光盘存储器发展概述

1978年，飞利浦公司率先推出激光数字电视和音响系统。不到十年，音质堪称一绝的激光唱盘便压倒录音磁带，风靡了整个世界。无独有偶，激光唱片的孪生兄弟——“光盘”，在同传统磁记录设备的竞争中也获得了极大的成功。

光盘是二进制信息（1或0）的按位光存储器。与磁盘相似的是，在工作中它也以一定速度旋转。与磁盘不同的是，它一般不使用磁头进行读写，多数情况下是利用激光改变介质物理状态来进行写入，并依赖介质的不同物理状态对激光的不同反应来进行读出。

光盘突出的优点是存储容量非常之大，其面存储密度大致相当于磁带的100倍或温彻斯特盘（见本刊1985年5期）的10倍。因此一个直径300毫米的光盘往往可以存储6万页以上的16开文件。此外，它每位信息成本最低、读出误码率较小、寿命长且互换性好。所差的是，数据传输率目前还赶不上大容量的温盘。另外，多数光盘驱动器的价格也较高。

光盘按其读写方式的不同可划分为只读式、一次写入式（以下简称写入式）和可抹式三种类型。只读式光盘是由专业工厂制造的，用户只能从中读取信息，不能自行写入。激光唱盘及电视录像盘即属此类。写入式光盘允许用户直接写入信息，并可在写后直接读出（DRAW），但不能抹除。可抹式光盘则与磁盘相似，不但可以写入，还可以随时抹除。

1984年以前，市场所见主要是只读式光盘。近两年，各种写入式光盘大量涌进市场。从1986年开始，可抹式光盘也逐步实现了商品化。下面简要介绍各类光盘的原理、发展和应用情况。

只读式光盘虽然被称作第一代光盘，诞生也不过十年。这种光盘多以母盘为模使用塑料热压而成，图1是压制成型后的光盘表面放大图，图中小椭圆是用来记录信息的凹坑。图2是光盘横截面凹坑与记录信息位的对应关系，图中每个数据位1对应一个凹坑，不过在实际上，不同的编码其对应关系也不同。压制后的光盘表面还需要涂上反射层，反射层外再罩上透明的保护层，就可以出厂了。这种光盘必须装入光盘驱动器进行读出。读出时用激光束对旋转的光盘进行圆周扫描，同时利用光电管接收反射光，由于凹坑内的反射光发生某种散射，其反射能力就会低于凹坑之间的高平面，因此光电管接收的反射光强度就会发生变化，故光电管输出电压也相应变化，从而读出1或0。

只读式光盘主要用于激光数字唱盘（CD）及电视录像盘。CD唱机近年品种繁衍相当快，今人目不暇接，总的发展趋势是小型化，集成化及多功能化。

在CD唱盘基础上开发的CD—ROM型只读光盘。它是用于微型计算机的最有竞争力的只读存储介质。起初，它的制作工艺、记录格式、检错和纠错方式大多与CD相同，后来逐步建立了相应的工业标准，因此近几年研制生产发展很快。CD—ROM光盘的发展趋势是：①研制与磁盘接口兼容的产品。②向大容量发展。如东芝公司为MSX个人计算机配备了CD—ROM盘，存储图象达9000帧，相当于数据容量13200兆位；美国STC公司的7600型盘则达40000兆位。图3是飞利浦的激光电视系统，它使用了只读式视频光盘，比磁带录象的图象质量高。在计算机的控制下，利用触摸式屏幕上列出的“菜单”，用手指轻触相应条款，即可方便地进行情报咨询等。图4是这类CD—ROM盘驱动器内部主要部件示意图，主要部件有光盘、光学读出头、小车及半导体激光器等。

到1986年为止，CD—ROM盘的世界装运量已达31万台，预计未来的几年内，CD—ROM盘以及其它只读式光盘将继续高速发展。主要用于计算机的数据库或软件库，也可以构成储如名医诊断系统的各类专家系统。由于它可以同时存储文字、声音和图象，成本低、寿命长、保密性强和复制方便，也非常适于教育、出版、咨询、培训及情报部门使用。家用光盘也将持续发展，除作为录象或音响设备外，还可以同时用作家用百科全书和字典，甚至用于家庭事物及账目管理等。

写入式光盘被认为是第二代光盘。60年代开始研制光盘时，为了磁盘竞争，希望研究出可抹除的光盘，但介质材料的问题难以解决，因此从70年代起，研究重点就转向了难度较低的写入式光盘，并很快取得了突破。1982年，东芝Tosfile2000型写入式光盘问世，其容量为16000兆位，可存入A\(_{4}\)（有效面积260×180平方毫米）文献2万页。写入式光盘按其应用场合不同设计成三种类型：

（1）用作文献资料的图象存储：典型产品为上述东芝盘，其记录介质是碲碳合金，该类盘的数据传输率不要求很高，约每秒1兆位。1985年NEC公司推出N7921型光盘组，容量达48000兆位，数据传输率每秒0.785兆位。

（2）用作编码存储：这类光盘要求具有较高的数据传输率和较低的误码率。美国STC公司于1984年提供的STC光盘数据传输率高达每秒24兆位，容量达40000兆位，误码率为10\(^{-}\)12。日立公司1986年生产的301系列光盘子系统，一台计算机可联接4台光盘驱动器，每台容量为20800兆位，其记录介质采用碲硒合金，误码率也是10－12，平均存取时间为250毫秒，既可存储图象又可存储编码。

（3）用作电视存储：典型产品有松下200毫米光盘，记录介质是碲的氧化物，容量为11200兆位，可存储彩色图象3万幅。这种电视光盘并非家用，多用于各业务部门，如存储X光图象等。

以上三种写入式光盘工作原理大致相同。图5上方是该类光盘的结构示意图。从图中可见，盘片是一个夹心结构，在玻璃（或环氧树脂等）盘基上涂一层碲类合金薄膜作为记录层，外面再罩上保护层，两片玻璃盘基的介质面对面扣在一起，记录层就被密封起来了。半导体激光器发出宽约0.2微秒的激光脉冲，经光学读写头聚焦成能量很大的激光束，透过玻璃照射在记录层（碲膜）上，能在瞬间将碲膜气化，烧成宽约0.4微米，长0.6～1.8微米的椭圆小孔。小孔轨迹有螺旋形和同心圆两种，轨距为1.6微米左右。读出时，光学读写头沿径向移动，利用光电二极管接收变化的反射光线。由于读写是非接触式的（头盘之距2毫米），无机械摩擦，所以光头的寿命极长，也几乎不产生噪音。这种光盘的使用环境也不象磁盘那样苛刻，甚至不必担心手摸等类污染，且清洗十分方便。

光盘的伺服控制系统比较复杂，图5是只读式和写入式光盘自动调焦及轨道跟踪的原理框图，图内虚线部分是光头，由楔形半反射棱镜、准直镜和物镜等构成。半反射棱镜既可以直接透过来自激光器的激光束，又可以将来自光盘的反射光转而反射到两组光电二极管上。物镜能够在动圈电机控制下，上下移动，以便实现聚焦的自动调节。准直镜的作用很重要，它产生平行光束，这样就保证物镜移动时不会影响透镜组功能了。自动聚焦原理如下：光盘的反射光经楔形反射棱镜分裂成相等的两束光，如果系统聚焦正确，这两个光点将分别落在D\(_{1}\)、D2中间和D\(_{3}\)、D4中间。当物镜与盘距离变远时，两个光点会落在D\(_{2}\)、D3上；如距离变近，光点则落在D\(_{1}\)、D4上，根据光电二极管组产生的电压（V\(_{1}\)＋V4）与（V\(_{2}\)+V3）之差，便可产生聚焦误差信号并送往聚焦控制电路，最后通过动圈电机带动物镜移动调焦。轨道跟踪原理与上述相似，不同之处是，当激光束没有射在轨道中间，而是发生左右偏移时（见图5左上方），势必引起楔形镜分裂后的两束光强度不等，这将引起两组光电二极管电压不等，由（V\(_{3}\)+V4）和（V\(_{1}\)＋V2）之差，便可产生光头转动的反馈控制信号。写入式光盘采用的伺服控制方法还有许多，如四象限探测法、轨道跟踪的三光束法等，更加复杂，就不一一介绍了。

由于写入式光盘需要复杂光学——电学系统，其价格一般较高，如上文提到的STC光盘，因其寻址时间仅85毫秒、数据传输率达每秒24兆位，每台售价高达13万美元。不过，从1986年起已经陆续推出一些廉价产品，如美国Optotech公司的5984型光盘系统，价格最低为975美元，而数据传输率为每秒2.2兆位，也不算慢。日本理光公司为个人计算机开发的5英寸追记型光盘系统，两面总容量为6400兆位，相当于相同尺寸软盘的800倍，系统价格50万日元。

写入式光盘的问世开拓了光盘技术应用的新领域，它不仅能用于文件档案存储、图纸资料存储、图书馆藏书编目等许多方面，还将用于航天、航空、航海、军事及商业等部门的其它方面。在以往的海量存储及后备存储中90％是磁带，今后将为可靠性高而寿命长的写入式光盘逐步取代。激光缩微胶片的存储密度及速度与光盘相比更是相形见绌，建立光盘系统的电子档案库更加实用和经济。因此，写入式光盘将在电子出版业和大规模信息处理部门大显身手。

80年代出现的可抹式光盘属于第三代光盘。这类光盘不但可以写入，还可以抹除，故又称可逆式光盘。目前，可抹式光盘主要有两种：一种是利用激光照射使记录介质局部结晶和使结晶态向非晶态转变，叫做相变光盘；另一种是利用激光的热效应使磁光介质局部发生磁反转，称为磁光盘。

先谈一下相变光盘。1983年夏普公司在铜盘基上使用了铽镝铁层，起初，非晶态的铽镝铁层是不透光的，但经激光束照射后，便变得透光了。索尼、松下等公司在这个发现的基础上改用碲氧化物层，非晶态碲层经功率为8毫瓦、波长为0.83微米的激光束照射后，便变成了结晶态（读出时则使用1毫瓦的同样激光束），抹除时需要改用波长为0.78微米的激光，只需简单照射，即可重新恢复原来的非晶态，达到抹除的目的。虽然这种相变光盘的发展很快，但目前还只能够进行有限次重写。因此，日本、美国和法国等厂家更热衷于研制另一种可抹式光盘，这就是磁光盘。

磁光盘最初的探索是在日本NHK实验室中进行的。NHK使用了双层0.1微米的钆钴合金薄膜作为磁光介质，并将这种薄膜介质沿一个方向预先均匀地磁化。在图6中，磁光介质薄膜内面上的箭头即表示预磁化后的方向。当写入信息时，采用10毫瓦激光束，透过1.5毫米的玻璃保护层照射到磁光介质上，激光的热效应使介质被照处的温度上升，当温度达到居里温度（介质种类不同，居里温度也不同）80℃时，该处将失去磁性。当温度再度降到居里温度以下时，被照射处的磁力线方向将服从附加外磁场（磁场强度一般低于39800A/m）的磁力线方向。图6表示在激光照射下形成的反向磁化区，每个磁化区对应一个写入的信息位。磁光盘信息抹除很简单，只要改用与图6反方向的附加磁场，再用激光束照射即可。

磁光盘的读出有两种常用的办法。第一种是克尔效应读出法，将一束偏振光分别射向方向各异的磁化区时，它们的反射光偏振方向将分别产生左旋和右旋，如图7所示，这就是所谓克尔效应。这种偏振方向不同的激光经过方解石晶体就会转变成光束偏转方向的不同，再使用位置固定的光电二极管就可以读出相应信息位了。第二种读出方法是法拉弟效应读出法，它利用偏振光穿透磁化区时产生的旋光现象，由于介质磁化方向的不同，旋光方向也不同，其余与克尔读出法是完全一样的。读者不难理解：克尔读出法能够用于各种材料的盘基，法拉弟读出法则只适用于聚碳酸酯、有机玻璃等透明物质。

当前磁光盘研制的主要进展有：

（1）磁光介质不断更新：近几年经常有磁光介质的研制成果公布于众，目前公认最好的是铽铁或铽铁钴合金。对磁光介质的基本要求是矫顽力高、寿命长和克尔效应或法拉弟效应强。法国布尔公司在玻璃上溅射铽铁薄膜获得了极高的矫顽力，且寿命已被证明可存放10年以上，可改写次数超过1百万次。在此基础上，一些科学家还试验成功双层介质工艺，使克尔旋转角增大，读出噪声也大大改善。

（2）发明了“磁写光读”的新方法：法国布尔公司使用专门设计的薄膜磁头对铽铁介质进行写入，可以克服激光写入时间长的缺点；读出时仍然利用激光的克尔效应。该方法的密度已达每英寸25000位，由于利用了磁盘成熟的磁头伺服技术，因而造价较低。

（3）标准化工作已落实：国际上的标准化组织已着手制定有关磁光盘的一些标准，可望光学读写头、半导体激光器等部件实现通用化，既可以用于磁光盘，也能用于写入式的DRAW盘和只读式的CD——ROM盘。光盘接口也将考虑与流行磁盘的格式兼容问题。标准化工作是光盘技术发展的里程碑。

此外，溅射工艺对磁光介质特性的影响、光点伺服技术以及大功率激光器等课题的研究也有较大进展。调焦有非点象差法，跟踪使用了导向道。激光器有氦氖（0.63微米）和砷化镓（0.83微米）两种。

磁光盘的应用领域极为广泛。从目前水平看，一张300毫米磁光盘已相当于IBM3380这样的大容量温盘的单轴容量，磁光盘的速度指标也将与之旗鼓相当。因此，磁光盘不仅将逐步取代磁带和小型温盘，而且能与大型温盘分庭抗礼。国际市场最近出现了激光计算机系统，它采用磁光盘机，可以选用从100兆至400兆字节的光盘，并配以9秒钟扫描一页图纸的平面激光扫描器和7.5秒打印一页的激光打印机，见图8，激光扫描机能将图文信息扫描记录下来，经计算机送到光盘中存储起来，并在需要时用激光打印机复制出来，图象清晰度取决于扫描器的分辨率。今后磁光盘将有惊人发展，估计1989年销售额会超过7亿美元，将占所有光盘的50%以上。(许奇雄)