《大話光存儲（1）光存儲基本原理》要點：
本文介紹了大話光存儲（1）光存儲基本原理，希望對您有用。如果有疑問，可以聯系我們。

大家好.好久沒有寫東西了.最近冬瓜哥在醞釀一件大事,所以沒來得及寫點啥.從本期開始,冬瓜哥將為大家大話光存儲,本篇先介紹一些光存儲的基本原理.

本文目錄：

• 光盤是如何存儲數據的
• 壓(預錄)盤與刻(刻錄)盤的區別
• 微觀結構
• 多層記錄

光存儲系統這么多年來一直都給人一種默默無聞的感覺.自從2000~2005這5年來著實憑借著VCD、DVD火了一把之后,后續可以說是杳無音信了.當時全國各地電子市場里泛濫的光盤,軟件、游戲、電影、CD,加上個封皮,琳瑯滿目.門口用的最高頻率的詞匯就是“要碟么,軟件游戲”,就像如今北京中關村樓下的“維修這邊”一樣,只不過后者是坑死你不帶喘氣的.

不瞞您說,冬瓜哥至今還保留了一些光盤,比如某殺毒軟件的安裝盤等,其中也不乏當時刻錄下來的一些內容,但是里面的東西現在基本可以說是沒用了.不過試了試用光驅讀了一下,10年前的CD-R刻錄盤依然可以讀出.

【光盤是如何存數據的】

商品光盤是在聚碳酸酯表面壓出凹坑,利用凹坑邊沿表示1,坑底或者上表面都表示0.有人可能會有疑問如果兩個連續的1應該怎么表示,光盤里的數據是經過特殊的重新編碼的,會保證不出現兩個連續的1.

把布滿凹坑的盤片表面濺鍍一層鋁反射膜,當激光照射到凹坑時,凹坑的內壁對光產生了散射作用,并不是所有光線都原路反射回去,所以接收到的反射光強度變弱；而照射到沒有凹進去的地方,反射光強度比凹坑所反射的要強.將光強度用光敏器件轉換成連續變化的電流/電壓的信號,并用采樣器采樣成數字信號,并保存到緩沖存儲器中,便實現了數據的讀出.

實際中的裝置與邁克爾遜干涉儀類似.采用一塊半透半反射的玻璃,既能夠投射光源發出的激光,還能將反射光反射到探測器.

當仔細觀察光盤表面時,會發現上面有非常細密的反光點,這些反光點就是由表面致密的不平整凹坑導致的,如果沒有凹坑那就和看一面平整的鏡子一樣了,什么都看不出來.

CD-ROM系統采用的是780nm波長的紅色激光光學系統,凹坑深度為0.11微米左右,最小寬度約為0.83微米左右.如果要表示連續的0,則凹坑寬度會變寬.光道之間的間隔約為1.6微米左右.

而DVD格式的光道間距與凹坑寬度都有縮小,所以其存儲密度大增,達到了單面4.7GB的容量.相應的,其光學系統精密度和分辨率也提升了,采用650nm波長紅色激光系統.

【壓(預錄)盤和刻(刻錄)盤的區別】

有人可能會好奇了,光盤上這些致密的凹坑到底是如何制作上去的呢?用刀子肯定無法雕刻上去,因為再精密的刀尖,其表面積都要比一個凹坑大了.只有用激光來雕刻了.但是如此多的凹坑,就算雕刻每個凹坑需要比如1ms的時間,那么雕刻一整張盤,需要兩個多月的時間.而且還要保持一定的激光發射功率,才能將塑料表面有效燒灼.這個完全不現實,或許沒等一張盤雕刻完成,激光頭早已燒壞.

實際上,商品光盤是用模具沖壓出來的.首先,在光學玻璃片上涂上一層感光膠,然后把需要存儲到玻璃片上的數據轉換為激光強度的強弱信號,隨著玻璃片的轉動,照射到感光膠上,這樣的話,感光膠表面就被燒灼出一個一個的燒灼點.被照射足夠強度的光點,其化學性質發生了強烈變化,導致其可以被某種化學溶劑溶解(顯影),而弱感光點處無法被溶解.這樣被溶解的地方就產生了凹坑.可以看到這種凹坑的產生代價很低,因為激光并不是直接燒穿底下的介質,而只是照射一下而已,所以生產速度也非常快.

凹坑出現之后,在玻璃片表面上蒸鍍一層銀作為導電層,以便為以后的電鑄過程做準備.將該玻璃片放入含有鎳離子的電解液中,通電后,玻璃片表面不斷吸引鎳離子,鎳層不斷增厚,最終形成一個0.3毫米的鎳片,最終這層鎳金屬片把凹坑復制了起來.

然后,將這層金屬殼子撕下來,就形成了一個比較薄的金屬模具,只不過其表示的內容與實際內容相反.該模具稱為父盤,由于其較薄,無法直接當做模具去沖壓塑料盤片,所以需要在其上方再用鎳離子電鑄成另一鎳金屬薄片,分離后形成母盤,然后再在母盤上電鑄較厚的鎳金屬片,形成具有足夠硬度的成型模具(子盤).

這個磨具就叫做壓膜,只要用這個壓膜去沖壓新的塑料盤片,那么壓膜凸出來的地方就會把塑料盤沖壓出對應的凹坑.如果你認為實際的生產機器真的是像壓面餅一樣,那就大錯特錯了.

想想就可以,一個凹坑的深度和寬度實在是太小了,怎么可能壓一下就能在聚碳酸酯上壓出一個印子來呢?另外,聚碳酸酯塑料片也很硬,雖然磨具更硬,但是直接壓壓出這么細小的痕跡也是有難度的.按照我們日常生活中的經驗來看,要想壓出足夠深刻的印記,必須把兩樣物品接觸足夠長時間,而且要使勁按壓.是的,注塑機也是這么做的.(圖：紫晶存儲的藍光生產設備)

首先讓壓模和底座之間形成一個閉合的空腔,然后將熔融的聚碳酸脂液體注入到該空腔中,同時,積壓該空腔成為與我們所見的光盤同樣的厚度,給聚碳酸脂液體一個壓力,使其完全充入到模具凹坑里,并開始強制冷卻,最后出鍋,形成光盤.該過程在3到5秒內完成.

下一步則是將反光層濺鍍到盤片表面.其原理是利用電場力將鋁原子濺射到盤片表面,形成一個只有幾個鋁原子厚的反光層.然后噴涂一層透明耐候保護膠作為保護層,然后在背面印刷一些圖案、字體等,一張成品光盤就只做好了.

這就是所謂“壓盤”.用一張壓模,加上一堆塑料,就能壓出無數帶有數據的商品盤來.壓盤是量產的絕好工具,雖然制作一個模具需要耗費不小的成本,但是其壓出的千萬張光盤,薄利多銷,是可以彌補這個成本耗費的.

刻盤則不同,一般只刻錄一張,自己留用.難道此時真的是用刻錄機光驅激光頭強行在盤片上燒出凹坑?不是的.可刻錄的盤片表面先被壓出對應的光道溝槽,然后在溝槽底部濺鍍上反射層,然后噴涂上一層感光染料,再覆蓋一層保護層.刻錄時,光頭沿著溝槽運動,并將溝槽下方對應的區域加熱,將感光染料的性質改變,形成燒灼斑點,斑點的反光度較低,于是就可以分辨出0和1了.

【微觀結構】

CD-ROM或者DVD-ROM是沒有溝槽的.而可刻錄盤片是被預先用模具壓上溝槽的.

?刻錄DVD的溝槽實際上是按照波浪形狀壓制的,實際上是被調制了一些信息的正弦波形狀.按照一倍速轉速,該正弦波形會以一定頻率出現,DVD-R(W)是140.6KHz,DVD+R(W)則為817.4KHz.該波形上所調制的信息包括：地址信息、速度信息等.DVD-R(W)是將絕對時間間隔調制到波形上,而將地址信息預刻到溝槽的凸出部分(俗稱“岸”)上.DVD+R(W)則是將溝槽地址信息調制到溝槽波形的相位上.這種波浪形溝槽的反射光也會按照波形呈現對應的強度變化,被光檢測器收到之后,輸入到對應的模擬電路模塊,轉換成電信號,還原出對應的波形,并經過解調電路,還原出對應的信息,從而讓光驅能夠判斷出當前的轉速和溝槽地址.

對于可重復擦寫型刻錄盤,其并非采用染料來作為記錄介質,而是采用相變材料.出廠后的新RW光盤溝槽中的介質處于結晶狀態.在寫入數據時,刻錄機光頭發出高功率激光時,激光的能量使相變材料的溫度超過熔化溫度,達到熔化狀態,但由于時間短于結晶時間,因此被照射的區域相變材料由晶態變為非晶態.晶態區域與非晶態區域的透射率不一樣：晶態相有較高的透光率,可讓射線通過到達反射層,而非晶態則很難讓光線通過,所以反射回來的光線強度很低.擦除操作則是通過光頭發出中等功率的激光,使其溫度超過晶格化溫度但不到熔化溫度,且保證照射時間超過結晶時間,則可以使非結晶區域重新變回晶態.下圖是未刻錄之前的光盤表面原子力顯微鏡照片.

下圖則是刻錄之后的照片,可以明顯看到光斑.

DVD D9格式采用的是單面雙層記錄,D10則是正反兩面都存數據,?DVD D18則是兩面每面都是雙層記錄.難道在刻錄第二層的時候不會影響第一層的數據么?不會,因為激光被聚焦在第二層處,第一層對應區域的溫度不會達到破壞已刻錄數據的閾值.在讀出數據時也是利用焦距的不同來讀取不同層的數據.

本篇告一段落.在下一篇中,冬瓜哥將為大家介紹激光頭是如何如此精準的定位、糾偏、讀寫數據的.以及介紹一下目前最新的光存儲技術——藍光技術.敬請期待.

文：冬瓜哥

文章出處：大話存儲

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