多階光存儲技術(shù)研究進(jìn)展
一、前言 信息技術(shù)的發(fā)展對光存儲系統(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密度的空間非常有限。多階光存儲技術(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),顯著提高存儲容量和數(shù)據(jù)傳輸率,目前已經(jīng)成為國內(nèi)外光存儲研究的熱點方向之一。 在傳統(tǒng)的光存儲系統(tǒng)中,二元數(shù)據(jù)序列存儲在記錄介質(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,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),則可實現(xiàn)多階光存儲。前者稱為信號多階光存儲,后者稱為介質(zhì)多階光存儲。理論上每個多階記錄符可存儲的信息高達(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。多階光存儲技術(shù)的一個突出優(yōu)點是,它能夠與其它提高存儲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)值孔徑的光存儲系統(tǒng)中。本文對上述兩類多階光存儲方法進(jìn)行概述,對各種多階光存儲的方案原理進(jìn)行深入分析與比較,并展望多階光存儲技術(shù)的發(fā)展研究方向。 二、信號多階光存儲 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),從而實現(xiàn)多階坑深調(diào)制。這是一種典型的信號多階光存儲方案,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)可以實現(xiàn)約 3 倍的存儲容量。
;Up'+[Vj'C W/(D"[:l% 圖 1 PDM 多階技術(shù) 8.-0_C*U; PDM 多階技術(shù)在讀出時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,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)實現(xiàn)更多的階數(shù)。這種方式的缺點是檢測系統(tǒng)過于復(fù)雜,難以實現(xiàn)小型化和實用化;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。 'cs!(z-{x 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。將坑深信號與坑點邊緣信號相結(jié)合,可以實現(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)制多階光存儲技術(shù)的前景不明。 !.\EU*)1 2 . 2 坑邊沿調(diào)制 XcoV27 Sony 公司研究了一種利用信息坑邊沿相對于固定時鐘的變化來存儲信息的多階技術(shù),實際上是利用信息坑長度的變化實現(xiàn)多階光存儲效果,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)時鐘的恢復(fù),增大解碼錯誤率。在 SCIPER 多階技術(shù)中,有特別的途徑提供精確的時鐘和時鐘邊沿,信息坑的邊沿相對于時鐘是變化的?梢哉f, SCIPER 正是利用了“抖晃”來記錄信息。 m5O;aj* i 圖 2 是 SCIPER 多階光存儲的示意圖?梢钥吹剑畔⒖拥钠鹗己徒Y(jié)束邊沿相對于時鐘邊沿都可以按一定的步長變化。在固定的采樣時刻,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 ,那么一個信息坑的邊沿變化可能出現(xiàn) 64 種狀態(tài),即一個信息坑可存儲 6 比特的信息,大大高于傳統(tǒng)光盤的記錄密度。 ]0`*gKA ]7qn&(] w2-:!,X "<c^`#CWuO TU6e,G|t X^!n'$^u 圖 2 SCIPER 多階光存儲 hdL/zW7] Sony 公司在利用 SCIPER 多階技術(shù)提高線密度的同時,還研究了徑向部分響應(yīng)技術(shù)( RPR : Radial Direction Partial Response )。 RPR 通過對相鄰道之間的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼消除道間串?dāng)_,將道間距減小為原來的 1 / 2 ,從而提高徑向記錄密度。這兩種技術(shù)結(jié)合在一起,稱為 SCIPER - RPR 技術(shù),可以顯著地提高只讀光盤的面密度。 SCIPER 多階技術(shù)的實現(xiàn)難點在于需要高精度地探測信息坑邊沿的微小變化,并采用精度極高的母盤刻錄系統(tǒng)。 Sony 公司和 Sharp 公司利用達(dá)到納米精度級別的 XY 工作臺,配合使用電子束母盤刻錄技術(shù),于 2002 年實現(xiàn)了 25GB / inch 2 的記錄密度, 2003 年則進(jìn)一步提高到 40GB / inch 2 。隨著信號處理技術(shù)的發(fā)展, SCIPER 具有較好的應(yīng)用前景。 Ls8@@b,t2 2 . 3 坑形調(diào)制 Fai_v{&? Philips 公司于 2001 年提出了一種 LML ( Limited Multi - Level )多階光存儲技術(shù)。這種技術(shù)應(yīng)用在只讀盤片中,可以兼容現(xiàn)有的 CD 、 DVD 系統(tǒng)。在現(xiàn)有的光盤系統(tǒng)中,較短的信息坑對應(yīng)的 RF 信號幅值較低,較長的信息坑對應(yīng)的 RF 信號將上升到飽和幅值。 LML 多階技術(shù)是在較長的信息坑(或岸)上加入一些“擾動”,稍微改變信息坑(或岸)的形狀使其 RF 信號降低,從而實現(xiàn)多階光存儲。 8dg\_H_ 考慮 CD - ROM 系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù),能夠加入“擾動”的信息坑長度至少是 ST 。圖 3 ( a )和圖 3 ( b )為采用 LML 多階技術(shù)的盤片掃描圖。長度小于 5 T 的信息坑形狀不變, 5T 及 5T 以上的信息坑(或岸)的形狀有一些變化。圖 3 ( c )是加入了坑形調(diào)制的盤片讀出時的 RF 信號網(wǎng)眼圖?梢钥闯,信息坑的形狀改變前后其 RF 信號幅度相差約 30 %。根據(jù) Philips 公司給出的數(shù)據(jù),采用坑形調(diào)制多階技術(shù)后,盤片的存儲容量大約能夠提高 24 %。 =x9SvIm/tH Kjw4,z%\94 !PQ%h/ix i$~2pr `6`p
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