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(diǎn)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(diǎn)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。

　　圖 1 PDM 多階技術(shù)

　　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(diǎn)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。

　　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。

　　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。

　　圖 2 是 SCIPER 多階光存儲的示意圖。可以看到，信息坑的起始和結(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。

　　圖 2 SCIPER 多階光存儲

　　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(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。

　　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 %。

　　( 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)制實現(xiàn)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(shù)據(jù)，類似于模擬數(shù)據(jù)存儲。 LML 與 GBR 方案與通常思路下的多階光存儲技術(shù)有著明顯不同，反映了科研人員對多階光存儲技術(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現(xiàn)多階光存儲，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(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，每個記錄符可存儲 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)通過改變光存儲系統(tǒng)中的寫入調(diào)制方法，從而在固定帶寬的存儲

　　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(dú)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(diào)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(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，可以實現(xiàn) 10 -5 的低誤碼率，經(jīng)過糾錯解碼后能夠保證 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 的存儲容量;如果采用 12 階 ML ( HDML )技術(shù)，則可獲得 10GB 的存儲容量。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)動器的光學(xué)頭和機(jī)械結(jié)構(gòu)，其實現(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技術(shù)，其存儲原理與 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)糾錯碼的設(shè)計提供便利。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)檢測過程中的錯誤。該多階光存儲技術(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

　　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”，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(qiáng)度與俘獲的電子數(shù)量成比例，同時也與寫入激光的強(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。

　　電子俘獲光存儲利用了光子效應(yīng)，反應(yīng)速度很快，可以實現(xiàn)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(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)介質(zhì)多階光存儲。 OPtex 對 ETOM 技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并獲得了 12 個核心技術(shù)專利。由于 ETOM 所需的綠激光器在當(dāng)時價格較高，并且消費(fèi)市場上對高容量視頻存儲系統(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。該項目于 1998 年中止，但是作為早期的一種多階光存儲技術(shù)方案，該項目對此后的多階光存儲研究具有相當(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)實現(xiàn)寫入和擦除，探測這兩種狀態(tài)的不同反射率實現(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)整退火時間和溫度，控制相變材料的結(jié)晶程度，則有可能實現(xiàn)多階反射調(diào)制存儲。

　　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技術(shù)，具有比部分結(jié)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(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 ”，可實現(xiàn)基于光致變色材料的數(shù)字存儲。這是一種光子型的記錄方式，反應(yīng)時間極短且反應(yīng)尺度在分子量級。

　　圖 6 光致變色數(shù)字存儲原理

　　理論分析和實驗研究表明，光致變色數(shù)字存儲的反應(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現(xiàn)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(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，已成功實現(xiàn) 8 階幅值調(diào)制光致變色存儲。目前正在進(jìn)行 ML - RLL 光致變色記錄的實驗研究，有望實現(xiàn)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(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，可以實現(xiàn)頻率維的多波長存儲。與前面的光致變色多階光存儲相結(jié)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(jìn)一步提高光存儲容量和數(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技術(shù)進(jìn)行了較為廣泛的探討。事實上，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系統(tǒng)中扮演重要角色。從系統(tǒng)實現(xiàn)、存儲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蛻?yīng)用前景。當(dāng)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(xiàn)更具吸引力的多階光存儲技術(shù)路線，讓我們拭目以待!