CN1094631C - 具有多层可重写相变记录层的光学数据存储系统 - Google Patents
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Abstract
多记录层可重写相变光盘和盘驱动系统利用反写型可逆相变材料作为最接近入射激光的记录层。盘有透光的衬底，激光从该衬底入射。该衬底支承着起码两个空间上彼此隔开的多层记录叠层，每个叠层包括可逆或可重写相变材料的有效记录层。激光从衬底入射，位于最接近该衬底的记录叠层包括反写型可逆相变材料，即带非晶起始相的相变材料层，这就是用激光加热来记录数据的部分，激光加热使该部分转变成结晶相。光学干涉膜优化了记录叠层的对比度、反射率和透明度。
Description
发明领域
总的来说，本发明涉及光学数据存储系统，更明确地说，本发明是关于利用多记录层光学介质的系统。
发明背景技术
光学数据存储系统，例如光盘驱动系统可在光学介质上存储大量数据。通过把激光束聚焦到光学介质记录层，然后探测被反射的光束，就可访问所存的数据。
在一次写入多次读出(WORM)的系统中，用激光在记录层上造成永久性的记号来写入数据。一旦数据被记录在介质上就不能擦除。一个例子是相变WORM系统，它利用相变合金作为记录材料，利用激光束来写入数据，其写入的过程是，把相变介质局部地从第一结构相转变为第二结构相。因为介质被设计成不能轻易地从第二结构相转变回第一结构相，从而造成永久被记录的数据位，这就实现了WORM的功能。
与此不同的是，可逆或可重写相变系统利用有两个稳定相的介质。通过把介质上的一个小的局部区域转变为一稳定相，就把数据位存储到介质上。通过把写入的区域返回到起始相，就能擦除数据位。起始相通常为结晶相，激光束通过把数据层的局部材料转变为稳定的非晶相，来写入数据。办法是：当结晶区域被加热至高于熔点，然后再迅速冷却，以至无序结构在适当的位置被固定下来，从而形成非晶结构。以后可以通过把非晶相变回起始结晶相来擦除数据位。其办法是，当非晶区域被加热至或高于其结晶温度并保持此温度，或者将该非晶区域熔化，然后再缓慢地冷却，直至该区域完成结晶。在这类相变系统中，利用介质中结晶区与非晶区反射率的差别来读出或探测出所记录的数据。
可逆或可重写相变光学记录系统是已知的，在这系统中，起始态或未写态是数据层的非晶相，而已写态或记录态是结晶相。这类光学记录系统经常称为“反写”系统。美国专利5,383,172描述了一种反写系统，其中，按特定形状产生激光脉冲，以消除数据层的已写结晶相。所谓特定形状的脉冲是指按下述原则所决定的脉冲功率与脉冲持续时间，即，要防止数据层上要擦除的已写数据紧邻的未写非晶区域发生结晶。
为了提高光盘的存储容量，已提出了多记录层系统的方案。通过改变透镜焦点的位置，可以访问具有两个或更多记录层的光盘的空间上相隔离的不同的记录层。激光束透过近记录层以便对远记录层作读、写数据的操作。多记录层光盘要求处在盘面与最后或最远的记录层之间的各中间记录层是透光的，所谓盘面是指激光入射的面。这种方案的例子见美国专利5,202,875、5,097,464和4,450,553。IBM的1995年6月30日申请的，系列号为08/497,518的待批申请描述了多数据层光学记录系统，其中各个记录层由相变WORM材料形成。
在可重写相变盘上应用多记录层的一个问题是：一般的可重写结构是为单记录层应用而设计的，因此透明度非常低。此外，为了改善记录层的散热，通常的结构要有一散热金属反射层紧贴着记录层。在通常的可逆相变结构中，金属反射层是不透光的，因此不可能在远记录层上作写操作。而且，如果去掉紧贴着中间记录层的金属层以便使结构透光，则记录层失去了适当的散热特性，而此特性对结晶相到非晶相的转变是至关重要的。这样，记录层就失去了作为可重写相变记录层的功能。
所需要的是这样一种多记录层可重写相变光学数据存储系统，它能从接近入射激光的记录层获得良好的信号，同时又允许以合理的激光功率对所有的记录层进行写和擦除的操作，并且这些记录层不必有与其近贴的金属散热层。
发明方案概述
本发明是多记录层可重写相变光盘和光盘驱动系统。光盘有一透光的衬底，激光入射于该衬底。所述衬底支承着起码两组空间上分隔的多层记录叠层，每个叠层包括可逆或可重写相变材料活性记录层。所述光盘或是空气间隙结构，其中每一记录叠层由各自的衬底支承，这些衬底由空气间隙分隔开，或是实心结构，其中固体的透光隔离层把记录叠层分隔开。激光从衬底入射，最靠近此衬底的记录叠层包括反写型可逆相变材料(即有非晶起始相的相变材料，利用激光加热，使数据区转变为结晶相来进行记录)。第一记录层有一介电层与其接触，此介电层的折射率高于此相邻的记录层，并起着光学干涉膜的作用，用于在记录叠层中引起相长的光学干涉效应。光学干涉膜使记录叠层的对比度、反射率和透明度优化。光学干涉膜也是非吸光性的，从而使激光能通过它而聚焦在远记录叠层的记录层上。这允许以合理的激光功率在远记录层上进行写操作。
为了充分理解本发明的性质和优点，请结合附图参考下面的详细描述。
附图简述
图1是本发明的具有多记录层可重写相变光盘的光盘驱动系统的原理图。
图2A是具有可重写相变记录层的双衬底叠片式多记录层光盘的横截面视图。
图2B是具有可重写相变记录层的空气间隙多记录层光盘的横截面视图。
图2C是具有可重写相变记录层的单衬底叠片式多记录层光盘的横截面视图。
图3是光盘为双记录层空气间隙形式的光盘驱动系统的原理图。
图4是本发明的光盘驱动系统的控制系统方框图。
图5是双衬底叠片式多记录层光盘的横截面视图，它说明本发明最佳实施例的多层可重写相变记录层与相邻的光学干涉膜的关系。
图6是本发明的双记录层光盘的第一数据层的可擦性曲线图，它表示了利用脉冲擦除时，可擦性与擦除功率的函数关系。
图7A是本发明的双记录层光盘的第一数据层的回读数据偏差与记号长度曲线图，它表示了回读数据偏差及记号长度这两参数与激光写入功率的函数关系。
图7B是本发明的双记录层光盘的第二数据层的回读数据偏差与记号长度曲线图，它表示了回读数据偏差及记号长度这两参数与激光写入功率的函数关系。
具体的优选实施方案详述
图1是本发明的光盘数据记录系统的原理图，该系统以总的标号10来标明。系统10包括具有多记录层的光学数据存储盘12。如在本领域中所熟知的那样，盘12最好可拆装地安装在卡轴14上。轴14安装在主轴马达16上，后者本身又安装在系统底座20上。马达16使轴14和盘12旋转。
光学头22处于盘12的下面。光学头22安装在臂24上，后者本身又连接到驱动装置如音圈马达26上。音圈马达26安装在底座20上，并令臂24和光学头22在盘12下面沿着盘的径向移动。
图2A是多记录层光盘12的横截面视图。盘12有两个衬底50、56，它们被固体透明间隔层44隔开。盘12有外表面49，激光束在此表面入射。衬底50可用透光的材料制成，例如玻璃、聚碳酸酯或其它聚合物材料。衬底56可用与衬底50类似的材料制成，或者在光不须透过衬底56的实施例中用不透光的材料制成。在最佳实施例中，衬底50、56厚0.6mm。衬底50具有在其上形成的薄膜记录叠层90，衬底56具有在其上形成的薄膜记录叠层92。如下面将要详述的那样，每个记录叠层90、92具有可逆相变材料记录层和起码一层透明介电层。在本发明中，记录叠层90的记录层是反写型相变材料。在分别紧靠记录叠层90、92的衬底50、56那一表面上有光学跟踪槽或记号和/或标题信息，它们是用注射模制、光敏聚合工艺或压纹工艺的方法形成的。另一种方法是，所述跟踪结构可以是在衬底上形成的凹点或记录在记录层上的记号。在最佳实施例中，间隔层44用高度透明的光学粘结剂形成，后者还起着把衬底50和56结合在一起的作用。间隔层44厚度最好为10-300微米。
脉冲宽度调制(PWM)是一种把数据以记号的形式写到光盘的方法。在PWM下，记号可以是单个的点(称为次记号)或是一系列重叠的次记号或是相邻的次记号。PWM以记号的过渡区或记号的边缘之间的距离的形式记录信息。所谓过渡区或是记号的前沿，或是其后沿。IBM的美国专利5,400,313描述了PWM磁-光盘驱动系统，它利用了调制器控制的激光器以强脉冲(highly pulsed)的形式发射激光束。激光束可按照任何给定的写入时钟周期和以几个不同的功率电平中的任何一个电平发射脉冲。当功率电平足够高时，脉冲激光器在盘上写成基本上是圆的次记号，次记号的尺寸大体相同。或在最短游程长度情况下以单个分离的次记号的形式，或在长游程长度情况下以相邻的或重叠的次记号的形式，把各种PWM记号游程长度记录在盘上。
图3表示了PWM光盘驱动系统的一个实施例的原理图，还表示了盘12、光学头22和用来控制激光器的装置。光学头22包括激光二极管200，它可以是产生固定波长的初级(primary)光束202的磷化铟铝镓二极管激光器。激光二极管200能在起码两个功率电平下工作，即第一功率电平的功率要高到足以引起记录层发生相变，而第二功率电平为较低的读出功率电平，借助记录层上非晶与结晶区的反射光来读取数据。在典型的情况下，激光二极管200也能在几个不同的写功率电平上工作，以便精确地确定记号边沿的位置，如过去引用的′313专利所描述的那样。
本领域所熟知的盘驱动控制器314连接到各驱动功能部件并对其进行总的控制。控制器314连接到激光驱动器254和可变频时钟242。控制器314根据光学头22相对盘12的径向位置来适当地调整时钟242的时钟速度。时钟242产生具有特征时钟周期Tc的定时信号，并控制盘驱动系统的数据读写的定时操作。可变频时钟242也称为频率合成器，它在本领域中是众所周知的。控制主动轴马达16以恒定的角速度旋转，并且随着光学头22的径向位置，光束相对于盘12的线速度将发生变化。
时钟242与PWM编码器250相连。编码器250从主计算机接收数字数据信号，并把它编成所要的PWM码。编码器250可以是(1，7)游程长度受限(RLL)PWM编码器。PWM编码器在本领域是众所周知的，并对多种PWM码有效。在本领域有多种已知的编码方案，可以用来把数字数据编码为PWM记号和间隔。最通用的编码方案使用游程长度受限(RLL)码。这些RLL码使用一小套游程长度，当对它们进行不同的组合时，就可对任何数字数据图案(pattern)进行编号。IBM的美国专利4,488,142描述了(1，7)编码器的一个例子。编码器250与调制器252相连。调制器252接收到PWM码，并借助于激光驱动器254，使激光器200以适当的激光功率电平把所需的数据图案写在光盘的数据层上。
在写操作期间，编码器250按照其受控于来自时钟242的时钟周期的时序，对来自主计算机的数字数据进行编码，得到PWM(1，7)RLL编码数字数据信号。这种编码数字数据信号被送到调制器252，后者把它转变为对激光驱动器254的指令，以写出所希望的脉冲图案。激光器200在激光驱动器254的支配下产生脉冲光束(从阈值电平至较高的写入电平)并以所希望的功率电平提供脉冲光束。
在读操作期间，控制器314令激光驱动器254激励激光器200产生低功率读电平光束。
光束202被透镜203变为平行光，被圆形器(circularizer)204变为圆形，然后加到分光镜205。光束202的一部分被分光镜205反射到透镜206和光探测器207。探测器207被用来监控激光束202的功率。从分光镜205来的激光束202的另一部分传到镜子208并被反射。然后光束202通过聚焦透镜210，在记录叠层90、92中的一个叠层上面被聚焦成衍射限制光点。透镜210被安装在支架214内，可以用焦点致动马达216来调节支架214与盘12的相对位置，聚焦致动马达216可以是音圈马达。利用焦点致动马达216来移动透镜210，就可以使聚焦的光点在盘12的衬底50、56上的两记录叠层90、92之间移动。
在有金属散热反射层的一般单记录层可重写相变结构中，记录层的起始相为结晶相，已记录的位为非晶相，后者的反射率较低。可是，在本发明的盘12中，非晶相被选作最靠近光源的记录层(即记录叠层90的)的起始相。第一记录叠层90有一非晶起始相的记录层(已记录的位处在结晶相)，而第二记录叠层92可以有结晶起始相的记录层(已记录的位处在非晶相)。可以这样做，只要在各自的记录叠层上存有标题信息位，以通知盘驱动系统：在各自的记录叠层上已记录的位的反射率是多少。光学头也必须能相应地调节写入脉冲功率电平，以便既能在结晶相又能在非晶相写入数据位。在中间记录层中采用反写型(非晶相至结晶相)记录层，而在最远的记录层采用普通写入型(结晶相至非晶相)记录层，这样做为设计透光记录层提供更多的自由度，以获得高透光性的记录层，同时又优化所有记录层的信噪比，如下面将描述的那样。
图4是光盘驱动系统的控制系统方框图，该控制系统用总的标号300来表示。多元探测器234(图3)产生如下的输出信号：数据信号、聚焦误差信号(FES)和跟踪误差信号(TES)。这些信号被信号放大器236放大。数据信号被送到PWM解码器311，从而产生数字输出数据。FES和TES被直接送到控制器314。峰值探测器310也接收到FES，并且峰值探测器312也接收到TES。控制器314还接收到从FES峰值探测器310、TES峰值探测器312和激光功率探测器207来的输入信号。控制器314是基于微处理器的盘驱动控制器。控制器314也连接到并控制激光调制器252、激光驱动器254、可变频时钟242、光学头马达26、主轴马达16和聚焦致动器马达216。
图2B是多记录层记录盘的第一替代实施例112的横截面视图，它可以代替系统10中的盘12。盘112的基本组成部分与图2A的盘12的相似，但盘112在两衬底190和192之间没有实心的间隔层，代之以分隔衬底150和156的空气隙78。在两衬底150和156之间安装外径(OD)垫圈152和一个内径(ID)垫圈154。OD和ID垫圈152、154最好用塑料制成，并且大约50-300微米厚。垫圈152和154可用粘结剂、接合剂、超声波连接、溶剂连接或其它常规的连接工艺粘贴在衬底150和156上。垫圈152、154也可以在衬底成形的过程中与衬底150、156连成一体地成形。当垫圈152、154就位的时候，就在衬底150和156之间形成了环形空气隙78。主轴孔80在ID垫圈154内侧穿过盘112，用以接纳主轴14。在ID垫圈154上设置几个通道82把孔80与间隙78连接起来，以使间隙78与盘驱动系统周围环境有相同的压强。在通道82内安装几个低阻力的过滤器84，以防止空气中的微粒污染间隙78。过滤器84可以是石英或玻璃纤维。另一种办法是，通道82和过滤器84可放在OD垫圈152上。各衬底150和156上的记录叠层190和192包含可重写相变记录层，其中记录叠层190包含反写型相变材料形成的记录层。
图2C是多记录层记录盘的第二替代实施例412的横截面视图，它可以代替系统10中的盘12。盘412的基本组成部分与图2A的盘12的相似。但盘412不象上一实施例那样使用两个分开的衬底，而是在单一衬底450上制成的多层结构。可重写相变记录叠层490和492被固体间隔层422分隔开。叠层490包含反写型相变材料形成的记录层。间隔层422是透光层，它或是用层叠方法，或是用淀积的方法(例如用光敏聚合工艺或旋涂工艺)在衬底450上的记录叠层490上面形成。在最佳实施例中，透光的间隔层422是用聚合材料例如光聚合物制成。在间隔层422的顶面上有跟踪槽和/或标题信息，它们是用光敏聚合工艺或模压工艺形成的。然后在间隔层422顶面上淀积第二可重写相变记录叠层492。然后在记录叠层492上形成最后的保护层456，后者是由诸如紫外光(UV)辐射固化的旋涂丙烯酸盐或有粘结层的聚碳酸酯。把和盘412一样的两个盘粘结在一起，使各自的层456彼此面对面，从而形成双面盘。以这种结构，把双面盘从驱动主轴取下并翻转，就能访问两个面的数据层。
下面将就图2A的盘结构对多层可重写相变记录层及其制造方法作详细描述。可是，本发明的多层可重写相变记录层系统对图2B-2C所描述的替代盘结构也是有效的。
图5是有多层记录叠层90和92的光学数据存储盘12的横截面视图，每个叠层各自包含可重写相变记录层53、64。盘12有衬底50，激光从该衬底的外表面49入射。衬底50最好用聚碳酸酯、非晶聚烯烃(APO)、聚甲基丙烯酸酯(PMMA)或玻璃制成，并且不吸收记录波长的光。衬底50的厚度为0.6mm，但也可用其它厚度。可在衬底50的内表面(与其外表面49相对的面)形成供激光束跟踪伺服系统用的预地址和预凹槽。用溅射或蒸发的方法在衬底50上淀积介电层51。介电层51起保护层的作用，从而使得在写和擦除期间，记录层53所经受的高温不会使衬底50变形。介电层51也起着光学干涉膜的作用，以便优化靠近入射光束的第一记录叠层90的透光性，使得 能够在较远的记录叠层92上写和读数据。
用溅射或蒸发的方法在介电层51上淀积反写型可逆相变材料层53，以用作第一叠层90的记录层。层53的材料最好是厚度为5-50nm的相变型合金GexTeySbz(10＜x＜15，45＜y＜55，38＜z＜48：x+y+z＝100)。在前面引用的美国专利5,383,172中描述了这种反写型可逆相变合金。可是，在该专利描述的结构中，在记录层的旁边必须要有金属散热层，以便使记录层成为可重写的。典型的情况是使用厚度为10nm的铝(Al)层，不过这一层的透光率少于10％。这样，这种普通的记录叠层不适用于多记录层光盘，因为这种光盘要求记录叠层的透光率达30％。去掉金属散热层以增加透光率则会引起其它问题。这是因为这样做就要再优化反写型记录层53(GeSbTe)的成分和厚度，并且要重新确定相邻的介电层，以便能平衡记录层的结晶时间和温度，使得材料在擦除时能转变回非晶相。
在本发明中，在记录层53上淀积一层或多层附加层，例如光学干涉层55、59和半透明非金属散热层57。通过利用薄膜的光学干涉效应，改变各层膜的厚度，就能调整多层记录叠层90(记录层53、介电层51、55、59和非金属散热层57)的透明度、反射率和吸收率。层51、53、55、57、59一起形成干涉结构。通过适当选择各层的厚度，就能获得相长干涉，具体的干涉效应取决于各层的厚度和折射率的实部(n)。在给定各层厚度的情况下，如果层51、55、57、59的n值相对其相邻层(记录层53)有大的差别，其干涉效应较强，从而优化信号对比度和记录叠层90的反射率。光学干涉膜51、55、57、59也应有低的吸收率(即低的折射率的虚部，也就是低的消光系数k)，以便当光点聚焦到第二记录层64时，光能以最小的吸收透过记录层53和层51、55、57、59。
最好使用由例如Zn和/或Cr与S、Se、Te中的一种或多种元素所形成的介电材料作为光学干涉膜51、55、57、59。可用溅射、蒸发、旋涂等方法把这些材料淀积在衬底50上。也可以用诸如SiOx、TiOx、ZrOx和CuxO(其中x为1和2.1之间的数)、SiN、SiC、非晶Si或有机聚合物或不同电介质的混合物或与之类似的材料。可用作光学干涉膜51、55、57、59的其它合适材料有由下面一组元素Al、Ti、Zr、Cu、Hf、Ta、Nb、Cr和W中选出的一种元素的氧化物和氮化物。这些材料或这些材料的混合物可以是非晶相或结晶相的。如果为非晶相，则成分的范围可以很宽。例如SiOx可以有1＜x＜2.1这样的成分。可以用标准的薄膜干涉计算公式来计算光学干涉效应，例如O.H.Heavens著、Academic Press 1955年出版的书OpticalProperties of Thin Solid Films就给出这样的公式。
层51、59的另一个重要的特性是低热导率，而为了散热的目的，层55、57应有高热导率。层51用于保护衬底50以免其在写/擦除过程中变形，所以，层51的介电材料应有高熔点和低热导率。因为在记录叠层90上没有金属散热层，所以必须通过恰当地选择记录层53的组成和层55、57的厚度来平衡记录层53的结晶温度和结晶时间。所以，与层53相邻的散热层55应是热稳定的和有高的热导率。需要热稳定性，以防止在写/擦除过程中记录层53处在熔化态时发生移动，从而增加它的擦除次数。可是，如果层55不用硬的、高透光的、高导热的电介质，则可用层55、57来分担这些功能。例如，层55可以是稳定的高透光的电介质，倘若这电介质层厚度足够小，以至不会严重地影响叠层90的热传导，则这电介质就不需要有高的热导率。然后，层57可以是透明的热导体，以消散在层53产生的穿过介电层55的热。可是，如果层57既有高硬度又有高热导率，那么就不需要介电层55。通常，层51可采用热导率小于0.05W/cm-K的非吸收性的材料。对于层55、57则其热导率最好大于0.01。例如，在400°K下SiOx的热导率为0.015W/cm-K。层59用来使记录叠层90的光学干涉效应最大，所以它应有大的k值。干涉层59的另一功能是优化记录层53的已记录区与未记录区的反射率对比度。
固体间隔层44与光学干涉膜59相邻，并且把两个记录叠层90、92分隔开。间隔层44最好为非吸收性的，例如旋涂光敏聚合物(紫外光固化丙烯酸盐)或透光的的粘合剂，后者把两个带有各自记录叠层90、92的衬底50、56粘合在一起。第二记录叠层92包括一硬的透明介电层62，它用溅射或蒸发方法在第二记录层64上形成。记录层64被淀积在另一硬的介电层66上，后者与淀积在衬底56上的散热层68相邻。因为叠层92是多记录层光盘的最后记录叠层，并且不必是透光的，故层68可用金属膜。在使用普通散热层68的情况下，第二记录层64的组成和厚度必须进行调整，并且与第一记录层53的不同。由第二记录层64、介电层62、66和金属层68组成的叠层92淀积在第二衬底56上。衬底56可以用与衬底50相同的材料形成或用不透光的的材料形成，例如不透光的塑料和如铝这样的金属材料。
在如图5所示的光盘12的最佳实施例中，在使用波长为650nm的激光时，衬底50、56为0.6mm厚的聚碳酸酯。第一硬介电层51为ZnS或SiO2或它们的混合物，其厚度为70-150nm。第一记录层53为15nm厚的Ge11Te47Sb42。介电层55为厚10nm的ZnS或SiO2或它们的混合物。散热层57为厚50nm的非晶Si。光学干涉膜59为厚60nm的Si3N4。由这些层组成的叠层90的透明度在记录层53为非晶相(或未写)时为31％，在结晶相(或已写)时为15％。如果用传统的可重写相变材料作成叠层90的记录层，则叠层90提供不出可以接受的透明度，因为透过叠层90而在第二记录叠层92上写入数据所需的功率会是太高了。当数据位写入记录层53之后，记录层53不再完全是非晶态。但是，若使用具有非晶起始相(已记录位为结晶相)的反写型相变材料，就能减少在较远的记录叠层92的记录层64上写入数据所需的激光功率。当在记录层53写入数据位时，层53不再全是非晶相。可是，考虑到记录的典型迹宽/迹间距为0.5以及存在位间隔的非晶区域，所以甚至在已全部记录的层上，仍处在非晶相的记录层的典型百分比还会大于70％。
对于现有的激光二极管，为能以好的信噪比可靠地工作，要求反写型可重写相变记录结构的透明度大于30％，反射率大于10％。间隔层44为厚200微米的紫外线固化的旋涂的光敏聚合物。叠层92的介电层62为厚100nm的ZnS或SiO2，或它们的混合物。叠层92的第二记录层64为厚25nm的普通的可重写相变记录材料(非反写型合金GeTeSb)。第二介电层66为厚15nm的ZnS或SiO2或它们的混合物。金属散热层68为厚100nm的Al。如果激光是短波长激光，为了减少光点尺寸并借此提高记录密度，则有必要调整散热层57和介电层59的厚度。例如对波长为500nm的激光，层57、59的最佳厚度分别为25nm和65nm。
在与图5所示的上述最佳实施例相似的双记录层盘的半透明记录叠层90的特例中，记录叠层90的记录层53用Ge11Te47Sb42形成。透明介电层51、55用SiO2形成。半透明散热层57用非晶Si形成，而光学干涉膜59用Si3N4形成。叠层90淀积在聚碳酸酯衬底50上。介电层51溅射淀积在衬底50上达70nm。记录层53溅射淀积在层51上达15nm厚。厚1nm的第二介电层55溅射淀积在层53上。层57为厚50nm的非晶Si，它溅射淀积在介电层55上。75nm的光学干涉层溅射淀积在介电层57上。对于记录叠层92，记录层64用非反写型合金GeTeSb形成。透明介电层62、66用混合物ZnS(80％)+SiO2(20％)形成。金属散热层68用Al形成，叠层92淀积在聚碳酸酯衬底56上。两个记录叠层90、92在7680nm波长下有如下表1所示的透明度、反射率和吸收率的数值：
表1
记录叠层 厚度 透明度 反射率 吸收率
(见图5) (nm) (％) (％) (％)
叠层90 225 36 29 35
叠层92 245 0 20 80
这双记录层盘在动态试验台上试验。用0.55数值孔径的透镜将780nm波长的激光聚焦。使光盘旋转至其上局部介质速度为10.7m/s。因为叠层90的层53的起始相为非晶相，所以写入数据位为结晶相。使用8个时钟周期(8TC)的激光脉冲来记录PWM数据。每个时钟周期(TC)为30ns。为了擦除第一记录层53上的这些数据，并把已写区域转变回非晶起始相，使用占空比为67％的20ns脉冲串(train)。激光功率电平被设为最高写功率电平，但是擦除脉冲的持续时间短于写脉冲。这种脉冲形式的擦除保证了在擦除期间，邻近已写结晶区域的未写非晶区域不会发生结晶。叠层92上的第二记录层64的起始相为结晶相。这第二记录层起始相的选择并不重要，也可以选非晶相为起始相。可是，对每个特定的起始相，必须设计光学干涉结构，以优化记录叠层的反射率和信号对比度。用20ns的激光脉冲来在第二记录层64上记录8TC长的PWM数据。每个时钟周期(TC)为35.4ns。
图6表示采用脉冲擦除方法时第一记录层53的可擦除性(以db表示)。可擦除性就是从记录态到擦除态的信号强度的变化。好的可擦除性通常为大于约25db的任何值。图6表示可获得大于30db的可擦除性，从而表明了第一记录叠层中，脉冲擦除反写型可重写相变材料是可行的。
图7A和7B为记号前沿到后沿(LE-TE)“偏差”的回读数据的曲线图，此两图分别对应于两个记录层中的一个层，该曲线图表示了偏差与激光写功率的函数关系。偏差是光盘中已写记号相对理想位置的偏离程度的量度。为了保证以最小的误差回读数据，在正确的记号长度下低的记号长度偏差是重要的。如图7A和7B所示，在正确的记号长度8TC下，两个记录层上的回读数据显示出可接受的偏差水平。对第二记录叠层92，为达到低偏差，所需的写功率较高，这是因为写光束必须通过透明度为36％的第一记录叠层90。对于目前的半导体激光器来说，50mW的激光功率仍是可行的，特别是因为需要20ns的短脉冲。
已经就图2A所示的结构描述了本发明的最佳实施例，但示于图2B-2C的其它盘结构的最佳实施例也是完全可用的。至此已经描述了本发明，在描述中，在图中本发明以带有仅两个记录叠层的多记录层光盘来表示。不过多于两个记录叠层是可能的。一个或更多的带可重写相变记录层和相应的光学干涉膜的附加记录叠层可放置在第一和第二记录叠层90、92之间。可是，一个重要的准则是，与记录层相邻要有一有效的热导体来散热，从而使记录层能有效地在非晶相和结晶相之间来回转变。这热导层在记录波长处必须有低的吸收。
对于在较远的记录叠层92用的传统可逆相变材料，最好使用合金GexTeySbz。但是，其它材料成分也可用作记录层64，这样的材料能发生非晶相到结晶相可逆转变，并且，具有与这两种结构上不同的态有关的反射率差别。指导选择可用成分的普遍原则是，可逆相变材料应处在或接近理想配比成分。按照这种成分，在结晶过程中很少或不会发生相分离，从而能在非晶相与结晶相之间进行很多次循环。如果没有散热层直接与其接触，则材料的结晶速度最好低些。对于结晶速度快的材料，应有高热导率材料，例如高度透明的导热层，或者直接与记录层接触，或者与其隔着薄的(例如，大约小于30nm)介电层。
适用作较远的记录层64的材料有二元材料GeTe，SnTe，PbTe，SbSe，Sb2Se3，Bi2Se，Bi2Se3，Bi2Te，BiTe，Bi2Te3，Sb2Te，SbTe，Sb2Te3，TeSi，Ag2Se，AgSe2，Ag2Te，Ag3Te2，AgTe2，Au2Se3，AuTe2，GaSb，，GeSe以及0＜x＜0.4的Sb(1-x)Se或上述物质的组合。具有沿伪二元GeTe-Sb2Te3结合线(tieline)的组分的三元化合物GeSb2Te4，Ge2Sb2Te5和GeSb4Te7以及具有沿InSb-GaSb结合线的组分的材料也是有用的。此外，这些成分可以稍微偏离化学配比，并且，通过加进如Sb，Ti，Pd，Sn，或Cr这样的成核剂，使这些物质会极快地结晶。其它的物质还有In3SbTe2和(AgSbTe)x(In1-ySby)1-x对于上述的每种材料，都要基于上面讲授的方法来确定非吸收层51、55、57、59、62、66的新的厚度。
较近的记录层的最好材料是反写型可逆相变材料GexTeySbz(10＜x＜15，45＜y＜55，38＜z＜48，x+y+z＝100)。可供选择的其它反写型可逆相变材料是结晶时间长于约0.25微秒的材料。这时间意味着，对于特定的数据轨迹的线速度，在本例中此速度为5m/sec，0.25微秒这时间足够长，以致随后的激光脉冲不会打到相同的具体位置，这使该位置免于发生从结晶相到非晶相的转变。因为层55、57散热较慢，所以希望结晶时间较长。与此相反，较远的记录层64并没有这个限制，并且允许较短的结晶时间，因为层64得益于有效的金属散热层68。其它可供选择的反写型材料还包括上述用于较远的记录层64的材料，不过要改变其成分，以提供所希望的结晶时间。
已经以光盘驱动系统的实施例来描述了本发明。但是本发明可以用于其它光学数据存储系统。这些系统通常有这样的功能，即，记录了数据的介质可被移动。普通的系统是以带或卡的形式使用光学介质的系统。为读出和写入数据，与带或卡相关的驱动系统以平移而不是光盘情况下的旋转来驱动带或卡。也希望采用可重写相变记录材料的多记录层来提高光带和卡的数据存储容量。在光带和卡中，多记录叠层可支持在不透明的衬底上，并且用透明的保护层覆盖，激光从此保护层入射。在这情况下，保护层起着类似上述光盘衬底的作用。带和卡的保护层以及光盘的衬底均是透明的组成部分，激光都从它们的外表面入射，并透过它到达各记录叠层。
在详细描述了本发明的最佳实施例后，显然，可以在不超出下面权利要求书所述的本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种变更和改进。
Claims (36)
1.一种光学数据存储系统，它包括：
用来产生具有预定波长的激光的激光源；
光学介质，它包括：(a)透光的第一组成部分，它的第一表面是光学介质的外表面，激光从此外表面入射；(b)可逆相变材料的第一记录层，它有非晶起始相，并且它与光学介质外表面之间隔着第一组成部分；(c)与第一记录层接触的透光的光学干涉膜，此光学干涉膜的折射率显著不同于第一记录层的折射率，并且其厚度足以造成光的相长干涉，第一记录层和与其接触的光学干涉膜都是透光的；和(d)可逆相变材料的第二记录层，它与第一记录层彼此隔开；
安装在激光源与第一组成部分的该第一表面之间的透镜，它把激光聚焦成光点；以及
与透镜连接的用来使透镜相对光学介质移动、从而使聚焦的光点能从一记录层移到另一记录层的装置；从而，当光点聚焦到第二记录层以改变第二记录层材料的相的时候，激光透过第一记录层和与其接触的光学干涉膜。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于：所述光学数据存储系统是光学介质驱动系统，所述光学介质是光学介质，并且，激光入射其上的所述第一组成部分是衬底。
3.根据权利要求2的系统，其特征在于：所述第二记录层有非晶起始相。
4.根据权利要求2的系统，其特征在于：光学介质进一步包括透光的间隔层，它处在第一记录层和第二记录层之间，并以该间隔层的厚度把这两记录层隔开。
5.根据权利要求3的系统，其特征在于：所述第二记录层是在间隔层上形成的。
6.根据权利要求3的系统，其特征在于进一步包括反光膜，它在第二记录层上形成并与其接触。
7.根据权利要求2的系统，其特征在于：光学介质进一步包括第二衬底，并且第二记录层在第二衬底上形成，另外，第一和第二衬底由空气隙隔开。
8.根据权利要求2的系统，其特征在于进一步包括介电层，它在衬底的与盘外表面相对的那一面上形成，用来在第一记录层受热期间保护衬底，其中，第一记录层在衬底上的介电层上面形成并与其相接触，而光学干涉膜在第一记录层上形成并与其相接触，光学干涉膜的热导率高于衬底上形成的介电层的热导率。
9.根据权利要求2的系统，其特征在于进一步包括在所述光学干涉膜上形成并与其相接触的第二光学干涉膜。
10.根据权利要求2的系统，其特征在于：光学介质的第一记录层的可逆相变材料是成分为GexTeySbz的合金，其中10＜x＜15，45＜y＜55，38＜z＜48，x+y+z＝100。
11.根据权利要求2的系统，其特征在于：光学介质的第二记录层的可逆相变材料包括一种或几种从下面材料组所选出来的材料：GeTe，SnTe，PbTe，SbSe，Sb2Se3，Bi2Se，Bi2Se3，Bi2Te，BiTe，Bi2Te3，Sb2Te，SbTe，Sb2Te3，TeSi，Ag2Se，AgSe2，Ag2Te，Ag3Te2，AgTe2，Au2Se3，AuTe2，GaSb，，GeSe以及0＜x＜0.4的Sb(1-x)Se。
12.根据权利要求2的系统，其特征在于：光学介质的第二记录层的可逆相变材料基本上包括从下面材料选出来的材料：GeSb2Te4，Ge2Sb2Te5，GeSb4Te7，In3SbTe2以及(InSb)1-x(GaSb)x其中0.5＜x≤1。
13.根据权利要求2的系统，其特征在于：光学介质的光学干涉膜是由下述材料组中的一种材料形成的，该材料组由Si的氧化物、Si的氮化物、Si的碳化物、非晶Si和铟锡的氧化物构成。
14.根据权利要求2的系统，其特征在于：光学介质的光学干涉膜的材料包括下述元素组中的一种元素的氧化物或氮化物：Al，Ti，Zr，Cu，Hf，Ta，Nb，Cr和W。
15.根据权利要求2的系统，其特征在于：光学介质的光学干涉膜的材料包括Zn或Cr与S、Se、Te中的一种或几种元素混合而成的物质。
16.一种光学数据记录介质，它包括：(a)第一透光衬底，它的第一表面是光学介质的外表面，激光从此外表面入射，而第二表面在第一表面的对面；(b)反写型可逆相变材料的第一记录层，它在第一衬底的第二表面上形成，并且与光学介质外表面隔着第一衬底的厚度；(c)与第一记录层接触的透光的光学干涉膜，此光学干涉膜的折射率显著不同于第一记录层的折射率，并且此光学干涉膜的厚度足以造成光的相长干涉，第一记录层和与其接触的光学干涉膜都是透光的；和(d)一层可逆相变材料的第二记录层，它与第一记录层彼此隔开。
17.根据权利要求16的光学介质，其特征在于：所述光学介质是光学介质。
18.根据权利要求17的光学介质，其特征在于进一步包括透光的间隔层，它设置在第一记录层和第二记录层之间，并以该间隔层的厚度把这两记录层隔开。
19.根据权利要求18的光学介质，其特征在于：在所述间隔层上形成第二记录层。
20.根据权利要求17的光学介质，其特征在于进一步包括第二衬底，并且在第二衬底上形成第二记录层，另外，第一和第二衬底由空气隙隔开。
21.根据权利要求17的光学介质，其特征在于进一步包括介电层，它在衬底的与盘外表面相对的那一面上形成，用来在第一记录层受热期间保护衬底，其中，第一记录层在衬底上的介电层上面形成并与其相接触，并且，其中光学干涉膜在第一记录层上形成并与其相接触，光学干涉膜的热导率高于衬底上形成的介电层的热导率。
22.根据权利要求17的光学介质，其特征在于进一步包括在所述光学干涉膜上形成并与其相接触的第二光学干涉膜。
23.根据权利要求17的光学介质，其特征在于：光学介质的第一记录层的可逆相变材料是成分为GexTeySbz的合金，其中10＜x＜15，45＜y＜55，38＜z＜48，x+y+z＝100。
24.根据权利要求17的光学介质，其特征在于：光学介质的第二记录层的可逆相变材料包括一种或几种从下面材料组选出来的材料：GeTe，SnTe，PbTe，SbSe，Sb2Se3，Bi2Se，Bi2Se3，Bi2Te，BiTe，Bi2Te3，Sb2Te，SbTe，Sb2Te3，TeSi，Ag2Se，AgSe2，Ag2Te，Ag3Te2，AgTe2，Au2Se3，AuTe2，GaSb，GeSe以及0＜x＜0.4的Sb(1-x)Se。
25.根据权利要求17的光学介质，其特征在于：光学介质的第二记录层的可逆相变材料基本上包括一种从下面材料组选出来的材料：GeSb2Te4，Ge2Sb2Te5，GeSb4Te7，In3SbTe2以及(InSb)1-x(GaSb)x其中0.5＜x≤1。
26.根据权利要求17的光学介质，其特征在于：光学介质的光学干涉膜由下述材料组中的一种材料形成，该材料组由Si的氧化物、Si的氮化物、Si的碳化物、非晶Si和铟锡的氧化物构成。
27.根据权利要求17的光学介质，其特征在于：光学干涉膜的材料包括下述元素组中的一种元素的氧化物或氮化物：Al，Ti，Zr，Cu，Hf，Ta，Nb，Cr和W。
28.根据权利要求17的光学介质，其特征在于：光学干涉膜的材料包括Zn或Cr与S、Se、Te中的一种或几种元素混合而成的物质。
29.一种多数据层光学记录盘，它包括：(a)第一透光学介质衬底，它的第一表面是激光入射的外表面，而第二表面在第一表面的对面；(b)在衬底的第二表面上形成的第一透光记录叠层，第一记录叠层包括在衬底的第二表面上形成的第一介电层、在第一介电层上形成的有非晶起始相的可逆相变材料的第一记录层、在第一记录层上形成的第二介电层，后者的热导率大于第一介电层、在第二介电层上形成的第三介电层，并与第一记录层一起提供相长干涉；(c)在第一记录叠层上的透光的间隔层和(d)在间隔层上的第二记录叠层，第二记录叠层包括在间隔层上的第四介电层、在第四介电层上的可逆相变材料的第二记录层以及在第二记录层上的第五介电层。
30.根据权利要求29的光学记录盘，其特征在于：第二记录层有非晶起始相。
31.根据权利要求29的光学记录盘，其特征在于：第一记录层和第二记录层的可逆相变材料是含有Ge，Te和Sb的合金。
32.根据权利要求29的光学记录盘，其特征在于：光学记录盘的第二记录层的可逆相变材料包括一种或几种从下面材料组选出来的材料：GeTe，SnTe，PbTe，SbSe，Sb2Se3，Bi2Se，Bi2Se3，Bi2Te，BiTe，Bi2Te3，Sb2Te，SbTe，Sb2Te3，TeSi，Ag2Se，AgSe2，Ag2Te，Ag3Te2，AgTe2，Au2Se3，AuTe2，GaSb，，GeSe以及0＜x＜0.4的Sb(1-x)Se。
33.根据权利要求29的光学记录盘，其特征在于：光学记录盘的第二记录层的可逆相变材料基本包括一种从下面材料组选出来的材料：GeSb2Te4，Ge2Sb2Te5，GeSb4Te7，In3SbTe2以及(InSb)1-x(GaSb)x其中0.5＜x≤1。
34.根据权利要求29的光学记录盘，其特征在于：第二介电层包括Si的氧化物、氮化物或碳化物。
35.根据权利要求29的光学记录盘，其特征在于：第二介电层的材料包括下述元素组中的一种元素的氧化物或氮化物：Al、Ti、Zr、Cu、Hf、Ta、Nb、Cr和W。
36.根据权利要求29的光学记录盘，其特征在于：第二介电层的材料包括Zn或Cr与S、Se、Te中的一种或几种元素混合而成的物质。
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