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1、读书报告光盘存储技术的历史现状及未来光盘存储技术的历史、现状及未来摘要：本文回顾了光盘存储技术的发展史，总揽了当今技术现状，对每一重要阶段进行了粗略的介绍，并对今后光盘存储技术的发展趋势进行了简单的描述与展望。关键词：光盘存储 历史 现状 发展趋势一、引言光盘存储技术，是利用精细聚焦的激光束从模压而成的盘片上读取信息或进一步利用光对记录介质的物理或化学效应去改变介质的某些光学性能，如对光的反射、吸收、相移等，从而实现二值化数据的写入、读取与擦除。光盘存储技术集中了近代光学、激光技术、精密机械、电子技术、自动控制、计算机及材料科学中的许多新成果，近年来不断取得重大突破，并已形成一个独立的产业，应

2、用范围也在不断扩大，已进入国民经济各部门及家庭。若根据其技术特性和应用范围可以分为两大类，即用于信息存储的可写光盘系统以及用于信息传播为主的只读型光盘系统。近年来, 多媒体计算机应用以及信息产业的迅速发展,诸如只读光盘(CD ROM)这样的光盘存储介质已发展成为计算机信息数据的主要传播载体，光盘产业也在迅速向信息数据市场扩展。如此迅速的发展主要来自以下几方面因素：首先,只读光盘是基于广泛接受的国际标准,可像激光唱盘那样低成本、高效益的进行大批量生产；第二个有利因素是光盘驱动器的工作原理与激光唱机相似，从而导致价格较低的光盘驱动器；第三是目前市场上已推出转速数倍于第一代光驱转速的光盘驱动器,因而

3、可为用户提供更高的数据传输率；第四，信息产业以及计算机多媒体应用的迅速发展也迫切需要诸如只读光盘这样的大容量数据存储媒介。为加深对光盘媒介在现代信息产业以及计算机应用中的重要性的了解,本文对光盘存储介质发展的历史,现状以及近期内的可能发展方向作一些基本介绍。二、光盘存储技术的发展历史早在1968年，美国的ECD（Energy Conversion Device）公司就开始研究晶态和非晶态之间的转换。1971年ECD和IBM公司合作研制成功了世界上第一片只读相变光盘存储器，随后相继开发成功了利用相变原理制造的一次写WO盘。1983年，日本松下公司推出了世界上第一台可擦写相变型光盘驱动器。1994

4、年，松下公司又将相变型可擦写光盘驱动器与四倍速CD-ROM相结合，推出了PD光盘驱动器，在一台光盘驱动器上同时具有相变型可擦写与四倍速CD-ROM功能。松下公司一再声称PD并不是英文缩写，但是人们通常将其理解为英文Phase-change Disk或Power Drive的缩写。与MO技术相比，由于相变光盘仅用光学技术来读/写，所以读/写光学头可以做的相对比较简单，存取时间也就可以提高；由于相变光盘的读出方法与CD-ROM、CD-R光盘相同，因此兼容CD-ROM和CD-R的多功能相变光盘驱动器就变的容易实现，PD、CD-RW和可擦写DVD-RAM等新一代可擦写光盘存储器均采用了相变技术。相变光

5、盘存储技术经过20多年的不断研究和稳步发展，具有比MO存储密度高、记录成本低、介质寿命长、驱动器结构简单、读出信号信噪比高和不受外界磁场环境影响等突出优点，特别是相变光盘存储器能向下兼容目前广泛使用的CD-ROM和CD-R，因此相变光盘技术已成为光存储技术中的主流技术，具有广阔的应用前景。光盘存储技术是70年代初开始发展起来的一项高新技术。光盘存储具有存储密度高、容量大、可随机存取、保存寿命长、工作稳定可靠、轻便易携带等一系列其它记录媒体无可比拟的优点，特别适于大数据量信息的存储和交换。光盘存储技术不仅能满足信息化社会海量信息存储的需要，而且能够同时存储声音、文字、图形、图像等多种媒体的信息，

6、从而使传统的信息存储、传输、管理和使用方式发生了根本性的变化。光盘存储技术近年来不断取得重大突破，并且进入了商业化大规模生产，在日本、北美及欧洲工业化国家已逐渐形成了独立的光盘产业，其应用范围也在不断扩大，几乎已深入到人类社会活动和生活的一切领域，对人类的工作方式、学习方式和生活方式产生了深远的影响。在过去的几年中，世界各主要光盘产业国家的光盘产业销售额都在以两位数以上的速度增长，1996年底全世界各种光盘驱动器的销售总量达5760万台，其中CD-ROM驱动器的销售量为5450万台，CD-R驱动器销售量为150万台。全球CD-ROM驱动器的累计装机总量已超过1亿台，CD-R驱动器的销售量比19

7、95年增长了10倍，是所有光盘产品中增长速度最快的一种。1996年全球光盘盘片的销售量达到了1亿片，其中CD-ROM盘约占90%，CD-R盘约占9%，其它可擦写光盘仅占1%。1. 只读式光盘存储器CD-ROM自1985年Philips和Sony公布了在光盘上记录计算机数据的黄皮书以来，CD-ROM驱动器便在计算机领域得到了广泛的应用。CD-ROM光盘不仅可交叉存储大容量的文字、声音、图形和图像等多种媒体的数字化信息，而且便于快速检索，因此CD-ROM驱动器已成为多媒体计算机中的标准配置之一。MPC标准已经对CD-ROM的数据传输速率和所支持的数据格式进行了规定。MPC 3标准要求CD-ROM驱

8、动器的数据传输率为600KB/秒（4倍速），并支持CD-ROM、CD-ROM XA、Photo CD、Video CD和CD-I等光盘格式。CD-ROM是发行多媒体节目的优选载体。原因是它的存储容量大，制造成本低，大批量生产时每片不到5元人民币。目前，大量的文献资料、视听材料、教育节目、影视节目、游戏、图书、计算机软件等都通过CD-ROM来传播2. 一次写光盘存储器CD-R信息时代的加速到来使得越来越多的数据需要保存，需要交换。由于CD-ROM是只读式光盘，因此用户自己无法利用CD-ROM对数据进行备份和交换。在CD-R刻录机大批量进入市场以前，用户的唯一选择就是采用可擦写光盘机。可擦写光盘机

9、根据其记录原理的不同，有磁光驱动器MO和相变驱动器PD。虽然这两种产品较早进入市场，但是记录在MO或PD盘片上的数据无法在广泛使用的CD-ROM驱动器上读取，因此难以实现数据交换和数据分发，更不可能制作自己的CD、VCD或CD-ROM节目。CD-R的出现适时地解决了上述问题，CD-R是英文CD Recordable的简称，中文简称刻录机。CD-R标准（橙皮书）是由Philips公司于1990年制定的，目前已成为工业界广泛认可的标准。CD-R的另一英文名称是CD-WO（Write Once ），顾名思义，就是只允许写一次，写完以后，记录在CD-R盘上的信息无法被改写，但可以像CD-ROM盘片一样

10、，在CD-ROM驱动器和CD-R驱动器上被反复地读取多次。CD-R盘与CD-ROM盘相比有许多共同之处，它们的主要差别在于CD-R盘上增加了一层有机染料作为记录层，反射层用金，而不是CD-ROM中的铝。当写入激光束聚焦到记录层上时，染料被加热后烧溶，形成一系列代表信息的凹坑。这些凹坑与CD-ROM盘上的凹坑类似，但CD-ROM盘上的凹坑是用金属压模压出的。CD-R驱动器中使用的光学读/写头与CD-ROM的光学读出头类似，只是其激光功率受写入信号的调制。CD-R驱动器刻录时，在要形成凹坑的地方，半导体激光器的输出功率变大；不形成凹坑的地方，输出功率变小。在读出时，与CD-ROM一样，要输出恒定的

11、小功率。通常，CD-ROM除了要符合黄皮书以外，还要遵照一个附加的国际标准：ISO9660。这是因为当初Philips和Sony没有定义CD-ROM的文件结构，而且各种计算机操作系统也只规定了该操作系统下的硬盘和软盘文件结构，使得不同厂家生产的CD-ROM具有不同的文件结构，曾经一度引起了混乱。后来，ISO9660规定了CD-ROM的文件结构，Microsoft公司很快就为CD-ROM开发了设备驱动软件MSCDEX，使得不同生产厂家的CD-ROM在不同的操作系统环境下都能彼此兼容，就象该操作系统下的另外一个逻辑驱动器目录或磁盘。CD-R的发展已有很多年的历史，但是也还存在上述类似的问题。我们无

12、法在DOS或Windows环境下对CD-R驱动器直接进行读写，而是要依赖于CD-R生产厂家提供的刻录软件。大多数刻录软件的用户界面并不直观，而且系统安装设置也比较繁琐，给用户的使用带来很多麻烦和障碍。为了改变这一状况，国际标准化组织下的OSTA（光学存储技术协会）最近制定了CD-UDF通用磁盘格式，只要对每一种操作系统开发相应的设备驱动软件或扩展软件，就可使操作系统将CD-R驱动器看作为一个逻辑驱动器。采用CD-UDF的CD-R刻录机会使用户感到使用CD-R备份文件就如同使用软盘或硬盘一样方便。用户可以直接使用DOS命令对CD-R进行读写操作，如果用户使用如Windows Explorer这样

13、的图形文件管理软件，可将文件拖曳或投入（drag and drop）到CD-R刻录机中，就可将文件刻录到CD-R盘上。CD-UDF也是沟通ISO9660与DVD-UDF文件结构的桥梁，采用CD-UDF文件结构的CD-R盘可在DVD-ROM驱动器上读出。Philips公司推出的第四代CDD2600刻录机首先采用了CD-UDF文件格式，并可在Windows 环境下即插即用，使CD-R技术的发展步入了一个新的里程。3. 可擦写光盘存储器1. MO可擦写光盘存储器MO是英文Magnet-Optical的缩写，是指利用激光与磁性共同作用的结果记录信息的光磁盘。MO盘用来存储信息的媒体与软磁盘相似，但其信

14、息记录密度和容量却比软磁盘高的多。这是由于记录时在盘的上面施加磁场，而在盘下面用激光照射。磁场作用于盘面上的区域比较大，而激光通过光学系统聚焦于盘面的光点直径只有12微米。在受光区域，激光的光能转化为热能，并使磁性层受热而变的不稳定，即变的易受磁场影响。这样，在直径只有12微米的极小区域内就可记录下一个单位的信息。通常的磁性记录方式存储一个单位的信息时，要占用相当大的区域，因而磁道也相应变宽，盘上记录信息的总量也就很小。MO盘片虽然比硬盘和软盘便宜和耐用，但是与CD-R盘片相比就显得比较昂贵了。MO的致命缺点是不能用普通CD-ROM驱动器读出，因而不能满足信息社会对计算机数据进行交换和数据分发

15、的要求，在网络技术和网络建设不发达的地方，这一问题日趋突出和严重。2. PCD可擦写光盘存储器相变光盘（Phase Change Disk)与MO不同，MO光盘的记录和读出原理是利用磁技术和光技术相结合来记录和读出信息，而相变光盘的记录和读出原理只是用光技术来记录和读出信息。相变光盘利用激光使记录介质在结晶态和非结晶态之间的可逆相变结构来实现信息的记录和擦除。在写操作时，聚焦激光束加热记录介质的目的是改变相变记录介质晶体状态，用结晶状态和非结晶状态来区分0和1；读操作时，利用结晶状态和非结晶状态具有不同反射率这个特性来检测0和1信号。与MO技术相比，由于相变光盘仅用光学技术来读/写，所以读/写

16、光学头可以做的相对比较简单，存取时间也就可以提高；由于相变光盘的读出方法与CD-ROM、CD-R光盘相同，因此兼容CD-ROM和CD-R的多功能相变光盘驱动器就变的容易实现，PD、CD-RW和可擦写DVD-RAM等新一代可擦写光盘存储器均采用了相变技术。相变光盘存储技术经过20多年的不断研究和稳步发展，具有比MO存储密度高、记录成本低、介质寿命长、驱动器结构简单、读出信号信噪比高和不受外界磁场环境影响等突出优点，特别是相变光盘存储器能向下兼容目前广泛使用的CD-ROM和CD-R，因此相变光盘技术已成为光存储技术中的主流技术，具有广阔的应用前景。3. 可擦写光盘存储器CD-RW为了使可擦写相变光

17、盘与CD-ROM和CD-R兼容，早在1995年4月，飞利浦公司就提出了与CD-ROM和CD-R兼容的相变型可擦写光盘驱动器CD-E（CD Erasable）。CD-E得到了包括IBM、HP、Mitsubishi 、Mitsumi、松下电器、Sony、3M以及Olympus等公司的支持。1996年10月，Philips、Sony、HP、Mitsubishi和Ricoh五家公司共同宣布了这一新的可擦写CD标准，并将CD-E更名为CD-RW（CD-ReWritable)。CD-RW标准的制定标志着工业界可以开发并向市场提供这种新产品。CD-RW兼容CD-ROM和CD-R，CD-RW驱动器允许用户读取

18、CD-ROM、CD-R和CD-RW盘，刻录CD-R盘，擦除和重写CD-RW盘。由于CD-RW采用CD-UDF文件结构，因此CD-RW可作为一台海量软盘驱动器使用，也可在DVD-ROM驱动器读取，具有更广泛的应用前景。MO虽然有不少特点，但是它们只能被其它同类驱动器读取，不能在广泛流行的CD-ROM上使用。MO没有市场共享性，购买者只是将它们用于数据备份，因此难以实现数据交换和数据分发，更不可能制作自己的CD、VCD或CD-ROM节目，因此MO很难在市场上流行起来。CD-R是可记录光盘市场上的后起之秀，虽然只能刻录一次，但由于它与广泛使用的CD-ROM兼容，并具有较低的记录成本和很高的数据可靠性

19、赢得了众多计算机用户的普遍欢迎。CD-R目前是各种光盘存储产品中发展最迅猛的一种。CD-R刻录机的价格相对几年前已下跌了很大幅度。在国外，CD-R刻录机正在逐步取代CD-ROM驱动器而成为计算机的一种标准配置。CD-RW是一个已经得到众多公司和用户普遍支持的可擦写光盘标准。由于CD-RW仍沿用了CD的EFM调制方式和CIR检纠错方法，CD-RW盘与CD-ROM盘具有相同的物理格式和逻辑格式，因此CD-RW驱动器与CD-R驱动器的光学、机械、及电子部分类似，一些零部件甚至可以互换，这将大大节省CD-RW的开发和生产费用，降低CD-RW驱动器的成本，使CD-RW未来就能迅速在可擦写光盘产品市场占有

20、一定的份额。附表 20世纪九十年代光盘发展比较表年代199219931994199519961997199819992000容量650MB1.3GB2.6GB5.2GB10.4GB数据传输速率MB/s0.7-1.52.43.5-75-107.5-15寻址时间50-80ns50-58ns20-40ns激光波长830nm780nm680nm630nm530nm重写次数10exp6是否高分辨率否是编码方式PPMPWMPPMLMCAV否是跨道压缩否是二、光盘存储技术的发展现状光存储的记录密度本质上取决于读写光斑的大小。根据聚焦光斑的公式，提高存储密度最直接的途径就是缩短激光的波长和增大光学系统的数值孔

21、径。DVD就是通过这一途径实现高密度存储的技术发展。DVD技术是目前应用最广泛的光存储技术，全方位的DVD光盘产品，涵盖了从音频到视频，从只读到可写，从家电到计算机整个光盘应用领域。DVD格式标准与CD相比，主要的改进包括：（1）采用0. 6mm衬底，这使得它能够采用数值孔径更大的物镜；（2）信道间距和最小记录长度减小；（3）光学头物镜的数值孔径增大；（4）激光器波长更短；（5）采用更有效的编码方案。沿着这一发展方向，2002年2月19日，光存储领域的9家知名公司在日本东京宣告建立下一代大容量光盘记录格式的参数标准，并将其命名为蓝光光盘（Blue-Ray Disc）。蓝光光盘的记录介质采用相变

22、材料，为可擦写光盘。通过405nm波长的蓝紫光激光器发出激光，利用0.85数值孔径的光学头，它成功地缩小了聚焦光斑。利用0.lmm厚度的光学保护层，可降低盘片抖晃所产生的偏差，同时使盘片能更好地读出和提高记录密度。蓝光光盘的轨道间距为0.32m，大约是DVD光盘的1/2，从而获得了单盘单面27GB的存储量，以及36Mbit/s的传输速度。由于蓝光光盘采用了全球标准的“MPEG-2”传输流压缩技术，使其适用于存储高清晰度视频信息等需要大容量的内容。与DVD的技术发展类似，蓝光技术的发展也充满了激烈的竞争。HDVD是可以与蓝光光盘争雄的另一种基于蓝光的新一代高密度高速度光盘系列。DVD、蓝光光盘代

23、表了高密度光存储的主流发展技术，其主要特点是采取缩短激光的波长和增大物镜数值孔径的技术，但是这一技术发展至今所剩的空间已经不大，因此有必要寻求其他提高存储密度和数据速率的途径。例如，利用空间三维或光的频率维进行信息存储，采用多阶存储代替目前的二阶存储，采用近场超分辨力技术取代传统的远场技术等。1、三维体存储技术三维体存储是实现超高密度信息存储的重要途径 ， 研究领域主要集中在体全息存储和光子三维存储两个方面。1、体全息存储体全息存储是20世纪60年代随着光全息技术的发展而出现的一种大容量高存储密度的存储方式。随着计算机产业的迅速发展，也由于在光电器件和全息存储材料领域的研究取得了突破，使得人们

24、在全息存储领域获得了巨大的进展，从 而也使全息存储成为超高密度光存储领域的研究热点。一般光学体全息数据存储机理为：待存储的数据（数字或模拟）经空间光调制器（SLM）被调制到信号光上，形成一个二维信息页，然后与参考光在记录介质中干涉形成体全息图从而完成信息的记录读出时使用和原来相同的参考光寻址，可以读出相应地存储在晶体中的全息图。利用体全息图的布拉格选择性，改变参考光的入射角度或波长，就可在一个单位体积内复用多幅图像，实现多重存储，达到超高密度存储的目的。全息存储具有以下特点：（1）存储密度高、容量大：在可见光谱中存储密度可达1012bits/cm3；（2）数据冗余度高：全息记录是分布式的，存储

25、介质的缺陷和损伤只会使所有信号的强度降低，而不至于引起数据丢失；（3）数据传输速率高：信息以页为单位，并行读写，从而达到极高的数据传输率。目前采用多通道并行探测阵列的全息存储系统，数据传输率有望达到1Gbyte/s；（4）寻址速度快：参考光可采用声光、电光等非机械式寻址方式，数据访问时间可降至亚毫秒范围或者更低；（5）存储寿命长：存储介质记录的信息可以保持30年以上。体全息存储的研制目标是实现TB量级的存储容量和1Gbps的数据传输率，美国的Inphase公司和日本的Optware公司已经取得了令人瞩目的成就，而且在商品化进程中取得了很大的进展 。同时，体全息存储发展也存在着很多的难题 ， 主

26、要就是寻找一种同时兼具性能、容量和价格方面综合优势的存储材料。2、光子三维存储存储材料中的激活中心，在光激发下使电子产生跃迁而达到光存储的目的，称光子存储( photo induced optical memory)。它是一种不经过材料吸收光子后产生热效应阶段而形成的光存储，区别于目前一般应用的光热存储方式。主要研究包括光谱烧孔存储和双光子吸收三维存储。1、光谱烧孔存储固体机制中的掺杂分子由于局域环境的差异出现能级的非均匀加宽。当用窄频带激光照射后，在掺杂分子吸收带内，在激光频率处出现吸收的减小，这种现象称为光谱烧孔。该烧孔可以用相同频率的激光读出。由于可通过改变激光频率在吸收带内烧出多个孔，

27、即利用频率维变量来记录信息，从而可以在一个光斑存储多个信息。光谱烧孔包括单光子光谱烧孔和双光子光谱烧孔。两类材料的光子选通烧孔均在低温下进行，由于目前材料的电子俘获陷阱深度较浅，导致烧孔的孔深也较浅，而且在序列烧孔过程中，先烧出的孔容易出现逐渐被填充的现象，因而寻找室温下能烧孔的材料是关键。目前，国内外主要研究两类材料体系：Sm离子掺杂的无机材料体系以及给体和受体电子转移反应的有机材料体系。2、双光子吸收三维存储双光子吸收三维记录的基本原理是：两种光子同时作用于某种介质时，能使介质的原子中某一特定能级上的电子激发至另一稳态，并使其光学性能发生变化，若使两个光束从两个方向聚焦至材料的空间同一点时

28、，便可实现三维空间的寻址与读写。利用材料折射率、吸收度、荧光或电性质的改变来实现存储，能实现T bits/cm3的体密度，可达到4MB/s的传输率。国际上最有代表性的是美国加州大学San Diego分校及Call&Recall公司100层的记录方法。国内清华大学从1995年开始从事这方面的研究，初步建立了针对有机介质的记录物理模型并完成了对双光子记录介质特性测试专用设备的研制。双光子吸收三维存储原理基于能级的跃迁，材料的响应时间可达到皮秒量级，能够实现高密度体存储，理论上的分辨率可达到分子尺度。但由于大多数材料的双光子吸收截面很小限制了其应用，因而要使双光子三维存储走向实用化， 就必须开展对存

29、储材料的研究。2、 多阶光存储技术多阶光存储是目前国内外光存储研究的重点之一，缘于它可以大大地提高存储容量和数据传输率。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。如将数据流调制成M进制数据（M2），令调制后的数据与记录介质的M种不同物理状态相对应，即可实现M阶存储。如下图所示的坑深调制多阶存储，就是通过改变信息符的深度来实现多值存储，数据流经调制转换成盘基多种不同坑深的变化，即可实现多阶坑深存储。多阶光存储分为信号多阶光存储和介质多阶光存储。1、 信号多阶光存储其早期方案是坑深调制（PDM：Pit Depth Modul

30、ation）。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。不同深度的信息坑，其读出光呈现不同光强，从而实现多阶坑深调制。Sony公司研发的是利用信息坑边沿相对于固定时钟的变化，进行多阶信息存储，即利用信息坑长度的变化实现多阶光存储。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。若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，信息坑可存储6比特（byte）的信息，因此显著高于传统光盘的记录密度。2、 介质多阶光存储有多种介质可以用来实现多阶光存储。在电子俘获多阶技术中的光盘的记录层中

31、掺杂有两种稀土元素，当第一种掺杂离子吸收短波长激光的光子后，其电子被激发到高能级状态，该电子可能被第二种掺杂离子“俘获”，实现数据的写入。用另一长波长激光( 例如红光) 将俘获的电子释放到原来的低能级状态，存储 的能量以荧光的形式释放出来，由于发出的荧光强度与俘获的电子数量成比例，同时也与写入激光的强度成比例，该写入/读出过程具有线性响应，使得电子俘获材料适用于数字光存储。电子俘获光存储的反应速度快，可以实现ns时间的读写。此外，通过调整退火时间和温度，控制相变材料的结晶程度，也可以实现多阶反射调制存储。3、 近场光学存储技术传统光驱使用包含物镜的光学头进行写、读、擦操作，由于物镜距盘片记录层

32、多为几个毫米，属于远场光存储方式，光无法聚焦成直径小于半波长的点，存储密度受到了限制。近场光学存储采用的是近场光，它是由记录介质与光源在小于半波长量级 的距离时获得的隐失光。隐失光为非传输光，当距离超过波长量级时迅速衰减到接近于零。近场光学存储的基本原理就是通过亚波长尺寸的光学头和亚波长尺寸的距离控制，实现亚波长尺寸的光点记录。只要将光学存储介质放在近场光学显微镜中，保持光学探针与存储介质的距离在近场范围内，则在存储介质中形成的记录点尺寸就可能在亚波长量级内，从而克服衍射极限，实现高密度存储。与其它超高密度存储方法相比，近场光学存储主要有以下优点：（1）高密度、大容量：读写光斑小，大大提高了存储的密度，使得存储容量有了很大提高。随着近场光存储技术的进一步完善，还可以获得比较高的数据传输速率；（2）可充分利用已有存储技术：如硬盘驱动器中的空气悬浮磁头技术和光 盘存储中的光头飞行技术，而不必另外再去进行