信 息 资 源 检 索 与 利 用

华东交通大学理工学院信息资源检索与利用班级：08计算机（1班）姓名：* * *学号：20080210440130多阶光存储技术研究进展一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。

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。

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。