[推薦]多階光存儲(chǔ)技術(shù)研究進(jìn)展 [復(fù)制鏈接]

一、前言 信息技術(shù)的發(fā)展對光存儲(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。光盤信號讀出時(shí)，通過檢測坑岸邊沿從而恢復(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、較大物鏡數(shù)值孔徑的光存儲(chǔ)系統(tǒng)中。本文對上述兩類多階光存儲(chǔ)方法進(jìn)行概述，對各種多階光存儲(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，對于不同深度的信息坑，其讀出光在光電探測器上呈現(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。

圖 1 PDM 多階技術(shù)
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。
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 RF 和切向推挽信號 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 信號的強(qiáng)度相同，但 TPP 信號的極性相反。將坑深信號與坑點(diǎn)邊緣信號相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn) 3 階記錄�？由钫{(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。
2 ． 2 坑邊沿調(diào)制
Sony 公司研究了一種利用信息坑邊沿相對于固定時(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，信息坑的邊沿相對于時(shí)鐘是變化的。可以說， SCIPER 正是利用了“抖晃”來記錄信息。
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)束邊沿相對于時(shí)鐘邊沿都可以按一定的步長變化。在固定的采樣時(shí)刻，對不同的起始邊沿采樣得到 RF 信號也是不同的，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。





圖 2 SCIPER 多階光存儲(chǔ)
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)到納米精度級別的 XY 工作臺，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 。隨著信號處理技術(shù)的發(fā)展， SCIPER 具有較好的應(yīng)用前景。
2 ． 3 坑形調(diào)制
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，較短的信息坑對應(yīng)的 RF 信號幅值較低，較長的信息坑對應(yīng)的 RF 信號將上升到飽和幅值。 LML 多階技術(shù)是在較長的信息坑（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 信號降低，從而實(shí)現(xiàn)多階光存儲(chǔ)。
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 信號網(wǎng)眼圖�？梢钥闯�，信息坑的形狀改變前后其 RF 信號幅度相差約 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 ％。





（ a ） LML 的 5T 多階信息坑 （ b ） LML 的 5T 多階信息岸





（ C ） LML 多階技術(shù)的信號網(wǎng)眼圖

圖 3 LML 多階光存儲(chǔ)技術(shù)
此外， Sony 公司還提出了一種 GBR （ Groove Baseband Recording ）的多階只讀光盤技術(shù)，多階信號由記錄槽壁擺動(dòng)的量來表示。如果記錄槽的兩壁分別記錄 4 階的信號，組合在一起則得到 16 階的多階信號。該信號不包含直流分量，并消除了碼間干擾。這種方法是利用信息坑形狀調(diào)制實(shí)現(xiàn)多階光存儲(chǔ)的一種特殊情況：單個(gè)的信息坑實(shí)際已不存在，所有的信息坑連成一體，依靠坑壁的擺動(dòng)存儲(chǔ)多階數(shù)據(jù)，類似于模擬數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 LML 與 GBR 方案與通常思路下的多階光存儲(chǔ)技術(shù)有著明顯不同，反映了科研人員對多階光存儲(chǔ)技術(shù)的積極探索。目前尚未見到公開發(fā)表的后續(xù)研究成果。
2 ． 4 記錄符大小調(diào)制
Calimetrics 在提出應(yīng)用于只讀光盤的坑深調(diào)制多階技術(shù)后，主要研究在相變類和一次性可寫類光盤上實(shí)現(xiàn)多階光存儲(chǔ)，稱為 ML 技術(shù)。這是一種記錄符大小調(diào)制（ Mark-size Modulation ）的多階光存儲(chǔ)方案，其原理如圖 4 所示。在傳統(tǒng)的 CD － R ／ RW 光盤中，數(shù)據(jù)寫入采用游程長度受限（ RLL ： Run-length limited ）調(diào)制，記錄符的長度介于 0.833 μ m 至 3.05 μ m 之間，最小記錄單元可記錄 1.4 比特的信息。在采用 ML 技術(shù)的 CD 系統(tǒng)中，每個(gè)記錄符的長度固定為 0.6 微米，記錄符大小則有所不同。 Calimetrics 已成功地實(shí)現(xiàn)了 8 階 ML 技術(shù)，通過精確控制記錄符的大小，來獲得 8 種不同的反射光強(qiáng)，從而在普通 CD － R/RW 盤片上進(jìn)行多階讀寫，每個(gè)記錄符可存儲(chǔ) 2.5 比特的信息，盤片容量達(dá)到 2.0G ，數(shù)據(jù)傳輸率也大幅提高。
ML 技術(shù)通過改變光存儲(chǔ)系統(tǒng)中的寫入調(diào)制方法，從而在固定帶寬的存儲(chǔ)





圖 4 CalimCtrics 的 ML 技術(shù)
信道中記錄更多的信息，其多階數(shù)據(jù)寫入和讀出過程如圖 5 所示。 ML 系統(tǒng)采用了更有效的里德一所羅門糾錯(cuò)碼。與傳統(tǒng) CD 系統(tǒng)中的交織編碼不同，糾錯(cuò)碼塊之間不交叉存儲(chǔ)，每個(gè)碼塊都作為獨(dú)立的單元存儲(chǔ)。 ML 系統(tǒng)采用了碼率為 5 ／ 6 的格柵碼（ Trellis Codes ）作為調(diào)制碼，能夠提供附加的糾錯(cuò)能力以滿足 ML 光存儲(chǔ)系統(tǒng)的信噪比要求。





圖 5 ML 系統(tǒng)寫入與讀出過程
在多階寫策略中采用預(yù)補(bǔ)償技術(shù)，可有效改善 ML 系統(tǒng)的非線性響應(yīng)特性，同時(shí)利用多階功率優(yōu)化控制，補(bǔ)償寫入過程中的功率漂移，以保證聚焦和道跟蹤回路以標(biāo)準(zhǔn)讀出模式連續(xù)運(yùn)行。信號讀出采用了 11 抽頭的自適應(yīng)迫零均衡器，可以消除不同驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械和光學(xué)系統(tǒng)差異帶來的信號偏差。數(shù)據(jù)檢測采用維特比（ Viterbi ）解碼器，可以實(shí)現(xiàn) 10 -5 的低誤碼率，經(jīng)過糾錯(cuò)解碼后能夠保證 ML 系統(tǒng)的誤碼要求。
ML 技術(shù)可以應(yīng)用于不同參數(shù)的光存儲(chǔ)系統(tǒng)中。如表 1 所示，將 8 階 ML 技術(shù)應(yīng)用于 DVD 系統(tǒng)中，可獲得 7GB 的存儲(chǔ)容量；如果采用 12 階 ML （ HDML ）技術(shù)，則可獲得 10GB 的存儲(chǔ)容量。將 ML 技術(shù)與藍(lán)光 DVD （激光波長為 405nrn ，物鏡數(shù)值孔徑為 0.65 ）技術(shù)相結(jié)合，可得到 22GB 的存儲(chǔ)容量；如果采用高數(shù)值孔徑（物鏡數(shù)值孔徑為 0.85 ），則可得到高達(dá) 34GB 的存儲(chǔ)容量。目前， Calimetrics 正與 Philips 公司合作研究，將 ML 技術(shù)應(yīng)用于藍(lán)光 DVD 或 Blu － ray 系統(tǒng)中。 ML 技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是無需改變驅(qū)動(dòng)器的光學(xué)頭和機(jī)械結(jié)構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)只需在系統(tǒng)電路中添加一顆 ML 芯片和做少量的修改，具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。





表 1 多階（ ML ）光存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)
Ricoh 公司也研究了基于相變材料的多階光存儲(chǔ)技術(shù)，其存儲(chǔ)原理與 Calimetricss 的 ML 技術(shù)類似，但是采用了不同的信號檢測方法。 Ricoh 提出了一種 DDPR （ Data Detection using Pattern Recognition ）檢測技術(shù)，能夠有效消除多階記錄符之間的非線性碼間干擾，降低系統(tǒng)的初始誤碼率，為后續(xù)糾錯(cuò)碼的設(shè)計(jì)提供便利。此外， Ricoh 采用了 LLM （ LSB Limited Modulation ）調(diào)制編碼技術(shù)，對檢測數(shù)據(jù)的最低位加以約束限制，從而進(jìn)一步消除數(shù)據(jù)檢測過程中的錯(cuò)誤。該多階光存儲(chǔ)技術(shù)可以獲得 1.7 倍于傳統(tǒng) DVD 的記錄密度。
三、介質(zhì)所階光存儲(chǔ)
3 ． 1 電子俘獲多階技術(shù)
OPtex 通信公司于 1992 年著手研究電子俘獲光存儲(chǔ)技術(shù)（ ETOM ： Electron － Trapping Optical Memory ）。 ETOM 光盤的記錄層中摻雜有兩種稀土元素，利用短波長激光（例如藍(lán)光）來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入。當(dāng)?shù)谝环N摻雜離子吸收光子后，其電子被激發(fā)到高能級狀態(tài)。該電子可能被第二種摻雜離子“俘獲”，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入。讀出時(shí)，用另一長波長激光（例如紅光）將俘獲的電子釋放到原來的低能級狀態(tài)，存儲(chǔ)的能量以熒光的形式釋放出來，可供后續(xù)信號探測。由于發(fā)出的熒光強(qiáng)度與俘獲的電子數(shù)量成比例，同時(shí)也與寫入激光的強(qiáng)度成比例，該寫入／讀出過程具有線性響應(yīng)，使得電子俘獲材料適用于數(shù)字光存儲(chǔ)。
電子俘獲光存儲(chǔ)利用了光子效應(yīng)，反應(yīng)速度很快，可以實(shí)現(xiàn)納秒時(shí)間的讀寫。更重要的是， ETOM 光盤能夠在多個(gè)能級上記錄數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)介質(zhì)多階光存儲(chǔ)。 OPtex 對 ETOM 技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并獲得了 12 個(gè)核心技術(shù)專利。由于 ETOM 所需的綠激光器在當(dāng)時(shí)價(jià)格較高，并且消費(fèi)市場上對高容量視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)的需求不夠急迫，導(dǎo)致 ETOM 技術(shù)的產(chǎn)品化未能順利進(jìn)行。該項(xiàng)目于 1998 年中止，但是作為早期的一種多階光存儲(chǔ)技術(shù)方案，該項(xiàng)目對此后的多階光存儲(chǔ)研究具有相當(dāng)重要的借鑒意義。
3 ． 2 部分結(jié)晶多階技術(shù)
新加坡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心（ DSI ）研究了基于相變材料的部分結(jié)晶（ Partial Crystallization ）多階技術(shù)。在當(dāng)前廣泛應(yīng)用的相變光盤中，通過不同激光功率加熱記錄介質(zhì)，獲得不同反射率的晶態(tài)與非晶態(tài)兩種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)寫入和擦除，探測這兩種狀態(tài)的不同反射率實(shí)現(xiàn)信號讀出。利用足夠高功率的激光加熱相變材料直至超過熔點(diǎn)，然后迅速淬火降至室溫，可以得到非晶態(tài)。如果在結(jié)晶溫度和熔點(diǎn)之間的范圍內(nèi)逐漸退火，則得到晶態(tài)。晶態(tài)與非晶態(tài)之間可能存在一種部分結(jié)晶的狀態(tài)，通過調(diào)整退火時(shí)間和溫度，控制相變材料的結(jié)晶程度，則有可能實(shí)現(xiàn)多階反射調(diào)制存儲(chǔ)。
3 ． 3 光致變色多階技術(shù)
清華大學(xué)光盤國家工程研究中心（ OMNERC ）提出了光致變色多階光存儲(chǔ)技術(shù)，具有比部分結(jié)晶相變材料更好的多階光存儲(chǔ)特性。在不同波長光照射下，光致變色材料能夠在不同化學(xué)狀態(tài)之間發(fā)生快速可逆轉(zhuǎn)換，如圖 6 所示， A 和 B 兩種穩(wěn)定的化學(xué)狀態(tài)的吸收譜完全不同，以這兩種狀態(tài)來表示數(shù)字“ 0 ”和“ 1 ”，可實(shí)現(xiàn)基于光致變色材料的數(shù)字存儲(chǔ)。這是一種光子型的記錄方式，反應(yīng)時(shí)間極短且反應(yīng)尺度在分子量級。





圖 6 光致變色數(shù)字存儲(chǔ)原理
理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，光致變色數(shù)字存儲(chǔ)的反應(yīng)程度與所吸收的光子數(shù)目相關(guān)，通過控制寫入激光的能量，可以在光致變色材料上實(shí)現(xiàn)多階光存儲(chǔ)，并且分階特性優(yōu)于傳統(tǒng)的相變材料。利用光致變色材料的合成技術(shù)，已經(jīng)分別獲得了吸收峰在 780nm ， 650nm 和 5532nm 附近的光致變色材料，它們的吸收峰與當(dāng)前用于光存儲(chǔ)的激光波長相對應(yīng)。采用與 DVD 系統(tǒng)相同的激光波長和數(shù)值孔徑，已成功實(shí)現(xiàn) 8 階幅值調(diào)制光致變色存儲(chǔ)。目前正在進(jìn)行 ML － RLL 光致變色記錄的實(shí)驗(yàn)研究，有望實(shí)現(xiàn)超過 15G 的存儲(chǔ)容量。
由于光致變色材料對入射光具有選擇性吸收的特點(diǎn)，如果將具有不同敏感波段的多種光致變色材料作為記錄層，用多種波長的激光進(jìn)行多記錄層的并行讀寫，可以實(shí)現(xiàn)頻率維的多波長存儲(chǔ)。與前面的光致變色多階光存儲(chǔ)相結(jié)合， OMNERC 提出了光致變色多波長多階（ MWML ）光存儲(chǔ)方案，通過多階和并行編碼，能夠進(jìn)一步提高光存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)傳輸率。由于 MWML 的記錄層由多種光致變色材料混合旋涂而成，可以很方便的實(shí)現(xiàn)讀寫過程中的聚焦和道跟蹤；并且 MWML 光盤與現(xiàn)有的光盤系統(tǒng)有較好的兼容性，具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。
四、展望
近十年來，科研人員對多階光存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行了較為廣泛的探討。事實(shí)上，在通信系統(tǒng)中多階數(shù)字傳輸技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，將多階概念從通信系統(tǒng)移植到存儲(chǔ)系統(tǒng)則需要科研人員更為細(xì)致深入的工作。隨著信號檢測處理與編碼技術(shù)的發(fā)展，多階技術(shù)有望在未來大容量光存儲(chǔ)系統(tǒng)中扮演重要角色。從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、存儲(chǔ)性能和兼容性等方面來看， Sony 的 SCIPER 技術(shù)、 Calimetrics 的 ML 技術(shù)與 OMNERC 的 MWML 技術(shù)具有較好的發(fā)展?jié)摿�和�?yīng)用前景。當(dāng)然，目前評價(jià)或斷言某種多階存儲(chǔ)方案具有絕對優(yōu)勢為時(shí)過早。不過有理由相信，在不久的將來必定能夠出現(xiàn)更具吸引力的多階光存儲(chǔ)技術(shù)路線，讓我們拭目以待！