CN102543110B - 一种多维光存储光盘及其数据读出方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维光存储光盘，在光盘记录层上刻蚀出具有不同深度、不同角度的多维光存储记录坑，并在盘片表面沉积多波长读写材料。本发明还提供基于上述光盘的数据读出方法，具体为：将不同波长的混合激光聚焦到光盘上不同深度和角度的记录坑，接收各记录坑的反射光，依据各记录坑反射光的相位识别记录坑深度，依据各记录坑反射光的偏振识别记录坑角度，依据各记录坑对不同波长激光的反射光幅值大小对激光排序，结合记录坑深度、记录坑角度和激光排序结果对光盘存储数据进行解码。本发明将传统光存储的二进制二维记录转变成多进制多维记录，在单个记录位上能够存储更多的信息，从而使光盘的存储容量得到巨大的提升。

Description

一种多维光存储光盘及其数据读出方法

技术领域

本发明属于光电信息存储技术领域，具体涉及一种多维光存储光盘的盘片制备及其数据读出方法。

背景技术

自从1960年查尔斯·H·汤斯发明了激光(laser)以来，光存储便真正的进入人们的生活之中。光存储的原理是将激光聚焦到其衍射极限，在存储介质上形成光学记录位，激光衍射极限满足以下公式：

$D=\frac{1.22\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}$

其中λ为激光波长，NA为聚焦镜头数值孔径。几十年来，光存储技术的发展都延续着如何减小激光波长λ和增大镜头数值孔径NA来进行，CD(λ＝780nm，NA＝0.45，容量0.7GB)；DVD(λ＝650nm，NA＝0.6，容量4.7GB)；Blue DVD(λ＝405nm，NA＝0.85，容量25GB)。然而在信息存储容量高速发展的今天，传统光存储已经无法满足信息的快速增长，所以超大容量光盘对未来影像三维化和备份信息海量化的需求有着极其重要的意义。

现今超高密度光存储技术发展的主要方向有近场超分辨光存储和全息光存储。其中近场光存储技术是基于超衍射分辨近场光学原理，在盘片中距记录层10-20nm左右处加掩膜层，基于近场增强效应跟近场表面等离子体效应，掩膜层在激光照射下产生纳米尺寸隐失场，在近场区域内所产生的光斑直径要小于衍射极限分辨尺寸，从而实现近场超分辨记录，单片存储容量达300GB，但该方法信噪比较低、读出稳定性差、高速旋转的记录盘片与近场光学头的距离难以控制等等问题一直难以彻底解决；全息光存储技术是基于双光束干涉原理，利用高密度空间光调制器(SLM)和CCD光电探测器阵列，将信息以衍射图的形式记录在存储介质当中，其单片存储容量可达TB级别，但是该方法难以向下兼容、系统成本太高、且依赖于材料、探测器阵列等等一系列其他技术领域的发展，所以现今其产业化和市场化仍然困难重重。

因此，目前迫切的需要一种超大容量、兼容性能好、系统构造简单有效的光存储技术来填补军事国防、金融等方面对超大容量光盘的迫切需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种多维光存储光盘，该方法能够在现有尺寸的光盘上实现TB级别的信息存储容量，且在此光盘的盘片制备方案基础上的信号读出光路调节简单，各自由度误差范围相比较现有技术而言较为宽松。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述多维光存储光盘的数据读出方法。

一种多维光存储光盘，包括盘片，其特征在于，在盘片上加工有不同深度和角度的记录坑，记录坑内沉积有对不同波长的敏感度不相同的多波长读写材料。

进一步地，所述多波长读写材料为对不同波长的光敏感程度不一样的光致变色材料。

进一步地，所述记录位坑深度范围为λ为蓝光波长。

进一步地，所述记录位坑转角范围为0～90°。

一种基于所述多维光存储光盘的数据读出方法，具体为：将不同波长的混合激光聚焦到光盘上不同深度和角度的记录坑，接收各记录坑的反射光，依据各记录坑反射光的相位识别记录坑深度，依据各记录坑反射光的偏振识别记录坑角度，依据各记录坑对不同波长激光的反射光幅值大小对激光排序，结合记录坑深度、记录坑角度和激光排序结果对光盘存储数据进行解码。

本发明的技术效果体现在：

激光为一种电磁场，而电磁场表达式为：

其中为振幅，为波矢，为空间量，w为频率，t为时间，为相位。

上述每个参量均可作为光存储信息的域参数进行信息的读写。通过对记录坑形状的改变来调制激光的各种域参数，在单记录位上利用多个域参数实现多维存储的功能，以成倍的提高存储容量。

在记录层上利用电子束光刻出不同深度、不同转角的记录坑以制作母盘，再利用标准光盘复制工艺制作光盘盘片。在上述盘片上再沉积多波长读写材料。利用不同波长的激光聚焦在记录坑上，其反射光场的幅值、相位、偏振态均受到记录坑的调制。

$C=r\×\left(\frac{A}{d\×t}\right)\×{\log }_2{M}_1\×{\log }_2{M}_2\×k\×......\left(2\right)$

其中C为实际数据容量，r为系统编码效率，A为记录区域总面积，d为记录光斑直径，t为道间距，M₁为坑深阶数，M₂为坑转角阶数，k为波长复用阶数，省略号表示其他多维因素导致的存储容量增倍。

本发明将传统光存储的二进制二维记录转变成多进制多维记录，在单个记录位上能够存储更多的信息，从而使光盘的存储容量得到巨大的提升。本发明的盘片制备方法容易，检测方案光路简单、易调节、稳定性能好，单片存储容量大，能够兼容现有各种类型光盘。

附图说明

图1本发明的理论抽象模型图。

图2多波长读写材料原理图。

图3本发明的多阶深度记录坑调制图。

图4本发明的多阶角度记录坑调制图。

图5本发明的实施例1。

图6本发明的实施例2。

图7本发明的实施例检测框架图。

图中1.光存储介质，2.传统光存储记录位，3.多维光存储记录位，4.多波长读写材料，5.多阶深度记录坑，6.记录坑位反射光，7.材料表面反射光，8.多阶角度记录坑，9.多维光存储记录坑，10.二芳基乙烯化合物，11.聚焦伺服，12.集成光头，13.摆台，14.分光多维信号读出，15.相位检测模块，16.偏振检测模块，17.波长检测模块，18.接口，19.计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的理论抽象模型示意图。

在有限的记录空间里(如一张直径120mm的光盘)，为使得存储容量增加，只能减小光学记录位的尺寸。如果把光盘的存储空间看作一块固定大小的长方体，那么每一个记录位就是在此长方体中存在的小长方体，传统的光存储发展思路即减小此小长方体(记录位)的尺寸，包括X-Y平面的2维存储和X-Y-Z空间的3维存储。

本发明旨在不改变光存储记录位大小，通过对激光域参数的复用来提高光盘存储容量。在有限的光存储介质1中，传统光存储记录位2只能记录一个位的信息，即数字信号“0”或“1”。本发明关键点在于：在光盘记录层上加工不同深度和角度的记录坑而产生多维光存储记录位3，并在记录坑上沉积多波长读写材料，利用记录坑深度调制激光相位，利用记录坑角度调制激光偏振，利用多波长读写材料对不同波长激光的幅值进行调制。于是该多维光存储记录位3就可以调制多种激光域参数，以记录(0010..)信息代替传统的(01)信息，使得一个记录位能够存储更多的信息量。

一、多波长读写材料调制激光振幅

图2是本发明的多波长读写材料原理图

多波长读写材料4是一种对不同波长的光敏感程度不一样的光致变色材料，例如使用λ₁和λ₂两种波长同时照射光照材料，材料的反射率会产生相应的变化，但利用激光检测时λ₁引起的反射率变化较λ₂引起的反射率变化更加明显，所以基本上可以认为利用混合光信号对材料进行检测时，主要检测到λ₁波长的激光幅值会产生改变，而λ₂波长的激光幅值基本没有变化。

除此之外，多波长读写材料4还可以是多层光致变色材料的堆叠，每层材料不超过10nm以保证材料透光性。单层光敏变色材料仅对单种波长敏感，利用对应的波长照射此材料时，材料反射率会发生相应的变化，而其余层的材料并不受此波长激光的影响，反射率不变。将此多种材料堆叠，可以使得在同一记录位上存储的信息随着波长复用数成倍增加，达到多维光存储目的。

当使用混合光对材料进行检测时，得到的反射光通过分光系统一部分送入波长检测模块，该模块的作用是将混合光中不同波长的激光分开，进行单独检测。若有λ₁、λ₂、λ₃的三色混合光对材料进行曝光，那么材料便在λ₁、λ₂、λ₃三个对应波长上有不同的反射幅值再利用单色光对材料进行检测时，不同波长的光得到不同的反射信号，即：

$[{\mathrm{\λ}}_1,{\mathrm{\λ}}_2,{\mathrm{\λ}}_3]--[E_{{\mathrm{\λ}}_1},E_{{\mathrm{\λ}}_2},E_{{\mathrm{\λ}}_3}]$

于是通过对光波长的改变，便可改变反射光信号的振幅大小，使材料的存储容量成倍提升。

二、记录坑深度调制激光相位

图3是本发明的多阶深度记录坑调制图。

在光盘记录层上利用电子束光刻出不同深度d的记录坑5，利用多阶深度的坑位来调制反射光光场的相位分布。记录坑位反射光6比材料表面反射光7多走的路程为2d，即光程差为2d，记录坑位反射光6和材料表面反射光7之间则产生一定的相位差，相位差的大小和光程的关系为：

利用此原理，通过改变记录坑的深度，便能够改变反射光光场的相位分布，即反射光光场相位受到记录坑深度的调制。

当利用单色激光对记录坑进行检测时，反射光通过分光系统一部分进入相位检测模块。反射光相位是记录坑深度的函数，若记录坑的深度分别为[a、b、c、d...]，那么而根据电磁场公式(1)可知，电磁场分布是相位的函数。这样一来，通过探测器检测反射光光强[E_a、E_b、E_c、E_d...]，而反射光光强和其相位分布是一一对应的，即：

而相位分布和记录坑深度a、b、c、d...是一一对应关系，即：

于是通过对光强的检测，便可分辨出记录坑的深度，即对存储的信息进行解码还原。

三、记录坑角度调制激光偏振

图4是本发明的多阶角度记录坑调制图。

理论上，无论是完全偏振光、部分偏振光或非偏振光，其光波偏振态在数学上可以由其Stokes参数完全表达出来。光波的Stokes参数分别为：

S₀＝I_X+I_Y

S₁＝I_X-I_Y           (9)

S₂＝I₊₄₅-I_-45

S₃＝I_R-I_L

其中S₀为光场总强度，S₁为光场X方向线偏振分量与Y方向线偏振分量的光强差，S₂为光场π/4方向线偏振分量与-π/4方向线偏振分量的光强差，S₃为光波右旋圆偏振分量与左旋圆偏振分量的光强差。

在记录层上利用电子束光刻技术刻蚀出多阶角度记录坑8，多阶角度记录坑8长边方向与轨道中心线的夹角为α，其中α在0-90°之间变化。由于多阶角度记录坑8的方向不同，激光与记录坑作用后产生的反射光的偏振态也相应发生变化。通过反射光的偏振态即可确定原多阶角度记录坑8的方向(夹角α)，也即是通过记录坑的方向来调制反射光偏振态。

当利用单色激光对记录坑进行检测时，反射光通过分光系统一部分进入偏振检测模块。当记录坑的方向(α)改变时，反射光光场的偏振信息也会随之相应发生改变，这样通过对反射光光场的偏振态P₁、P₂、P₃…进行检测，便可得出相应夹角α₁、α₂、α₃…即：

[P₁、P₂、P₃…]-[α₁、α₂、α₃…]

于是通过对反射光偏振态的检测，便可分辨记录坑的方向夹角，从而实现对存储数据的还原解码。

四、实例

图5是本发明实施例1。

在光盘记录层上刻蚀出4种不同坑深、4种不同角度的多维光存储记录坑，其光盘道间距和多维光存储记录坑9尺寸保持和现有蓝光光盘一致，那么通过4阶深度和4阶角度的多维光存储记录坑9将存储阶数分别提至到4和4，这样信号在编码上就不再是传统的2进制编码。在这种结构下光盘的存储容量为：

25GB×log2⁴×log2⁴＝100GB

其中：

25GB为单层蓝光光盘容量；

两个log2⁴分别是由于4种深度的记录坑和4种角度的记录坑产生的4阶不同光信号，导致在编码方式上有所改变而产生的项；

图6是本发明实施例2。

在光盘记录层上刻蚀出4种不同坑深、8种不同角度的多维光存储记录坑9，并在记录层上沉积二芳基乙烯化合物10，此化合物为一种光致变色的多波长读写材料，能够对应532nm、650nm、780nm三个激光波长。若其光盘道间距和多维光存储记录坑9尺寸保持和现有蓝光光盘一致，那么由于此种光盘对三种波长分别存储数据，并且通过4阶深度和8阶角度的多维光存储记录坑9将存储阶数分别提至4和8，这样信号在编码上就不再是传统2进制编码。在这种结构下光盘的存储容量为：

25GB×log2⁴×log2⁸×3＝450GB    (15)

其中：

25GB为现有蓝光光盘容量；

log2⁴是由于4种深度的记录坑产生的4阶不同光信号，导致在编码方式上有所改变而产生的项；

log2⁸是由于8种角度的记录坑产生的8阶不同光信号，导致在编码方式上有所改变而产生的项；

3是由于在此种结构的光盘上沉积了二芳基乙烯化合物10的光致变色材料，材料对不同波长的敏感特性不同，利用不同波长的激光读取记录坑的信息时得到的数据是不同的。

实例采用图7所示的光路检测框架图。通过聚焦伺服11精确控制集成光头12距摆台13上光存储介质的位置和距离，反射光通过分光多维信号读出14分别传入相位检测模块15，偏振检测模块16和波长检测模块17，光信号经过这三个模块15、16、17处理后被送入相应的接口18及计算机19。

以上所述为本发明的盘片制备及其数据读出方法，但本发明不应该局限于该方案和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种多维光存储光盘，包括盘片，其特征在于，在盘片上加工有不同深度和角度的记录坑，记录坑内沉积有对不同波长的敏感度不相同的多波长读写材料；所述记录坑深度范围为λ为蓝光波长，所述记录坑转角范围为0～90°。

2.根据权利要求1所述的多维光存储光盘，其特征在于，所述多波长读写材料为对不同波长的光敏感程度不一样的光致变色材料。

3.一种基于权利要求1所述多维光存储光盘的数据读出方法，具体为：将不同波长的混合激光聚焦到光盘上不同深度和角度的记录坑，接收各记录坑的反射光，依据各记录坑反射光的相位识别记录坑深度，依据各记录坑反射光的偏振识别记录坑角度，依据各记录坑对不同波长激光的反射光幅值大小对激光排序，结合记录坑深度、记录坑角度和激光排序结果对光盘存储数据进行解码。