只讀光盤中交替變化的坑岸形貌。光盤信號(hào)讀出時(shí)，通過檢測(cè)坑岸邊沿從而恢復(fù)所記錄的數(shù)據(jù)。如果改變二元記錄符的形貌，使得讀出信號(hào)呈現(xiàn)多階特性，或者直接采用多階記錄介質(zhì)，則可實(shí)現(xiàn)多階光存儲(chǔ)。前者稱為信號(hào)多階光存儲(chǔ)，后者稱為介質(zhì)多階光存儲(chǔ)。理論上每個(gè)多階記錄符可存儲(chǔ)的信息高達(dá) log 2 M 比特，其中 M ＞ 2 為記錄階次，而且數(shù)據(jù)傳輸率也得到相應(yīng)的提高。多階光存儲(chǔ)技術(shù)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是，它能夠與其它提高存儲(chǔ)密度的方法并行使用，如應(yīng)用在較小激光波長(zhǎng)、較大物鏡數(shù)值孔徑的光存儲(chǔ)系統(tǒng)中。本文對(duì)上述兩類多階光存儲(chǔ)方法進(jìn)行概述，對(duì)各種多階光存儲(chǔ)的方案原理進(jìn)行深入分析與比較，并展望多階光存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展研究方向。 二、信號(hào)多階光存儲(chǔ) 2 ． 1 坑深調(diào)制 坑深調(diào)制（ PDM ： Pit Depth Modulation ）是一種較為早期的多階光存儲(chǔ)方案。 Calimetrics 公司研究了具有 8 種不同坑深的多階只讀光盤，如圖 1 所示。在這種多階只讀光盤中，信息坑的寬度固定為 t min ，信息坑的深度具有 M 種不同的可能，代表著不同的階次。根據(jù)光盤讀出的衍射理論，對(duì)于不同深度的信息坑，其讀出光在光電探測(cè)器上呈現(xiàn)不同光強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)多階坑深調(diào)制。這是一種典型的信號(hào)多階光存儲(chǔ)方案，由于記錄符的深度有著不同階次，使得讀出信號(hào)具有多階特性。與相同參數(shù)的傳統(tǒng)只讀光盤相比， 8 階 PDM 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)約 3 倍的存儲(chǔ)容量。

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圖 1 PDM 多階技術(shù) ,:{+ H  
PDM 多階技術(shù)在讀出時(shí)直接利用反射光的光強(qiáng)判斷當(dāng)前記錄符的階次，由于噪聲、盤片缺陷等影響容易造成讀出錯(cuò)誤，導(dǎo)致較高的誤碼率。為了提高讀出信號(hào)的分辨率和抗干擾能力， Matsushita 公司在 PDM 多階技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了偏振讀出的方法：在記錄層上覆蓋一層雙折射晶體的薄膜，激光照射在不同深度的信息坑上時(shí)，由于在雙折射薄膜中的光程不同，導(dǎo)致出射光的偏振角不同，由此根據(jù)出射光的偏振態(tài)可以判斷當(dāng)前記錄符的階次。采用偏振讀出方式可以達(dá)到更高的分辨率，在同樣的深度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的階數(shù)。這種方式的缺點(diǎn)是檢測(cè)系統(tǒng)過于復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)小型化和實(shí)用化；而且制造盤片的工藝基本采用了 MEMS 路線，應(yīng)用于大批量生產(chǎn)難度較大。 z$b!J$A1  
此外， Sharp 公司提出了一種 PEDM （ Pit Edge ＆ Depth Modulation ）多階技術(shù)。 PEDM 綜合利用了讀出信號(hào) RF 和切向推挽信號(hào) TPP （ Tangential Push-Pull ），其盤片上有兩種不同深度的信息坑，它們產(chǎn)生的 RF 信號(hào)的強(qiáng)度相同，但 TPP 信號(hào)的極性相反。將坑深信號(hào)與坑點(diǎn)邊緣信號(hào)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn) 3 階記錄。坑深調(diào)制多階技術(shù)的關(guān)鍵在于模壓形成具有多種坑深的只讀盤片。然而要精確控制信息坑的深度對(duì)生產(chǎn)工藝的要求很高，大批量生產(chǎn)的成品率更難以保證。因此，坑深調(diào)制多階光存儲(chǔ)技術(shù)的前景不明。 _\[G7  
2 ． 2 坑邊沿調(diào)制 9m!fW|4  
Sony 公司研究了一種利用信息坑邊沿相對(duì)于固定時(shí)鐘的變化來存儲(chǔ)信息的多階技術(shù)，實(shí)際上是利用信息坑長(zhǎng)度的變化實(shí)現(xiàn)多階光存儲(chǔ)效果，稱為 SCIPER （ Single carrier Independent Pit Edge Recording ）。在現(xiàn)有的光盤系統(tǒng)中，信息坑的起始和結(jié)束邊沿與時(shí)鐘邊沿要求是嚴(yán)格對(duì)齊的，其差別稱為抖晃。抖晃是目前光盤系統(tǒng)誤碼率的主要來源，抖晃值過大將影響系統(tǒng)時(shí)鐘的恢復(fù)，增大解碼錯(cuò)誤率。在 SCIPER 多階技術(shù)中，有特別的途徑提供精確的時(shí)鐘和時(shí)鐘邊沿，信息坑的邊沿相對(duì)于時(shí)鐘是變化的。可以說， SCIPER 正是利用了“抖晃”來記錄信息。 'h=2_%l@Y  
圖 2 是 SCIPER 多階光存儲(chǔ)的示意圖。可以看到，信息坑的起始和結(jié)束邊沿相對(duì)于時(shí)鐘邊沿都可以按一定的步長(zhǎng)變化。在固定的采樣時(shí)刻，對(duì)不同的起始邊沿采樣得到 RF 信號(hào)也是不同的，由此可以判斷當(dāng)前信息坑起始邊沿所記錄的階次。對(duì)信息坑的結(jié)束邊沿也采用類似處理。假設(shè)信息坑的起始和結(jié)束邊沿的可能位置數(shù)均為 8 ，那么一個(gè)信息坑的邊沿變化可能出現(xiàn) 64 種狀態(tài)，即一個(gè)信息坑可存儲(chǔ) 6 比特的信息，大大高于傳統(tǒng)光盤的記錄密度。 6Fb~`J~s  

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圖 2 SCIPER 多階光存儲(chǔ) g7-K62bb  
Sony 公司在利用 SCIPER 多階技術(shù)提高線密度的同時(shí)，還研究了徑向部分響應(yīng)技術(shù)（ RPR ： Radial Direction Partial Response ）。 RPR 通過對(duì)相鄰道之間的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼消除道間串?dāng)_，將道間距減小為原來的 1 ／ 2 ，從而提高徑向記錄密度。這兩種技術(shù)結(jié)合在一起，稱為 SCIPER － RPR 技術(shù)，可以顯著地提高只讀光盤的面密度。 SCIPER 多階技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在于需要高精度地探測(cè)信息坑邊沿的微小變化，并采用精度極高的母盤刻錄系統(tǒng)。 Sony 公司和 Sharp 公司利用達(dá)到納米精度級(jí)別的 XY 工作臺(tái)，配合使用電子束母盤刻錄技術(shù)，于 2002 年實(shí)現(xiàn)了 25GB ／ inch 2 的記錄密度， 2003 年則進(jìn)一步提高到 40GB ／ inch 2 。隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展， SCIPER 具有較好的應(yīng)用前景。 1L7,x @w  
2 ． 3 坑形調(diào)制 yL-L2  
Philips 公司于 2001 年提出了一種 LML （ Limited Multi － Level ）多階光存儲(chǔ)技術(shù)。這種技術(shù)應(yīng)用在只讀盤片中，可以兼容現(xiàn)有的 CD 、 DVD 系統(tǒng)。在現(xiàn)有的光盤系統(tǒng)中，較短的信息坑對(duì)應(yīng)的 RF 信號(hào)幅值較低，較長(zhǎng)的信息坑對(duì)應(yīng)的 RF 信號(hào)將上升到飽和幅值。 LML 多階技術(shù)是在較長(zhǎng)的信息坑（或岸）上加入一些“擾動(dòng)”，稍微改變信息坑（或岸）的形狀使其 RF 信號(hào)降低，從而實(shí)現(xiàn)多階光存儲(chǔ)。 ] fB{  
考慮 CD － ROM 系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，能夠加入“擾動(dòng)”的信息坑長(zhǎng)度至少是 ST 。圖 3 （ a ）和圖 3 （ b ）為采用 LML 多階技術(shù)的盤片掃描圖。長(zhǎng)度小于 5 T 的信息坑形狀不變， 5T 及 5T 以上的信息坑（或岸）的形狀有一些變化。圖 3 （ c ）是加入了坑形調(diào)制的盤片讀出時(shí)的 RF 信號(hào)網(wǎng)眼圖。可以看出，信息坑的形狀改變前后其 RF 信號(hào)幅度相差約 30 ％。根據(jù) Philips 公司給出的數(shù)據(jù)，采用坑形調(diào)制多階技術(shù)后，盤片的存儲(chǔ)容量大約能夠提高 24 ％。 q4oZJ