CN1930614A - 适于使用紫外激光源存储数据的光学记录盘 - Google Patents

Abstract

一种适于使用记录/读取设备来存储数据的光学记录载体(20)，所述记录/读取设备包括紫外激光源，该激光源发射波长X在230nm至270nm的范围内的电磁辐射(29)。该记录/读取设备还包括物镜(21)，用于将电磁辐射(29)会聚在该光学记录载体上。NA是该物镜(21)的数值孔径。该光学记录载体包括螺旋轨道(22)，其轨距TP在0.55×λ/NA和0.75×λ/NA之间。

Description

适于使用紫外激光源存储数据的光学记录盘

本发明涉及一种光学记录载体，其使用记录/读取设备来存储数据。所述记录/读取设备包括波长λ在230nm至270nm范围内的紫外激光器。该记录设备包括用于在光学记录盘上聚焦激光束的物镜。该物镜具有预定的数值孔径NA。

光学数据存储系统在数据容量方面历经了逐年的提高。光学存储系统，特别是光盘，是通过单色激光束读取的，所述激光束经由物镜会聚在盘上。光盘的数据容量受限于该单色激光束的焦点尺寸。光斑尺寸与所使用的激光的波长(λ)和物镜的数值孔径(NA)成比例：

$D\∝\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}$

光盘的总数据容量由读出和/或记录系统的光斑尺寸决定。

通过提高物镜的数值孔径(NA)并减小激光的波长(λ)，总数据容量从650M字节(CD，NA＝0.45，λ＝780nm)提高到了4.7G字节(DVD，NA＝0.60，λ＝650nm)，甚至达到了25G字节(BD，前身是DVR，NA＝0.85，λ＝405nm)。BD(蓝光盘)的数据密度是按光学比例从DVD的数据容量推导的。

聚焦激光束必须由一个控制机构驱动，以便在数据的读出或记录期间精确地跟踪轨道。轨道是在盘上将要记录信息的区域。通常的轨道具有螺旋形状。为了在盘上读取或记录信息，激光束的焦点必须跟随轨道。为此目的，在光盘上提供一种螺旋沟槽结构。对于仅沟槽记录(groove-only recording)，数据被写在沟槽阶面(grooveplateau)内或相邻的槽脊阶面(land plateau)上。本文中，我们将最靠近入射激光束的阶面表示为槽上阶面(on-groove plateau)。最远离入射激光束的阶面称为槽内阶面(in-groove plateau)。数据也可同时写在槽内阶面与槽上阶面上。这种记录方案称为槽内/槽上记录(in-groove/on-groove recording)。图13示意地表示了槽内/槽上的同时记录。轨道是数据被写在槽上或槽内阶面的位置(仅沟槽记录)，或是被同时写在槽内和槽上阶面的位置(槽内/槽上记录)。两个轨道之间的距离称为轨距(TP)。

跟踪误差是激光束的焦点的预期位置与实际位置之间的偏差。焦点的预期位置是在轨道的中心处。用来产生跟踪误差信号的光学参数通常叫做推挽信号。为了检测焦点相对于轨道的空间偏移，记录/读取设备具有辅助检测器以用来基于沟槽结构产生推挽信号。利用该推挽信号来控制致动器，致动器在盘的旋转期间定位记录头，从而在轨道上定位焦点。

沟槽结构由槽深d、侧角θ、槽宽L1和沟槽占空比来表征。图2中给出了它们的定义。在如图2所示的槽内排布的情况下，两个相邻沟槽之间的间距等于轨距。槽深d即为沟槽的深度。沟槽占空比定义为槽宽L1除以轨距TP。侧角θ决定了沟槽与相邻阶面之间的斜度。在当前的定义下，槽上就是指入射激光束首先到达的基板部分(阶面)，槽内就是指远离入射激光束的基板部分(沟槽)。

此外，沟槽形状还对局部的光吸收具有显著影响。这例如可以从蓝光盘系统(DVR系统)的初始相态中的槽脊/沟槽记录方案中了解，其中槽脊和沟槽阶面表现出不同的记录现象。在槽脊/沟槽的定义方案中，就写入功率和热交叉写入(通过在中心轨道中写入标记而可部分擦除相邻轨道中的标记的现象)而言，观察到槽脊和沟槽加热之间明显的差异。沟槽(槽内)加热倾向于更高的写入功率和更多的热交叉写入。因此，在同时考虑跟踪与光学吸收的情况下，具有最佳性能的沟槽形状的合适选择对于高质量的光学数据记录是最为重要的。

本发明的目的是提供一种用于存储数据的光学记录载体，它对于深度UV记录具有成比例扩大的数据容量，并针对跟踪和光学吸收进行了优化。

该目的是通过一种用于存储数据的光学记录载体实现的，所述光学记录载体的特征在于：对于仅沟槽记录和槽内/槽上记录，螺旋轨道都具有0.55×λ/NA与0.75×λ/NA之间的轨距TP。λ是用于读取/记录数据的紫外激光的波长，其范围在230nm至270nm之间。NA是用于将激光束会聚于光学记录盘上的物镜的数值孔径。例如目前用于蓝光盘系统的高端物镜的典型数值孔径为NA＝0.85。在这种情况下，λ＝266nm的系统的有效光斑半径R0(即激光光斑强度下降到其最大强度的1/e处的半径)为R0＝99nm。表1中比较了R0的这个值与其它三种已知系统(CD、DVD和BD)的值。相关的光斑面积和预期数据容量也在表中给出了。若考虑有效光斑面积(πR02)，则可以看出UV系统的数据容量预期可达到60-65G字节。对于数值孔径NA＝0.65，所得到的数据容量低于数值孔径NA＝0.85的情形。

系统	λ(nm)	NA	R0(nm)	光斑面积(m2)	数据容量(GB)
						CD	780	0.45	495	7.7E-13	0.65
DVD	670	0.65	327	3.4E-13	4.7
						BD	405	0.85	151	7.2E-14	25
UV	266	0.85	99	3.1E-14	60-65
						UV	266	0.65	130	5.3E-14	30-35

表1：4代光学存储系统的光斑尺寸和测算数据容量

总之，对于λ＝266nm和NA＝0.85来说，有效光斑半径R0约为100nm。如果追求过小的轨距，则光斑将极广地覆盖相邻轨道和写入数据，这可导致数据破坏、读出数据时的光学串扰以及推挽跟踪信号的严重劣化。另一方面，如果追求过宽的轨距，则将达不到目标数据容量。本发明获得了关于最小热交叉写入、可接受的光学串扰、可接受的推挽信号以及最大可实现数据容量的最佳数据轨距。图1中给出了CD、DVD、BD和UV系统的跨轨(横向)温度分布的数值模拟。

图1示出了作为激光脉冲加热(50ns的写入脉冲)的结果的对于CD、DVD、BD和UV条件下的跨轨(横向)温度分布。该分布是以轨道中心的最高温度为基准被标准化了，且被描绘成跨轨(横向)坐标的函数，而该跨轨坐标以有效光斑尺寸(R0)为度量单位。

可以看出所有的温度分布都服从类似的曲线。从图中我们可以看到在径向位置y＝2×R0的相邻轨道的中心的温度已下降到了最高温度Tmax的0.2倍。

在基于相变的可重写光盘中，热交叉写入特别是因中心轨道的写入而导致的相邻轨道中的标记的(部分)重结晶。激光引入的重结晶发生在高于结晶温度(200℃-300℃)的温度。轨道中的最高温度(Tmax)约为800℃-1000℃，以使足够宽的标记熔融。取决于记录材料的具体性能，相邻轨道中的0.2Tmax或更低的温度是一个避免热交叉写入的合理基准。在此情形中，相邻轨道处的温度保持在200℃以下。如果我们将TP＝2×R0作为轨距的最小值，则可以避免热交叉写入。如果光斑强度分布服从高斯分布，则可得到下面的R0的表达式：

R0＝0.52*1.22*λ/(2*NA)

为尽量避免热交叉写入，优选为TP＝2×R0。于是

TP＝2*R0

TP＝2*0.52*1.22*λ/(2*NA)

TP＝0.63*λ/NA

值0.63附近的范围是所要求的，即

0.55*λ/NA＜TP＜0.75*λ/NA

下限0.55是通过在实际材料中的热交叉写入决定的。上限0.75与数据容量有关。由此提供了一种具有优化了轨距的使用UV激光的光盘。

优选地，所述光记录盘的特征是槽深为d，其中所述的槽深在

$\frac{1}{12}\×\frac{\mathrm{\λ}}{n0}$ 和 $\frac{1}{4}\×\frac{\mathrm{\λ}}{n0}$ 之间，n0是光记录盘的覆盖层的折射率。槽深决定了用于跟踪的推挽信号的幅度。推挽信号必须足够强以便确定激光光斑是否在轨道上。

槽深应当这样选择：槽内反射的波长λ的光束与槽上反射的波长λ的光束之间会发生部分相消性干扰。如果从槽脊反射的光束和从沟槽反射的光束之间的光学延迟为λ/(n0×2)，即2×d×n0＝λ/2，则两束光相互完全抵消，且从光盘上反射的光的总强度最小。nO是记录叠层与物镜之间的介质的折射率。当使用覆盖层时，该折射率n0是该覆盖材料的折射率，对于空气入射的记录，n0＝1。d是槽深，而2×d×n0是从槽内和槽上反射的光束之间的光学延迟。槽上和槽内之间的光程差定义为d×n0或光学延迟的一半。

由此，为了避免完全的相消干扰，以不至于得到极低的反射光强度及因此得到极低的信号幅度，槽深应当小于d＝λ/(4×n0)。对于大于这个值的槽深，推挽信号的极性会反转。因此，在实际的盘中使用约λ/8的光程差。λ/12的最小光程差将保证足够强的跟踪信号。但这并不是一个严格的限度，因为推挽幅度不仅取决于槽深，而且同样取决于轨距：对于较大的轨距，稍浅的沟槽也能被接受。

本发明既覆盖仅沟槽记录，也覆盖槽内/槽上记录。仅沟槽记录是只用槽内或槽上阶面进行记录的记录方案。在槽内/槽上记录中，两个阶面都被用来记录。图13中描绘了蓝光盘条件下的两种记录方案。箭头指示了入射激光束。图13中示出了槽内/槽上记录的曲线图(上图)和仅沟槽记录的曲线图(下图)。下图表示了一种记录方案，其中用槽上阶面进行记录。下图的轨距TP等于320nm，且等于相邻阶面的中心之间的距离。上图的轨距TP等于300nm，且等于一个阶面的中心与一个相邻沟槽的中心的距离。上图中两个相邻阶面的中心之间的距离等于600nm。

优选地，所述光盘具有的占空比DC在30％和70％之间。如果占空比接近0％或100％，则推挽信号将消失。

现在将参照附图来描述本发明的一个优选实施例。

图1示出了作为激光脉冲加热(50ns的写入脉冲)的结果的对于CD、DVD、BD和UV条件下的跨轨(横向)温度分布。该分布是以轨道中心的最高温度为基准被标准化了，且被描绘成跨轨(横向)坐标的函数，而该跨轨坐标以有效光斑尺寸(R0)为度量单位。

图2是本发明的优选实施例的示意图。

图3示出了沟槽形BD和UV介质的跨轨温度分布。所显示的是槽内和槽上的温度分布。

图4示出了对于多个槽深的槽内加热的跨轨温度分布(UV记录条件)。

图5示出了对于两个槽深的槽上加热的跨轨温度分布(UV记录条件)。

图6示出了作为径向位置的函数的推挽信号，该径向位置以轨距为标准。记录是通过覆盖层来进行的。轨距TP等于175nm且沟槽占空比等于50％。

图7示出了作为径向位置的函数的推挽信号，该径向位置以轨距为标准。记录是通过覆盖层来进行的。轨距TP等于200nm且沟槽占空比等于50％。

图8示出了作为径向位置的函数的推挽信号，该径向位置以轨距为标准。记录是通过覆盖层来进行的。轨距TP等于225nm且沟槽占空比等于50％。

图9示出了作为径向位置的函数的推挽信号，该径向位置以轨距为标准。所进行的是空气入射记录。轨距TP等于175nm且沟槽占空比等于50％。

图10示出了作为径向位置的函数的推挽信号，该径向位置以轨距为标准。所进行的是空气入射记录。轨距TP等于200nm且沟槽占空比等于50％。

图11示出了作为径向位置的函数的推挽信号，该径向位置以轨距为标准。所进行的是空气入射记录。轨距TP等于200nm且沟槽占空比等于50％。

图12展示了两个图，它们表示在沟槽占空比为30％、50％和70％的光盘中进行槽内和槽上加热的跨轨温度分布。

图13是槽脊/沟槽加热和仅沟槽加热和记录的示意图。

图2是本发明的一个实施例的示意图。它展示了所提出的共形的(conformal)沟槽形状。在一个预置沟槽的基板上沉积MIPI叠层(M表示金属，I表示介电层，P表示相变层)。图2所示的光学记录载体包括下列各层：覆盖层、顶介电层、相变层PC、底介电层、金属层和最后的基板层。

锥形29表示聚焦的入射电磁辐射束的方向。“槽内”指的是在基底中模压的沟槽。此处考虑的是仅沟槽记录的方案。槽内/槽上记录方案是本发明的另一种实现方式，本实施例并未涉及。在如图2所示的槽内排布的情况下，两个相邻沟槽之间的节距等于轨距TP。其它的沟槽尺寸有侧宽FW、槽内宽度L1、槽上宽度L2、侧角θ和槽深d。“槽上”就是槽脊阶面。如图2中所示，记录介质的轨距TP等于200nm；槽深等于20nm；沟槽占空比等于50％。槽内和槽上宽度L1和L2都是100nm。侧角等于60°。侧宽FW等于11.5nm。

下面的表2列出了图2中所示的本实施例的光盘的属性。N是各个层的折射率，K是在266nm的波长下不同层的吸收率。

表2：叠层设计中各层的层厚及光学性能(波长λ＝266nm)

盘中各层	N	K	厚度(nm)
				覆盖层	1.768	0	＞55
顶介电层	2.655	0	130
				SbTe相变层	1.0	1.94	12
底介电层	2.655	0	15
				Ag金属层	0.31	3.25	120
基板层	1.768	0	＞90

图2中所示的光学记录盘为波长等于266nm的激光和数值孔径NA＝0.85的物镜进行了优化。由TP＝0.64×λ/NA得到轨距等于200nm。这恰在所附的权利要求1覆盖的范围内。20nm的槽深相当于 $\frac{1}{7.5}\×\frac{\mathrm{\λ}}{n0},$ 这恰在所附的权利要求2覆盖的范围内。50％的占空比则包含在所附的权利要求3中。

图3中给出了槽深为20nm的BD与UV光记录载体的跨轨温度分布。BD叠层的其它参数为：TP＝320nm、FW＝11.5nm、L1＝L2＝160nm(DC＝50％)，UV沟槽形状的参数为：TP＝200nm、FW＝11.5nm、L1＝L2＝100nm(DC＝50％)。UV介质相当于图2中的实施例。所显示的是对于槽内和槽上加热的温度分布。为便于比较槽内和槽上加热之间的差别，将槽上分布偏移了1/2TP。对于20nm深的沟槽，可以看到槽内和槽上加热之间的差别在BD记录条件(NA＝0.85、λ＝405nm)下是相对较小的，而该差别在UV记录条件(NA＝0.85、λ＝266nm)下是显著的。对于两种记录系统，槽上加热都带来了较低的旁瓣和更宽的中央峰温度。

图3中显示的较窄的两条曲线表示的是对于槽内和槽上轨道的UV温度分布。由于UV曲线具有更小的旁瓣和一个高的峰值，UV曲线的温度分布优于BD曲线的温度分布。因此它更容易避免热交叉写入。

热交叉写入是在写入中心轨道期间部分地擦除或覆写了存在于相邻轨道中的标记的现象。槽内加热会导致相邻轨道的较高温度，因此槽内记录对于热交叉写入更加敏感。在UV系统的情况下，相邻轨道中的标记位于y＝TP＝200nm处。因此，旁瓣只能达到100nm而几乎不可能导致相邻标记的重结晶。若将熔融边界作为标记形成的基准，则槽上记录会产生更宽的标记。显然，槽上记录比槽内记录需要更小的写入功率。

图4中示出了对于各种槽深的槽内加热的跨轨温度分布。从该分布图中看，很明显25nm的槽深带来了轨道中心的最高温度。图5示出了对于槽上加热的跨轨温度分布。中心轨道处的温度分布更宽，并且也具有更不显著的旁瓣。

对于UV记录来说，槽内和槽上加热都可以考虑。在仅沟槽记录的情况下，标记被部分地写入到相邻的侧面和阶面处。如果标记所需要的宽度超过中心阶面，则槽内记录是合适的。人们可以有利地使用相对较高的旁瓣，对于写入标记只需要中等的功率电平。如果追求的是窄的标记，例如为了进一步缩小数据轨距，则推荐槽上记录方式。从热学的角度看，优选的槽深约为20-25nm。另外，占空比的影响也是重要的。

图12中解释了蓝光盘条件下的占空比的影响。图13的上图示出了槽内记录的温度分布。图13的下图示出了槽上记录的温度分布。两个图中的轨距TP、槽深d和侧角都是相等的。两幅图中都显示了对于不同占空比DC(即30％、50％和70％)的温度分布。相比于槽上记录，槽内记录的温度分布中的旁瓣更大。大的占空比导致宽的温度分布。对于小占空比的情况，则得到狭窄的温度分布。

图6至11中示出了不同光盘结构的推挽跟踪信号。图6至11中的推挽信号是计算结果。在透过覆盖层(折射率n0＝1.5)记录的情况下和在空气入射记录(折射率n0＝1.0)的情况下对于三个不同的轨距(TP)假设λ＝266nm且NA＝0.85的跟踪信号。

图6示出了作为径向位置的函数的推挽信号，该径向位置以轨距为标准。记录是通过覆盖层来进行的。轨距TP等于175nm且沟槽占空比等于50％。在图7中，记录是透过覆盖层进行的，轨距TP等于200nm且沟槽占空比等于50％。在图8中，记录是透过覆盖层进行的，轨距TP等于225nm且沟槽占空比等于50％。在图9中，所进行的是空气入射记录，轨距TP等于175nm且沟槽占空比等于50％。在图10中，所进行的是空气入射记录，轨距TP等于200nm且沟槽占空比等于50％。在图11中，所进行的是空气入射记录，轨距TP等于200nm且沟槽占空比等于50％。

在沟槽几何尺寸的选择上必须考虑的另一个要求是跟踪所需的推挽信号。从数据容量的角度看，小的轨距是合适的，但这会劣化推挽信号从而使跟踪的可靠性打折扣。实际应用中，0.2的标准化推挽信号在跟踪可靠性和径向数据密度之间提供一个良好的折衷。

图7的示图中的20nm槽深的曲线是图2中所示的优选实施例的光盘的曲线。对于上述曲线，标准化推挽信号超过了0.2。因此优选实施例的光盘提供了令人满意的推挽信号。

Claims (3)

1.适于使用记录/读取设备来存储数据的光学记录载体(20)，所述记录/读取设备包括紫外激光源和物镜(21)，该激光源发射波长λ在230nm至270nm的范围内的电磁辐射(29)，该物镜(21)的数值孔径为NA，用于将该电磁辐射会聚在该光学记录载体上，其特征在于：螺旋轨道(22)的轨距TP在0.55×λ/NA和0.75×λ/NA之间。

2.如权利要求1所述的光学记录载体，其特征在于槽深为d，其中所述槽深在 和 之间，n0是该光学记录载体的覆盖层的折射率，或者在光学记录载体不具备覆盖层的情况下，n0等于1。

3.如权利要求1或2所述的光学记录载体，其特征在于沟槽占空比在30％和70％之间。

Images