【2017年整理】光存储器原理

《【2017年整理】光存储器原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】光存储器原理（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、光存储原理在 光 存 储 技 术 中 ， 利 用 光 盘 上 的 凹 坑 或 变 性 来 保 存 数 据 ， 用 带 激 光 头 的 光 驱 来 读 写 数 据 。 光 盘 用 带 金 属反 射 层 的 塑 料 聚 合 物 制 成 ， 轻 便 又 结 实 ， 而 且 防 磁 、 防 水 和 防 摔 。为 了 充 分 利 用 盘 面 空 间 ， 光 盘 采 用 了 螺旋线光道和 恒定线速度电机，这与 采 用 同 心 环 磁 道 和 恒定角速度电机的 普 通 磁 盘 有 着 很 大 的 不 同 。为 了 能 正 确 并 有 效 地 读 取 光 盘 中 的 数 据 ， 在 光 盘 的 数 据 存 储

2、 上 ， 采 用 了 位 调 制 型 通 道 编 码 和 错 误 检 测 与校 正 技 术 。只 读 型 光 盘 采 用 母 盘 压 制 的 方 法 来 进 行 批 量 生 产 ； 一 次 性 刻 录 盘 （ R） 和 可 反 复 擦 写 盘 （ RW） 则 采用 激 光 加 热 相 变 的 方 法 ， 来 改 变 介 质 的 光 反 射 率 ， 达 到 擦 写 数 据 的 目 的 。CD、 DVD 和 BD 与 HD DVD 等 光 盘 ， 都 采 用 了 同 样 的 光 存 储 原 理 ， 只 是 它 们 所 用 的 激 光 波 长 不 同 ， 在 具 体的 参 数 和 技 术 细 节 上

3、 也 有 所 差 别 。2.1 光盘工作原理CD、DVD、HD DVD 和 BD 等光盘（Optical disc），都采用了类似的盘片与光道结构，以及数据表示与读写方法。l 盘片结构与读取（只读）光盘主要由保护层、反射激光的（铝、银、金等）金属反射层、刻槽层和（聚碳酸脂）塑料基衬垫组成。光盘的外径一般为 120 毫米（4.75 英寸）（也有 80 毫米即 3.15 英寸外径的小型盘片）、内径 15 毫米、厚 1.2 毫米，重量为 14 克18 克。CD-DA（激光唱盘）分 3 个区：导入区、导出区和声音数据记录区，如光盘在驱动马达的带动下高速旋转，光头发射的激光束经透明的塑料基后被金属反射层

4、反射，反射的光经棱镜分光后被光头所接收。存储的数据用光盘刻槽层上的凹坑（pit）和岸台（land）表示，光驱利用坑台交界处反射光强的突变来读取数据。l 光道结构光盘光道的结构与磁盘磁道的结构不同：磁盘存放数据的磁道是多个同心环，而光盘的光道则是一条螺旋线（CD 盘的光道长度大约为 5 公里。磁盘片转动的角速度是恒定的，通常用 CAV (Constant Angular Velocity，恒定角速度)表示。但在不同的磁道上，磁头相对于磁道的速度(称为线速度)是不同的。采用同心环磁道的好处之一是控制简单，便于随机存取。但由于内外磁道的记录密度(比特/每英寸)不相同，外磁道的记录密度低，内磁道的记录

5、密度高，外磁道的存储空间就没有得到充分利用，因而存储器没有达到应有的存储容量。光盘转动的角速度在光盘的内外区是不同的，而它的线速度是恒定的，就是光头相对于盘片运动的线速度是恒定的，通常用 CLV(Constant Linear Velocity，恒定线速度)表示。由于采用了恒定线速度，所以内外光道的记录密度(比特数/每英寸)可以做到一样，这样盘片就得到充分利用，可以达到它应有的数据存储容量。但随机存储特性变得较差，控制也比较复杂（从 CAV 到 CLV，业界花了 30 多年的时间才得以实现）。l 数据的表示和读写1数据表示磁盘利用磁铁的两个极性(南极和北极)来记录“1”和“0”这种二进制数据，

6、使用磁头来读取数据。光盘则是利用在盘上压制凹坑的机械办法，利用凹坑的边缘来记录“1”、而用凹坑和岸台的平坦部分记录“0”，使用激光来读出。附注：除了普通的光盘外，还有磁光盘(Magneto Optical Disc，MOD)和相变光盘(Phase Change Disc，PCD)，它们记录和读写数据的方式与普通光盘不同。MOD 利用磁的记忆特性，借助激光来写入和读出数据；PCD 则是利用一些特殊的材料，这些材料在激光加热前后的反射率不同，利用它们的反射率不同来记忆“1”和“0”。使用磁盘驱动器时，既可以把数据写入到盘上，又可以从盘上读出数据；磁光盘和相变光盘也同样具有写入和读出两个功能，而且可

7、以在同一台驱动器上完成。可是只读光盘，则只能读光盘上的数据，而不能自己把数据写到光盘上。当然，我们也可以利用光盘刻录机和-R/RW 型光盘来一次性写入/反复擦写数据。2数据写入只读型光盘（如 CD-DA、CD-ROM、DVD-Video、DVD-ROM 等）上的数据是用压模(stamper)冲压而成的，而压模是用原版的主盘(master disc)制成的。在制作原版盘时，是用编码后的二进制数据去调制聚焦激光束，如果写入的数据为“0”，就不让激光束通过，写入“1”时，就让激光束通过，或者相反。在制作原版盘的玻璃盘上涂有感光胶，曝了光的地方经化学处理后就形成凹坑，没有曝光的地方保持原样，二进制信息

8、就以这样的形式刻录在原版盘上。在经过化学处理后的玻璃盘表面上镀一层金属，用这种盘去制作母盘(mother disc)，然后用母盘制作压模，再用压模去大批量复制。成千上万的 CD 盘就是用压模压出来的，所以价格才这样便宜（一般一张盘的生产成本才几角钱，当然版权费除外）。对刻录盘的数据读写原理，将在后面的 18.2.5 中介绍。3数据读出光盘上的数据要用光驱来阅读。光驱由光学读出头、光学读出头驱动机构、光盘驱动机构、控制线路以及处理光学读出头读出信号的电子线路等组成。光学读出头是光盘系统的核心部件之一，它由光电检测器、透镜、激光束分离器、激光器等元件组成，它的结构如图 18-15 所示。激光器（一

9、般采用激光二极管）发出的激光经过几个透镜聚焦后到达光盘，从光盘上反射回来的激光束沿原来的光路返回，到达激光束分离器后反射到光电二极管检测器，由其把光信号变成电信号，再经过电子线路处理后还原成原来的二进制数据。 光盘上压制了许多凹坑，激光束在跨越凹坑的边缘时，反射的光的强度有突变，光盘就是利用这个极其简单的原理来区分“1”和“0”的。凹坑的边缘代表“1”，凹坑和岸台的平坦部分代表“0”，一定长度的凹坑和岸台都代表着若干个“0”。 从图中可以看到，光驱在工作时，光学读出头与盘之间是不接触的，因此不必担心光头和盘之间的磨损问题。但是光盘与光头之间的缝隙是有要求的，如果盘面不平和倾斜，轻者会导致数据读

10、取错误，重者会损坏光头。l 双面和多层CD 是单层单面的，为了提高存储容量，除了缩短激光波长，增加盘面的数据密度外，DVD（双层）、HD DVD（三层）和 BD（8 层）光盘都采用了双面和多层技术。使用盘片的两个面来记录数据，以及在一个面上制作好几个记录层，这无疑会大大增加光盘的容量。在 IBM 工作的科学家，于 1994 年就声称他们能够制作 10 层的盘片。为了从最里面的记录层反射回足够强的光，可采用一种称为 CLC(cholesteric liquid crystal 胆甾型液晶)的记录媒体。常规的 CD 盘只使用一个面，并且只制作一个记录层来记录信息。DVD 光盘率先采用了单面双层、双

11、面单层和双面双层的光盘结构。单面双层光盘的结构如图 18-18 所示，其（数据面）表层称为第 0 层，里层称为第 1 层。第 0 层采用了一种新型半透明(semi-transmissive)薄膜涂层，可让激光束透过表层到达第 1 层。开始工作时，激光束首先在第 1 层上聚焦和光道定位。当从第0 层上读出信息过渡到从第 1 层上读出信息时，激光读出头的激光束立即重新聚焦，电子线路中的缓冲存储器可确保从第 0 层到第 1 层的平稳过渡，而不会使信息中断。单面单层 DVD 盘的容量为 4.7 GB（DVD-5）、单面双层 DVD 盘的容量为 8.5 GB（DVD-9）、双面单层DVD 盘的容量为 9

12、.4GB（DVD-10）、而双面双层 DVD 盘的容量可达到 17 GB（DVD-18）。 不过由于制作成本和使用不便等原因，市面上很少有双面的 DVD 盘销售，而 DVD-18 盘则更是从未被生产过。l 光盘转速由于光驱采用机械式旋转方法来读取光盘中的数据，而当盘片的转速超过 10000 转分时，过度的抖动会影响读盘的正确性，所以每分钟 1 万转成为光盘的转速上限。参见表 18-9。表 19 光盘的转速和速率速度与速率 CD DVD HD DVD BD单倍 线速度 1.2-1.4m/s 3.5m/s 5.6-6.1m/s 4.6-5.3m/s数据率 0.15MB/s 1.385MB/s 4.

13、569MB/s 4.5 MB/s倍速 52x 16x 8x 12x最高数据率 7.8MB/s 22.16MB/s 36.55MB/s 54MB/s2.2 只读光盘制作各种只读光盘（如 CD-DA、VCD、CD-ROM，DVD、DVD-Audio、DVD-ROM 等）的制作过程都相同，大致分成如下三个阶段。1原版盘预制作原版盘预制作(Premastering)，或者称为母盘预制作。对于音乐盘，把制作好的音乐节目转换成标准的CD-DA 或 DVD-Audio 格式；而对于视频盘，把影视节目转换成 VCD/DVD 标准记录格式，这个过程也叫做预处理。具体的格式在彩皮书和 Book AC 中有详细说明

14、，这项工作通常是由软件来完成，这种软件称为转换软件，或者称为编码器(Encoder)。2原版盘制作原版盘制作(Mastering)，或者称为母盘制作。原版盘制作包括：(1) 把符合音视频光盘标准格式的数据经过一个 EFM 或 EFM+编码器变成串行数据流，也就是前面介绍过的 8 到 14 调制，意思是把一个 8 比特的数据变成 14 比特的数据，再附加 3 或 2 比特用来分隔，以改善读/写信号的质量，这样 8 比特的并行数据就转换成物理通道上的 17 或 16 比特串行数据。(2) 把一片涂有光敏电阻的玻璃盘在旋转平台上进行光刻。参看图 18-19，激光源发出的激光束通过激光调制器时受到串行

15、数据的控制，例如，数据“0”就不让激光束通过，光敏电阻就不曝光；数据“1”就让激光束通过，光敏电阻就曝光，这样在玻璃盘上就形成长短不同的曝光区和非曝光区。激光调制器犹如一个开关。 (3) 对光刻的玻璃盘进行化学处理，盘上曝了光的区域被腐蚀掉形成凹坑，没有曝光的区域就被保留下来，“0”、“1”信号就以凹坑和非凹坑的形式记录在螺旋形光道上。(4) 对经过化学处理的玻璃盘进行化学电镀生成金属原版盘，称为父盘(father disc)，通过父盘再制作母盘(mother disc)，然后由母盘制作出子盘(son disc)，子盘就是压模(stamper)。3大批量复制只读光盘的盘基是用聚碳酸脂塑料做的，

16、因此大多数大批量复制设备是用塑料注射成型机。聚碳酸脂加热之后注入盘模里，压模就把它上面的数据压制到正在冷却的塑料盘上，然后在盘上溅射一层铝，用于读出数据时反射激光束，最后涂一层保护漆和印制标牌。对于多层只读光盘（如 DVD-9 和多层 BD、HD DVD 等），还要添加各层之间的粘贴步骤。除了只能读不能写的只读型-ROM（Read-Only Memory，只读存储器）光盘外，还有可写一次-R(Recordable，可记录)与反复擦写-RW (ReWritable，可重写)的光盘。它们除了可以被读取之外，还都能够写入数据。CD-R/DVDR 与 CD-RW/DVDRW 之间的差别是：R 只能写一次，不能擦掉后重写；而RW 则可以反复擦写。其实在R 与RW 出现之前，已经有另一种可擦写光盘技术问世，它就是 CD-MO，类似的技术还有 DVD-RAM，BD 也有磁光盘。CD 光盘技术的橙皮书(Orange Book)标准定义了具有多段(multisession)刻写能力的可记录光盘 CD-