CN1795500B - 多叠层光学存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学存储介质，其在入射面(EF)下包括一个上方记录叠层(ST₀)和至少一个下方记录叠层(ST₁)，该上方记录叠层(ST₀)包括一个上方记录层(L₀)，所述下方记录叠层(ST₁)通过一个穿过该入射面(EF)进入该光学存储介质的具有一波长(λ)的辐射束(4)透射过该上方记录叠层(ST₀)并聚焦于所述下方记录叠层(ST₁)来被记录或读回，该上方记录层(L₀)中的记录导致在该第一记录层(L₀)的记录区与未记录区之间的光学厚度的变化在范围[0.03λ，0.125λ]内。

Description

多叠层光学存储介质

技术领域

本发明涉及一种多叠层光学存储介质。本发明还涉及制造这种光学存储介质的一种方法。

本发明尤其涉及一使用DVD格式的双叠层一次性写入光学记录介质。

背景技术

近来，作为一种存储量比CD大得多的介质，数字通用盘(DVD)已赢得了市场份额。目前，这种格式可用于只读(ROM)的、可记录的、或一次写入(R)及可重写(RW)的规格。

诸如DVD的一次写入或可重写的光学存储介质包括一个记录叠层，该记录叠层包括一个记录层。通过用强激光束局部地改变记录层的光学性质而在光学存储介质上进行信息的记录。被记录的部分通常称为凹坑或标记。对于一次写入和可重写的DVD格式的一个同样的问题是有限的容量与最终的记录时间，因为单叠层的介质有最大4.7GB的容量。

一般被称为DVD-9的一种DVD-视频的双叠层ROM盘具有8.5GB的容量，它也已经占有了可观的市场份额，但是不能在这种DVD上写入信息。

因此，迫切需要一种具有两个叠层从而可提供约8.5GB的容量的一次写入型DVD。

双叠层一次写入型光学存储介质的一个问题是：数据的记录不可避免地会引入记录叠层光学性能的局部变化。当通过上方的已被写入的记录叠层来存取一个记录叠层时，该上方记录叠层的光学性能的局部变化会劣化用于读取和写入下方记录叠层的聚焦光束。如果由上方记录叠层引入的变形太严重，那么对下方叠层的写入和/或读取将会变得不可能或者质量无法接受。

为了将上方记录叠层引入的变形限制到一个能够接受的程度，在光学存储介质的叠层必须满足的条件之一是：透射过上方记录叠层的写入部分与未写入部分的光的相位差减小。

图1a和1b展示了一个具有一上方记录叠层UST₀、RST₀和一下方记录叠层ST₁的光学存储介质。下方记录叠层ST₁的记录层由一聚焦于该下方记录叠层ST₁的激光束4记录或读回。所述激光束4具有一个波前5、7以及一个焦点6、8。在图1a中，上方记录叠层UST₀未被记录，聚焦激光束4不引起波前5和焦点6的任何变形。在图1b中，上方记录叠层RST₀包含有记录数据，聚焦激光束4的波前7和焦点8显示了一些变形。

2001年4月13日出版的、公开号为2001-101709的日本专利申请文件中披露了一种具有两个记录叠层的一次写入型DVD(DVD-R)。所述的记录叠层具有一种所谓的MIM结构，其包括一个顶部薄金属记录层M、一个干涉层I和另一个薄金属层M。提出的这种解决方法确保了：当使用一个波长为λ的聚焦激光束时，透射过上方记录叠层的写入与未写入部分的光的相位差通常小于10度，或相当于小于波长λ的0.02倍，这是通过使记录层足够薄而得到的。例如，当使用655nm的波长时，第一记录层的光学厚度(等于第一记录层的折射率与厚度的乘积)须小于13nm。

该方案的主要缺点是制造这种薄金属记录层极为困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现至少两个记录叠层的光学存储介质的方案，其中所述的记录叠层比较容易制造。

实现该方案的一个光学存储介质在其入射面上包括一个厚度为d_R且折射率为n_R的上方记录叠层以及至少一个下方记录叠层，通过一个具有波长为λ的辐射束穿过入射面进入该光学存储介质、透射过该上方记录叠层而聚焦于所述下方记录叠层来记录或读回所述的下方记录叠层，上方记录层中的记录导致了在该第一记录层的记录与未记录区之间的光学厚度的变化Δ(n_R·d_R)在范围[0.03λ，0.125λ]内。

根据本发明，所提供的光学存储介质确保在使用波长为λ的一个聚焦辐射束时，上方记录层的数据记录不会将该辐射束的光学性能改变到劣化下方记录叠层的记录与读回的程度。特别地，按照本发明的光学存储介质能够确保：透射过含记录与非记录区的上方记录层区域的辐射束所具有的局部波前相位变化ΔΦ总是保持在[0.03λ，0.125λ]的范围内。上方记录层的厚度为d_R且折射率为n_R。在根据本发明的光学存储介质中，在上方记录层中的记录会导致光学厚度的变化，所述光学厚度是该上方记录层的所述厚度d_R与所述折射率n_R的乘积。考虑到局部波前相位变化ΔΦ主要是导致传输中相位变化的上方记录层的光学厚度变化Δ(Δn_R·d_R)，可以估算该局部波前相位变化ΔΦ。由此得到了下面的等式EQ1：

ΔФ＝Δ(n_R·d_R)≈Δn_R·d_R+n_R·Δd_R            (EQ₁)

上方记录层包含一种记录材料，其例如是一种有机染料。应当注意的是，对于有机染料的材料，数据的记录主要由折射率的变化(降低)Δn_R引发的，因此，等式EQ₁简化为等EQ_1B：

ΔФ＝Δn_R·d_R                                (EQ_1B)

在这两种情况下，都是通过选择合适的上方记录层的厚度d_R来满足对ΔФ所要求的条件。

如果我们考虑波长为λ的一个聚焦辐射束透射过含记录数据的一个上方记录层，则ΔФ的上限0.125λ可以如下地推导。Maréchal准则表明，若由波前相位变化ΔФ引起的均方根(RMS)波前偏差 ${\mathrm{We}}_{\mathrm{RMS}}=\√|{\left(\underset{\‾}{W}\right)}^2-\left(\underset{\‾}{W^2}\right)|$ 小于0.072λ，则焦点保持“受衍射限制”。在一个记录区域，记录层的一小部分x的区域包含标记；典型地，1/6≤x≤1/4。当一个波前透射穿过含有记录数据的一个记录层时，每个记录标记向入射到该标记上的波前部分引入一个相位偏移ΔФ。当对整个波前取平均值时，则RMS波前误差变成We_RMS＝ΔФ·√(x-x²)。通过取x＝1/4，获得ΔФ的允许的最大值的保守估计，其结果是ΔФ≤0.072λ/√(3/16)，即ΔФ≤0.125λ。ΔФ的下限的确定则考虑到了调制作用。信号的调制率定义为最高信号电平和最低信号电平之间的差，由来自盘的最高信号电平标准化。对于通过记录过程改变折射率的类似有机染料类材料的记录材料来说，当ΔФ小于0.03λ时，调制率变得太弱而不能对已记录的盘进行可靠的读回。

应当了解，上方记录层的光学厚度Δ(n_R·d_R)优选地被选择在[0.05λ，0.09λ]的值域内，最优选于[0.06λ，0.08λ]的值域内，例如等于0.073λ，因为这些值给出了信号调制率与局部波前相位变化之间的最佳折中。

上述对于局部波前相位变化的条件的最终结果是：按照本发明的光学存储介质的上方记录层不必像现有技术中使用的MIM结构那样薄。因此易于制造所述的上方记录层。例如，当使用具有上方记录层的未记录区的折射率为2.2且记录区的折射率为1.6的有记录染料类材料时，本发明的使用波长约为655nm的辐射束的DVD格式的光学存储介质必须具有厚度d_R在28nm≤d_R≤115nm的范围内的上方记录层。

在本发明的第一实施例中，所述的上方记录层(L₀)由一种有机染料类材料制成。使用由有机染料制成的上方记录层相对于由薄金属制成的上方记录层的优点在于，有机染料为实现记录所要求的温度(200-300℃)比薄金属膜所要求的温度(至少300-400℃)更低。而且，有机染料具有极低的热传导率，以致它们会以相对低的速率散热，而金属具有高的热传导率从而以更高的速率散热。因此，根据本发明的第一实施例的上方记录叠层结构比MIM叠层结构要求更低的记录功率。例如，在1X速度下，即对于DVD以3.49m/s的标准速度，有机染料类材料一般要求低于10mW，而MIM结构要求12mW。因此所述上方记录层具有较低的功耗，这对于便携设备是有利的。

在本发明的第二实施例中，上方记录叠层(ST₀)包括一个薄金属反射层(M₀)。相比于现有技术中使用的上方记录叠层的MIM结构，根据本发明的第二实施例的光学存储介质中只使用了一个薄金属层，这允许了激光束的更高透射率，即更高比例的光量能够穿过上方记录叠层到达下方记录叠层。

在本发明的另一具实施例中，所述的薄金属层由Ag合金形成，而MIM结构则几乎由纯Au形成。因此根据本发明的光学存储介质中使用的上方记录叠层结构更加便宜。

附图说明

将参考以下附图进一步描述本发明：

图1a展示了一个激光束穿过一个光学存储介质的未记录的上方记录层并聚焦于下方记录层，

图1b展示了由一个穿过一个光学存储介质的上方记录层并聚焦于下方记录层的激光束所产生的波前变形，所述的上方记录层包含有记录数据，

图2展示了根据本发明的双层光学存储介质示意性布局，

图3a展示了上方记录叠层的详细结构，

图3b描绘了光穿过上方记录层的一空白槽、一空白台面、或记录槽时光路的差异，

图4a与4b展示了作为波长的函数的AZO与花青有机染料类材料的光学常数，

图5展示了作为上方记录层的折射率与厚度之乘积的函数的调制率，

图6展示了穿过部分记录的上方记录层而从下方记录层读回的数据的抖动测量值的图表。

具体实施方式

图2中显示了根据本发明的一种光学存储介质。所述光学存储介质在其入射面EF下方包括一个衬底1、一个上方记录叠层ST₀，一个间隔层2，一个下方记录叠层ST₁和一个第二衬底3。该上方记录叠层ST₀包括一个上方记录层L₀和一个薄金属反射层M₀。该下方记录叠层ST₁包括一个下方记录层L₁和一个厚金属反射层M₁。

在本发明的第一实施例中，该上方记录层L₀例如由一种有机染料形成，该有机染料的折射率为n_R，且在该层L₀的未记录部分与记录部分之间的折射率变化为Δn_R。但并非局限于此，因为只要记录过程是基于折射率的改变，记录层L₀同样可以由任何记录材料形成。

同样应当注意的是，尽管本发明的该实施例中的记录叠层仅仅包括一个记录层L₀和一个薄金属层M₀，但本发明也可以应用于更加复杂的记录叠层。

所述的有机染料类材料允许进行一次写入型记录，因为它在记录过程中的劣化方式是不能重复数据记录的。因此本发明的第一实施例是关于一次写入型光学存储介质的。但是应当了解的是，本发明也可以涉及可重写光学存储介质，该介质中的上方记录层是由一种可重写材料形成的，数据的记录引起所述记录材料的光学厚度发生变化。

图3a展示了根据本发明的第一实施例的上方记录叠层ST₀的结构。该有机染料类材料如是AZO或花青染料。上方记录层L₀涂敷于透明的预制凹槽的衬底1。该衬底1的厚度值最好位于范围[0.30mm，1.2mm]内，例如等于0.575mm。值得注意的是，对于DVD来说，小范围的规定厚度值[0.56mm，0.60mm]是优选的。

上方记录层L₀包含有凹槽G和台面L。凹槽G的深度1₀例如是160nm、宽度15例如是320nm。两个凹槽G之间的距离，也称为轨距19，优选为等于740nm。该上方记录层L₀通常包括至少两个不同的厚度值d_R，它们是槽13的厚度和台面14的厚度，前者例如是60、80或100nm(上限为115nm)，后者为15、25或40nm.薄金属层M₀的厚度值12优选为在范围[5nm，25nm]内，例如等于12nm。箭头6指示了用于记录或读取该光学存储介质的聚焦激光束的方向和位置。对于可记录的DVD来说，该聚焦激光束的波长λ约为655nm，数值孔径NA为0.65。透明的间隔层2具有的深度基本上大于聚焦幅射束的焦点深度，优选在范围[0.03mm，0.07mm]内，更优选为等于0.05mm。

本发明的第一实施例的光盘可以以如下方法制造：用一个压模模制聚碳酸酯衬底1，在该衬底1上形成凹槽G。例如通过在该预制凹槽的衬底1上进行旋涂来涂敷用于形成上方记录层L₀的有机染料类材料。接着，例如通过溅射来施加一个称为薄金属反射层M₀的由银合金构成的半透明反射镜。在该薄金属层M₀的顶部，通过涂敷一种UV固化漆而形成一个间隔层2。通过按压一个压模(例如是Zeonor的)，衬底1上的凹槽G被复制到该漆上。将该漆充分地曝光于UV中而使之固化。在间隔层2的凹槽的顶部涂敷一个新的染料记录层L₁。然后施加一个厚金属反射层M₁。通过在该厚金属层的背面粘贴一个伪衬底(dummy substrate)3而制成该光盘。

使用有机染料制成的上方记录层的优点在于，有机染料可以通过旋涂来施加，而MIM结构对于干涉层和薄金属记录层则需要额外的溅射沉积步骤。旋涂比溅射更易于实施。因此根据本发明的光学存储介质的制造工艺更加便宜。

应当了解，上述制造方法是关于双叠层光学介质的，但本领域的技术人员应能够推导出用于多叠层光学介质的类似方法。

图3b展示了穿过一空白槽20、一台面21和一记录槽22时光程长度的差别。在基于染料的记录叠层ST₀的情况中，实际上第一记录层L₀包含有槽和台面(也称为水平面)，它们带来了光传输过程中的三种不同相位，即通过一台面21时的聚焦光束24的台面相位Φ_L、通过一空白槽20时的聚焦光束23的空白槽相位Φ_CE以及通过一记录槽25的聚焦光束25的记录槽相位Φ_CR。得到如下的相位差：

Φ_CE-Φ_CR＝Δn_R·d_G(EQ₂)，其中d_c是槽的厚度13，Δn_R是染料记录层的折射率n_R的变化。

Φ_CE-Φ_L＝(n_R-n₀)·(d_G-d_L)(EQ₃)，其中n₀是衬底1的折射率，d_L是台面深度14，

Φ_L-ΦC_R＝Δn_R·d_G-(n_R-n₀)·(d_G-d_L)(EQ₄)。

等式EQ₂与等式EQ₁等价。另一个要点是，对于这三个等式要求相位差小于0.125λ。然而对于基于染料的记录材料，Δn_R≈n_R-n₀。因此，可以得出最大相位差是由等式EQ₁和EQ₂给出的，这表示在设计第一记录层L₀时只需要考虑EQ₁。

图4a和4b展示了两种类型的有机染料类材料的作为波长λ的函数的光学常数。材料的光学常数是复折射率 $\tilde{n}=n+i\·k$ 。在本发明的第一实施例中，波长λ等于655nm，并且，使用折射率的实部n_R1约等于2.3的AZO染料类材料，或使用折射率的实部n_R2等于2.2的花青染料类材料。当数据记录到记录层中时，折射率降至约1.6。

图5展示了作为第一记录层的折射率变化和厚度的乘积的函数的调制率。对于DVD来说，调制率期望保持大于0.6。对于其它的应用，低于0.6的值也是可以接受的。

已表明选择厚度Δn_R·d_R大于0.06λ的第一记录层L₀可确保调制率的值在0.6以上。

图6展示了穿过部分记录的记录层L₀而从第二记录层L₁读回的数据的抖动测量值的图表。灰色带表示在第一记录层L₀上记录有数据的光盘半径。

在光盘中，记录在其上的数据以凹坑的长度和凹坑问的未记录区的长度进行编码，凹坑问的未记录区也称这间隙(space)。应当了解，标记的实际记录不一定发生在槽G中，而是也可以发生在凹槽之间的区域L，也称为台面。在这种情况下，引导槽G仅仅用作伺服跟踪装置，实际的辐射束记录光点则落在台面上。

上述长度应当是一个预定通道位长度的整数倍。例如，双层密度的DVD的预定通道位长度等于146.7nm。由于不可能精确地记录这种长度，因此非常需要对该长度的记录的误差进行评价。

对这种误差的一种可行的测量是对抖动的测量。抖动定义为：凹坑和问隙的引导和拖尾边缘相对于这些边缘的期望或理想的位置的分布宽度，所述期望或理想的位置由预定通道位长度给出。在实验中实际测量的是，在读出期间的来自盘的信号的引导和拖尾边缘的相对于期望时间的时间误差的分布。所述的时间由位长度与读取速度的比率给出。平均抖动的曲线30显示了根据本发明的光学存储介质的第一记录层L₀的记录仅仅导致了抖动值的微小增加，这对应于读取第二记录层L₁的条件只有少量劣化。

应当注意，上述实施例旨在解释而非限制本发明，本领域技术人员在不超出所附权利要求的范围的情况下可以设计许多变化的实施例。在权利要求中，括号中的任何参考标记不应被视为对权利要求的限制。词语“包括”并不排除未列于权利要求中的其它元件或步骤的存在。元件名称前的数量词“一个”并不排除多个这种元件的存在。彼此独立的权利要求中描述了某种措施的事实并不是表示这些措施的组合不能见效。

Claims (7)

1.一种可重写光学存储介质，在其入射面(EF)下包括：

上方记录叠层(ST₀)，该上方记录叠层(ST₀)包括厚度为d_R且折射率为n_R的上方记录层(L₀)，和

至少一个下方记录叠层(ST₁)，

所述下方记录叠层(ST₁)通过一个穿过该入射面(EF)进入该可重写光学存储介质的具有波长λ的辐射束(4)透射过该上方记录叠层(ST₀)并聚焦于所述下方记录叠层(ST₁)来被记录或读回，

所述上方记录层(L₀)中的记录导致在所述上方记录层(L₀)的记录区与未记录区之间的光学厚度的变化Δ(n_R·d_R)在范围[0.03λ，0.125λ]内。

2.如权利要求1所述的可重写光学存储介质，其中所述上方记录层(L₀)由可重写材料制成。

3.如权利要求1所述的可重写光学存储介质，其中所述上方记录层(L₀)由可重写材料制成，使得数据记录导致所述可重写材料的光学厚度变化。

4.如权利要求1所述的可重写光学存储介质，其中所述上方记录叠层(ST₀)包括形成于所述上方记录层(L₀)与所述下方记录叠层(ST₁)之间的薄金属反射层(M₀)。

5.如权利要求1所述的可重写光学存储介质，其中所述波长λ约等于655nm。

6.如权利要求1所述的可重写光学存储介质，其中所述光学存储介质具有DVD格式。

7.一种制造可重写光学存储介质的方法，该可重写光学存储介质包括上方记录层(L₀)和至少一个下方记录层(L₁)，所述上方记录层(L₁)通过具有波长λ的聚焦辐射束被记录或读回，所述制造方法包括以下步骤：

形成预制凹槽的半透明衬底(1)，

在该预制凹槽的衬底(1)上沉积可重写材料而形成该上方记录层(L₀)，使得所述上方记录层(L₀)中的记录导致在所述上方记录层(L₀)的记录区与未记录区之间的光学厚度的变化在范围[0.03λ，0.125λ]内。

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