多階光存儲技術研究進展

　　一、前言

　　信息技術的發(fā)展對光存儲系統(tǒng)容量和數據傳輸率提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)光存儲受到光學衍射極限的限制，采用縮短激光波長和增大數值孔徑的方法來提高存儲密度的空間非常有限。多階光存儲技術能夠在不改變光學數值孔徑的情況下，利用先進的信號處理與編碼技術，顯著提高存儲容量和數據傳輸率，目前已經成為國內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，二元數據序列存儲在記錄介質中，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所記錄的數據。如果改變二元記錄符的形貌，使得讀出信號呈現多階特性，或者直接采用多階記錄介質，則可實現多階光存儲。前者稱為信號多階光存儲，后者稱為介質多階光存儲。理論上每個多階記錄符可存儲的信息高達 log 2 M 比特，其中 M > 2 為記錄階次，而且數據傳輸率也得到相應的提高。多階光存儲技術的一個突出優(yōu)點是，它能夠與其它提高存儲密度的方法并行使用，如應用在較小激光波長、較大物鏡數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行概述，對各種多階光存儲的方案原理進行深入分析與比較，并展望多階光存儲技術的發(fā)展研究方向。

　　二、信號多階光存儲

　　2 . 1 坑深調制

　　坑深調制( 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不同光強，從而實現多階坑深調制。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。與相同參數的傳統(tǒng)只讀光盤相比， 8 階 PDM 技術可以實現約 3 倍的存儲容量。

　　圖 1 PDM 多階技術

　　PDM 多階技術在讀出時直接利用反射光的光強判斷當前記錄符的階次，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 多階技術的基礎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，導致出射光的偏振角不同，由此根據出射光的偏振態(tài)可以判斷當前記錄符的階次。采用偏振讀出方式可以達到更高的分辨率，在同樣的深度范圍內實現更多的階數。這種方式的缺點是檢測系統(tǒng)過于復雜，難以實現小型化和實用化;而且制造盤片的工藝基本采用了 MEMS 路線，應用于大批量生產難度較大。

　　此外， Sharp 公司提出了一種 PEDM ( Pit Edge & Depth Modulation )多階技術。 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，它們產生的 RF 信號的強度相同，但 TPP 信號的極性相反。將坑深信號與坑點邊緣信號相結合，可以實現 3 階記錄?？由钫{制多階技術的關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工藝的要求很高，大批量生產的成品率更難以保證。因此，坑深調制多階光存儲技術的前景不明。

　　2 . 2 坑邊沿調制

　　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，實際上是利用信息坑長度的變化實現多階光存儲效果，稱為 SCIPER ( Single carrier Independent Pit Edge Recording )。在現有的光盤系統(tǒng)中，信息坑的起始和結束邊沿與時鐘邊沿要求是嚴格對齊的，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，增大解碼錯誤率。在 SCIPER 多階技術中，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。

　　圖 2 是 SCIPER 多階光存儲的示意圖?？梢钥吹?，信息坑的起始和結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，由此可以判斷當前信息坑起始邊沿所記錄的階次。對信息坑的結束邊沿也采用類似處理。假設信息坑的起始和結束邊沿的可能位置數均為 8 ，那么一個信息坑的邊沿變化可能出現 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。

　　圖 2 SCIPER 多階光存儲

　　Sony 公司在利用 SCIPER 多階技術提高線密度的同時，還研究了徑向部分響應技術( RPR ： Radial Direction Partial Response )。 RPR 通過對相鄰道之間的記錄數據進行預編碼消除道間串擾，將道間距減小為原來的 1 / 2 ，從而提高徑向記錄密度。這兩種技術結合在一起，稱為 SCIPER - RPR 技術，可以顯著地提高只讀光盤的面密度。 SCIPER 多階技術的實現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，于 2002 年實現了 25GB / inch 2 的記錄密度， 2003 年則進一步提高到 40GB / inch 2 。隨著信號處理技術的發(fā)展， SCIPER 具有較好的應用前景。

　　2 . 3 坑形調制

　　Philips 公司于 2001 年提出了一種 LML ( Limited Multi - Level )多階光存儲技術。這種技術應用在只讀盤片中，可以兼容現有的 CD 、 DVD 系統(tǒng)。

　　在現有的光盤系統(tǒng)中，較短的信息坑對應的 RF 信號幅值較低，較長的信息坑對應的 RF 信號將上升到飽和幅值。 LML 多階技術是在較長的信息坑(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，從而實現多階光存儲。

　　考慮 CD - ROM 系統(tǒng)的技術參數，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 )是加入了坑形調制的盤片讀出時的 RF 信號網眼圖?？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 Philips 公司給出的數據，采用坑形調制多階技術后，盤片的存儲容量大約能夠提高 24 %。

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

　　( C ) LML 多階技術的信號網眼圖

　　圖 3 LML 多階光存儲技術

　　此外， Sony 公司還提出了一種 GBR ( Groove Baseband Recording )的多階只讀光盤技術，多階信號由記錄槽壁擺動的量來表示。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制實現多階光存儲的一種特殊情況：單個的信息坑實際已不存在，所有的信息坑連成一體，依靠坑壁的擺動存儲多階數據，類似于模擬數據存儲。 LML 與 GBR 方案與通常思路下的多階光存儲技術有著明顯不同，反映了科研人員對多階光存儲技術的積極探索。目前尚未見到公開發(fā)表的后續(xù)研究成果。

　　2 . 4 記錄符大小調制

　　Calimetrics 在提出應用于只讀光盤的坑深調制多階技術后，主要研究在相變類和一次性可寫類光盤上實現多階光存儲，稱為 ML 技術。這是一種記錄符大小調制( Mark-size Modulation )的多階光存儲方案，其原理如圖 4 所示。在傳統(tǒng)的 CD - R / RW 光盤中，數據寫入采用游程長度受限( RLL ： Run-length limited )調制，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 技術的 CD 系統(tǒng)中，每個記錄符的長度固定為 0.6 微米，記錄符大小則有所不同。 Calimetrics 已成功地實現了 8 階 ML 技術，通過精確控制記錄符的大小，來獲得 8 種不同的反射光強，從而在普通 CD - R/RW 盤片上進行多階讀寫，每個記錄符可存儲 2.5 比特的信息，盤片容量達到 2.0G ，數據傳輸率也大幅提高。ML 技術通過改變光存儲系統(tǒng)中的寫入調制方法，從而在固定帶寬的存儲

　　圖 4 CalimCtrics 的 ML 技術

　　信道中記錄更多的信息，其多階數據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碼。與傳統(tǒng) CD 系統(tǒng)中的交織編碼不同，糾錯碼塊之間不交叉存儲，每個碼塊都作為獨立的單元存儲。 ML 系統(tǒng)采用了碼率為 5 / 6 的格柵碼( Trellis Codes )作為調制碼，能夠提供附加的糾錯能力以滿足 ML 光存儲系統(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補償技術，可有效改善 ML 系統(tǒng)的非線性響應特性，同時利用多階功率優(yōu)化控制，補償寫入過程中的功率漂移，以保證聚焦和道跟蹤回路以標準讀出模式連續(xù)運行。信號讀出采用了 11 抽頭的自適應迫零均衡器，可以消除不同驅動器的機械和光學系統(tǒng)差異帶來的信號偏差。數據檢測采用維特比( Viterbi )解碼器，可以實現 10 -5 的低誤碼率，經過糾錯解碼后能夠保證 ML 系統(tǒng)的誤碼要求。

　　ML 技術可以應用于不同參數的光存儲系統(tǒng)中。如表 1 所示，將 8 階 ML 技術應用于 DVD 系統(tǒng)中，可獲得 7GB 的存儲容量;如果采用 12 階 ML ( HDML )技術，則可獲得 10GB 的存儲容量。將 ML 技術與藍光 DVD (激光波長為 405nrn ，物鏡數值孔徑為 0.65 )技術相結合，可得到 22GB 的存儲容量;如果采用高數值孔徑(物鏡數值孔徑為 0.85 )，則可得到高達 34GB 的存儲容量。目前， Calimetrics 正與 Philips 公司合作研究，將 ML 技術應用于藍光 DVD 或 Blu - ray 系統(tǒng)中。 ML 技術的突出優(yōu)點是無需改變驅動器的光學頭和機械結構，其實現只需在系統(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)展應用前景。

　　表 1 多階( ML )光存儲系統(tǒng)參數

　　Ricoh 公司也研究了基于相變材料的多階光存儲技術，其存儲原理與 Calimetricss 的 ML 技術類似，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，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)糾錯碼的設計提供便利。此外， Ricoh 采用了 LLM ( LSB Limited Modulation )調制編碼技術，對檢測數據的最低位加以約束限制，從而進一步消除數據檢測過程中的錯誤。該多階光存儲技術可以獲得 1.7 倍于傳統(tǒng) DVD 的記錄密度。

　　三、介質所階光存儲

　　3 . 1 電子俘獲多階技術

　　OPtex 通信公司于 1992 年著手研究電子俘獲光存儲技術( 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(例如藍光)來實現數據寫入。當第一種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”，實現數據的寫入。讀出時，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)出的熒光強度與俘獲的電子數量成比例，同時也與寫入激光的強度成比例，該寫入/讀出過程具有線性響應，使得電子俘獲材料適用于數字光存儲。

　　電子俘獲光存儲利用了光子效應，反應速度很快，可以實現納秒時間的讀寫。更重要的是， ETOM 光盤能夠在多個能級上記錄數據，從而實現介質多階光存儲。 OPtex 對 ETOM 技術進行了深入研究，并獲得了 12 個核心技術專利。由于 ETOM 所需的綠激光器在當時價格較高，并且消費市場上對高容量視頻存儲系統(tǒng)的需求不夠急迫，導致 ETOM 技術的產品化未能順利進行。該項目于 1998 年中止，但是作為早期的一種多階光存儲技術方案，該項目對此后的多階光存儲研究具有相當重要的借鑒意義。

　　3 . 2 部分結晶多階技術

　　新加坡數據存儲中心( DSI )研究了基于相變材料的部分結晶( Partial Crystallization )多階技術。在當前廣泛應用的相變光盤中，通過不同激光功率加熱記錄介質，獲得不同反射率的晶態(tài)與非晶態(tài)兩種結構實現寫入和擦除，探測這兩種狀態(tài)的不同反射率實現信號讀出。利用足夠高功率的激光加熱相變材料直至超過熔點，然后迅速淬火降至室溫，可以得到非晶態(tài)。如果在結晶溫度和熔點之間的范圍內逐漸退火，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晶的狀態(tài)，通過調整退火時間和溫度，控制相變材料的結晶程度，則有可能實現多階反射調制存儲。

　　3 . 3 光致變色多階技術

　　清華大學光盤國家工程研究中心( OMNERC )提出了光致變色多階光存儲技術，具有比部分結晶相變材料更好的多階光存儲特性。在不同波長光照射下，光致變色材料能夠在不同化學狀態(tài)之間發(fā)生快速可逆轉換，如圖 6 所示， A 和 B 兩種穩(wěn)定的化學狀態(tài)的吸收譜完全不同，以這兩種狀態(tài)來表示數字“ 0 ”和“ 1 ”，可實現基于光致變色材料的數字存儲。這是一種光子型的記錄方式，反應時間極短且反應尺度在分子量級。

　　圖 6 光致變色數字存儲原理

　　理論分析和實驗研究表明，光致變色數字存儲的反應程度與所吸收的光子數目相關，通過控制寫入激光的能量，可以在光致變色材料上實現多階光存儲，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，已經分別獲得了吸收峰在 780nm ， 650nm 和 5532nm 附近的光致變色材料，它們的吸收峰與當前用于光存儲的激光波長相對應。采用與 DVD 系統(tǒng)相同的激光波長和數值孔徑，已成功實現 8 階幅值調制光致變色存儲。目前正在進行 ML - RLL 光致變色記錄的實驗研究，有望實現超過 15G 的存儲容量。

　　由于光致變色材料對入射光具有選擇性吸收的特點，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行多記錄層的并行讀寫，可以實現頻率維的多波長存儲。與前面的光致變色多階光存儲相結合， OMNERC 提出了光致變色多波長多階( MWML )光存儲方案，通過多階和并行編碼，能夠進一步提高光存儲容量和數據傳輸率。由于 MWML 的記錄層由多種光致變色材料混合旋涂而成，可以很方便的實現讀寫過程中的聚焦和道跟蹤;并且 MWML 光盤與現有的光盤系統(tǒng)有較好的兼容性，具有相當廣闊的應用前景。

　　四、展望

　　近十年來，科研人員對多階光存儲技術進行了較為廣泛的探討。事實上，在通信系統(tǒng)中多階數字傳輸技術已經相當成熟，將多階概念從通信系統(tǒng)移植到存儲系統(tǒng)則需要科研人員更為細致深入的工作。隨著信號檢測處理與編碼技術的發(fā)展，多階技術有望在未來大容量光存儲系統(tǒng)中扮演重要角色。從系統(tǒng)實現、存儲性能和兼容性等方面來看， Sony 的 SCIPER 技術、 Calimetrics 的 ML 技術與 OMNERC 的 MWML 技術具有較好的發(fā)展?jié)摿蛻们熬?。當然，目前評價或斷言某種多階存儲方案具有絕對優(yōu)勢為時過早。不過有理由相信，在不久的將來必定能夠出現更具吸引力的多階光存儲技術路線，讓我們拭目以待!