多阶光存储技术研究进展

一、前言

信息技术的发展对光存储系统容量和数据传输率提出了越来越高的要求。传统光存储受到光学衍射极限的限制，采用缩短激光波长和增大数值孔径的方法来提高存储密度的空间非常有限。多阶光存储技术能够在不改变光学数值孔径的情况下，利用先进的信号处理与编码技术，显著提高存储容量和数据传输率，目前已经成为国内外光存储研究的热点方向之一。

在传统的光存储系统中，二元数据序列存储在记录介质中，记录符只有两种不同的物理状态，例如只读光盘中交替变化的坑岸形貌。光盘信号读出时，通过检测坑岸边沿从而恢复所记录的数据。如果改变二元记录符的形貌，使得读出信号呈现多阶特性，或者直接采用多阶记录介质，则可实现多阶光存储。前者称为信号多阶光存储，后者称为介质多阶光存储。理论上每个多阶记录符可存储的信息高达 log 2 M 比特，其中 M > 2 为记录阶次，而且数据传输率也得到相应的提高。多阶光存储技术的一个突出优点是，它能够与其它提高存储密度的方法并行使用，如应用在较小激光波长、较大物镜数值孔径的光存储系统中。本文对上述两类多阶光存储方法进行概述，对各种多阶光存储的方案原理进行深入分析与比较，并展望多阶光存储技术的发展研究方向。

二、信号多阶光存储

2 . 1 坑深调制

坑深调制( PDM ： Pit Depth Modulation )是一种较为早期的多阶光存储方案。 Calimetrics 公司研究了具有 8 种不同坑深的多阶只读光盘，如图 1 所示。在这种多阶只读光盘中，信息坑的宽度固定为 t min ，信息坑的深度具有 M 种不同的可能，代表着不同的阶次。根据光盘读出的衍射理论，对于不同深度的信息坑，其读出光在光电探测器上呈现不同光强，从而实现多阶坑深调制。这是一种典型的信号多阶光存储方案，由于记录符的深度有着不同阶次，使得读出信号具有多阶特性。与相同参数的传统只读光盘相比， 8 阶 PDM 技术可以实现约 3 倍的存储容量。

图 1 PDM 多阶技术

PDM 多阶技术在读出时直接利用反射光的光强判断当前记录符的阶次，由于噪声、盘片缺陷等影响容易造成读出错误，导致较高的误码率。为了提高读出信号的分辨率和抗干扰能力， Matsushita 公司在 PDM 多阶技术的基础上提出了偏振读出的方法：在记录层上覆盖一层双折射晶体的薄膜，激光照射在不同深度的信息坑上时，由于在双折射薄膜中的光程不同，导致出射光的偏振角不同，由此根据出射光的偏振态可以判断当前记录符的阶次。采用偏振读出方式可以达到更高的分辨率，在同样的深度范围内实现更多的阶数。这种方式的缺点是检测系统过于复杂，难以实现小型化和实用化;而且制造盘片的工艺基本采用了 MEMS 路线，应用于大批量生产难度较大。

此外， Sharp 公司提出了一种 PEDM ( Pit Edge & Depth Modulation )多阶技术。 PEDM 综合利用了读出信号 RF 和切向推挽信号 TPP ( Tangential Push-Pull )，其盘片上有两种不同深度的信息坑，它们产生的 RF 信号的强度相同，但 TPP 信号的极性相反。将坑深信号与坑点边缘信号相结合，可以实现 3 阶记录。坑深调制多阶技术的关键在于模压形成具有多种坑深的只读盘片。然而要精确控制信息坑的深度对生产工艺的要求很高，大批量生产的成品率更难以保证。因此，坑深调制多阶光存储技术的前景不明。

2 . 2 坑边沿调制

Sony 公司研究了一种利用信息坑边沿相对于固定时钟的变化来存储信息的多阶技术，实际上是利用信息坑长度的变化实现多阶光存储效果，称为 SCIPER ( Single carrier Independent Pit Edge Recording )。在现有的光盘系统中，信息坑的起始和结束边沿与时钟边沿要求是严格对齐的，其差别称为抖晃。抖晃是目前光盘系统误码率的主要来源，抖晃值过大将影响系统时钟的恢复，增大解码错误率。在 SCIPER 多阶技术中，有特别的途径提供精确的时钟和时钟边沿，信息坑的边沿相对于时钟是变化的。可以说， SCIPER 正是利用了"抖晃"来记录信息。

图 2 是 SCIPER 多阶光存储的示意图。可以看到，信息坑的起始和结束边沿相对于时钟边沿都可以按一定的步长变化。在固定的采样时刻，对不同的起始边沿采样得到 RF 信号也是不同的，由此可以判断当前信息坑起始边沿所记录的阶次。对信息坑的结束边沿也采用类似处理。假设信息坑的起始和结束边沿的可能位置数均为 8 ，那么一个信息坑的边沿变化可能出现 64 种状态，即一个信息坑可存储 6 比特的信息，大大高于传统光盘的记录密度。

图 2 SCIPER 多阶光存储

Sony 公司在利用 SCIPER 多阶技术提高线密度的同时，还研究了径向部分响应技术( RPR ： Radial Direction Partial Response )。 RPR 通过对相邻道之间的记录数据进行预编码消除道间串扰，将道间距减小为原来的 1 / 2 ，从而提高径向记录密度。这两种技术结合在一起，称为 SCIPER - RPR 技术，可以显著地提高只读光盘的面密度。 SCIPER 多阶技术的实现难点在于需要高精度地探测信息坑边沿的微小变化，并采用精度极高的母盘刻录系统。 Sony 公司和 Sharp 公司利用达到纳米精度级别的 XY 工作台，配合使用电子束母盘刻录技术，于 2002 年实现了 25GB / inch 2 的记录密度， 2003 年则进一步提高到 40GB / inch 2 。随着信号处理技术的发展， SCIPER 具有较好的应用前景。

2 . 3 坑形调制

Philips 公司于 2001 年提出了一种 LML ( Limited Multi - Level )多阶光存储技术。这种技术应用在只读盘片中，可以兼容现有的 CD 、 DVD 系统。

在现有的光盘系统中，较短的信息坑对应的 RF 信号幅值较低，较长的信息坑对应的 RF 信号将上升到饱和幅值。 LML 多阶技术是在较长的信息坑(或岸)上加入一些"扰动"，稍微改变信息坑(或岸)的形状使其 RF 信号降低，从而实现多阶光存储。

考虑 CD - ROM 系统的技术参数，能够加入"扰动"的信息坑长度至少是 ST 。图 3 ( a )和图 3 ( b )为采用 LML 多阶技术的盘片扫描图。长度小于 5 T 的信息坑形状不变， 5T 及 5T 以上的信息坑(或岸)的形状有一些变化。图 3 ( c )是加入了坑形调制的盘片读出时的 RF 信号网眼图。可以看出，信息坑的形状改变前后其 RF 信号幅度相差约 30 %。根据 Philips 公司给出的数据，采用坑形调制多阶技术后，盘片的存储容量大约能够提高 24 %。

( a ) LML 的 5T 多阶信息坑 ( b ) LML 的 5T 多阶信息岸

( C ) LML 多阶技术的信号网眼图

图 3 LML 多阶光存储技术

此外， Sony 公司还提出了一种 GBR ( Groove Baseband Recording )的多阶只读光盘技术，多阶信号由记录槽壁摆动的量来表示。如果记录槽的两壁分别记录 4 阶的信号，组合在一起则得到 16 阶的多阶信号。该信号不包含直流分量，并消除了码间干扰。这种方法是利用信息坑形状调制实现多阶光存储的一种特殊情况：单个的信息坑实际已不存在，所有的信息坑连成一体，依靠坑壁的摆动存储多阶数据，类似于模拟数据存储。 LML 与 GBR 方案与通常思路下的多阶光存储技术有着明显不同，反映了科研人员对多阶光存储技术的积极探索。目前尚未见到公开发表的后续研究成果。

2 . 4 记录符大小调制

Calimetrics 在提出应用于只读光盘的坑深调制多阶技术后，主要研究在相变类和一次性可写类光盘上实现多阶光存储，称为 ML 技术。这是一种记录符大小调制( Mark-size Modulation )的多阶光存储方案，其原理如图 4 所示。在传统的 CD - R / RW 光盘中，数据写入采用游程长度受限( RLL ： Run-length limited )调制，记录符的长度介于 0.833 μ m 至 3.05 μ m 之间，最小记录单元可记录 1.4 比特的信息。在采用 ML 技术的 CD 系统中，每个记录符的长度固定为 0.6 微米，记录符大小则有所不同。 Calimetrics 已成功地实现了 8 阶 ML 技术，通过精确控制记录符的大小，来获得 8 种不同的反射光强，从而在普通 CD - R/RW 盘片上进行多阶读写，每个记录符可存储 2.5 比特的信息，盘片容量达到 2.0G ，数据传输率也大幅提高。ML 技术通过改变光存储系统中的写入调制方法，从而在固定带宽的存储

图 4 CalimCtrics 的 ML 技术

信道中记录更多的信息，其多阶数据写入和读出过程如图 5 所示。 ML 系统采用了更有效的里德一所罗门纠错码。与传统 CD 系统中的交织编码不同，纠错码块之间不交叉存储，每个码块都作为独立的单元存储。 ML 系统采用了码率为 5 / 6 的格栅码( Trellis Codes )作为调制码，能够提供附加的纠错能力以满足 ML 光存储系统的信噪比要求。

图 5 ML 系统写入与读出过程

在多阶写策略中采用预补偿技术，可有效改善 ML 系统的非线性响应特性，同时利用多阶功率优化控制，补偿写入过程中的功率漂移，以保证聚焦和道跟踪回路以标准读出模式连续运行。信号读出采用了 11 抽头的自适应迫零均衡器，可以消除不同驱动器的机械和光学系统差异带来的信号偏差。数据检测采用维特比( Viterbi )解码器，可以实现 10 -5 的低误码率，经过纠错解码后能够保证 ML 系统的误码要求。

ML 技术可以应用于不同参数的光存储系统中。如表 1 所示，将 8 阶 ML 技术应用于 DVD 系统中，可获得 7GB 的存储容量;如果采用 12 阶 ML ( HDML )技术，则可获得 10GB 的存储容量。将 ML 技术与蓝光 DVD (激光波长为 405nrn ，物镜数值孔径为 0.65 )技术相结合，可得到 22GB 的存储容量;如果采用高数值孔径(物镜数值孔径为 0.85 )，则可得到高达 34GB 的存储容量。目前， Calimetrics 正与 Philips 公司合作研究，将 ML 技术应用于蓝光 DVD 或 Blu - ray 系统中。 ML 技术的突出优点是无需改变驱动器的光学头和机械结构，其实现只需在系统电路中添加一颗 ML 芯片和做少量的修改，具有广阔的发展应用前景。

表 1 多阶( ML )光存储系统参数

Ricoh 公司也研究了基于相变材料的多阶光存储技术，其存储原理与 Calimetricss 的 ML 技术类似，但是采用了不同的信号检测方法。 Ricoh 提出了一种 DDPR ( Data Detection using Pattern Recognition )检测技术，能够有效消除多阶记录符之间的非线性码间干扰，降低系统的初始误码率，为后续纠错码的设计提供便利。此外， Ricoh 采用了 LLM ( LSB Limited Modulation )调制编码技术，对检测数据的最低位加以约束限制，从而进一步消除数据检测过程中的错误。该多阶光存储技术可以获得 1.7 倍于传统 DVD 的记录密度。

三、介质所阶光存储

3 . 1 电子俘获多阶技术

OPtex 通信公司于 1992 年着手研究电子俘获光存储技术( ETOM ： Electron - Trapping Optical Memory )。 ETOM 光盘的记录层中掺杂有两种稀土元素，利用短波长激光(例如蓝光)来实现数据写入。当第一种掺杂离子吸收光子后，其电子被激发到高能级状态。该电子可能被第二种掺杂离子"俘获"，实现数据的写入。读出时，用另一长波长激光(例如红光)将俘获的电子释放到原来的低能级状态，存储的能量以荧光的形式释放出来，可供后续信号探测。由于发出的荧光强度与俘获的电子数量成比例，同时也与写入激光的强度成比例，该写入/读出过程具有线性响应，使得电子俘获材料适用于数字光存储。

电子俘获光存储利用了光子效应，反应速度很快，可以实现纳秒时间的读写。更重要的是， ETOM 光盘能够在多个能级上记录数据，从而实现介质多阶光存储。 OPtex 对 ETOM 技术进行了深入研究，并获得了 12 个核心技术专利。由于 ETOM 所需的绿激光器在当时价格较高，并且消费市场上对高容量视频存储系统的需求不够急迫，导致 ETOM 技术的产品化未能顺利进行。该项目于 1998 年中止，但是作为早期的一种多阶光存储技术方案，该项目对此后的多阶光存储研究具有相当重要的借鉴意义。

3 . 2 部分结晶多阶技术

新加坡数据存储中心( DSI )研究了基于相变材料的部分结晶( Partial Crystallization )多阶技术。在当前广泛应用的相变光盘中，通过不同激光功率加热记录介质，获得不同反射率的晶态与非晶态两种结构实现写入和擦除，探测这两种状态的不同反射率实现信号读出。利用足够高功率的激光加热相变材料直至超过熔点，然后迅速淬火降至室温，可以得到非晶态。如果在结晶温度和熔点之间的范围内逐渐退火，则得到晶态。晶态与非晶态之间可能存在一种部分结晶的状态，通过调整退火时间和温度，控制相变材料的结晶程度，则有可能实现多阶反射调制存储。

3 . 3 光致变色多阶技术

清华大学光盘国家工程研究中心( OMNERC )提出了光致变色多阶光存储技术，具有比部分结晶相变材料更好的多阶光存储特性。在不同波长光照射下，光致变色材料能够在不同化学状态之间发生快速可逆转换，如图 6 所示， A 和 B 两种稳定的化学状态的吸收谱完全不同，以这两种状态来表示数字" 0 "和" 1 "，可实现基于光致变色材料的数字存储。这是一种光子型的记录方式，反应时间极短且反应尺度在分子量级。

图 6 光致变色数字存储原理

理论分析和实验研究表明，光致变色数字存储的反应程度与所吸收的光子数目相关，通过控制写入激光的能量，可以在光致变色材料上实现多阶光存储，并且分阶特性优于传统的相变材料。利用光致变色材料的合成技术，已经分别获得了吸收峰在 780nm ， 650nm 和 5532nm 附近的光致变色材料，它们的吸收峰与当前用于光存储的激光波长相对应。采用与 DVD 系统相同的激光波长和数值孔径，已成功实现 8 阶幅值调制光致变色存储。目前正在进行 ML - RLL 光致变色记录的实验研究，有望实现超过 15G 的存储容量。

由于光致变色材料对入射光具有选择性吸收的特点，如果将具有不同敏感波段的多种光致变色材料作为记录层，用多种波长的激光进行多记录层的并行读写，可以实现频率维的多波长存储。与前面的光致变色多阶光存储相结合， OMNERC 提出了光致变色多波长多阶( MWML )光存储方案，通过多阶和并行编码，能够进一步提高光存储容量和数据传输率。由于 MWML 的记录层由多种光致变色材料混合旋涂而成，可以很方便的实现读写过程中的聚焦和道跟踪;并且 MWML 光盘与现有的光盘系统有较好的兼容性，具有相当广阔的应用前景。

四、展望

近十年来，科研人员对多阶光存储技术进行了较为广泛的探讨。事实上，在通信系统中多阶数字传输技术已经相当成熟，将多阶概念从通信系统移植到存储系统则需要科研人员更为细致深入的工作。随着信号检测处理与编码技术的发展，多阶技术有望在未来大容量光存储系统中扮演重要角色。从系统实现、存储性能和兼容性等方面来看， Sony 的 SCIPER 技术、 Calimetrics 的 ML 技术与 OMNERC 的 MWML 技术具有较好的发展潜力和应用前景。当然，目前评价或断言某种多阶存储方案具有绝对优势为时过早。不过有理由相信，在不久的将来必定能够出现更具吸引力的多阶光存储技术路线，让我们拭目以待!