付明磊 +徐武超 +樂(lè)孜純

摘要：

藍(lán)寶石材料具有高度力學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性，因此以藍(lán)寶石作為襯底的光盤是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的有效解決方案。但是，由于單晶藍(lán)寶石材料具有明顯的各向異性，當(dāng)掃描光束入射到單晶藍(lán)寶石基底表面時(shí)會(huì)發(fā)生雙折射，從而使標(biāo)準(zhǔn)的CD讀取系統(tǒng)對(duì)藍(lán)寶石光盤失效。針對(duì)藍(lán)寶石材料這一特性，建立了光束在單晶藍(lán)寶石襯底中傳輸?shù)奈锢砟Ｐ?，提出采用石英補(bǔ)償板來(lái)補(bǔ)償藍(lán)寶石襯底像差的補(bǔ)償機(jī)制。進(jìn)行了數(shù)據(jù)讀取實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，采用所述像差補(bǔ)償方法能夠顯著提高藍(lán)寶石光盤光學(xué)信息讀取系統(tǒng)的讀取性能。

關(guān)鍵詞：

光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)； 藍(lán)寶石光盤； 長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)； 像差補(bǔ)償

中圖分類號(hào)： TN 249文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.011

Abstract：

An optical disc using sapphire substrate is considered as an effective solution for achieving longterm data storage attributing to its high mechanical and chemical stability. The birefringence in single crystal sapphire causes optical aberration which makes failure occur during reading information from the disc. The propagation of the focused laser beam throughout a sapphire disc has been analyzed. The method of compensating aberrations resulting from reading data from a uniaxial birefringent medium is developed by using a quartz compensating plate. A data reading experiment is conducted. The results show that the proposed aberration compensation method significantly improves the performance of information reading system for sapphire discs.

Keywords：

optical data storage； sapphire optical disc； longterm data storage； aberration compensation

引言

隨著云存儲(chǔ)和高速互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，光盤的使用量逐年減少。然而，光盤在歸檔數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域依然會(huì)占據(jù)較大優(yōu)勢(shì)[14]，并且未來(lái)光盤將主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)領(lǐng)域[56]。但是，由于構(gòu)成光盤的聚碳酸酯（PC）材料的熱穩(wěn)定性低，且金屬層對(duì)這種材料基底的粘附能力弱，目前的光盤不能滿足長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所需的可靠性和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)效等需求。為了解決上述技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)外研究者們嘗試了多種技術(shù)方案。這些方案的共性是選用穩(wěn)定性高的材料作為記錄媒質(zhì)或基底[7]，如金屬陶瓷[8]、石英[4]、鎢[9]、藍(lán)寶石[10]等。單晶藍(lán)寶石材料在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)方面均有突出的優(yōu)勢(shì)。比如，它具有9級(jí)表面硬度（金剛石10級(jí)）、高達(dá)2 300 K的熔點(diǎn)等。因此，采用單晶藍(lán)寶石材料制作的光盤具有抗磨損擦傷、防火、防化學(xué)腐蝕、防紫外線輻射等優(yōu)異性能。

國(guó)內(nèi)外研究者們對(duì)長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)光盤的記錄材料進(jìn)行了較充分的研究，但是對(duì)用于長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)光盤的數(shù)據(jù)讀取系統(tǒng)方面的研究較少。雖然單晶藍(lán)寶石具有高度力學(xué)、化學(xué)和熱穩(wěn)定性，但是由于單晶藍(lán)寶石材料存在明顯的各向異性，因此當(dāng)掃描激光束入射到這種材料中時(shí)，會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象，從而造成掃描光束畸形失真，產(chǎn)生像差。由于標(biāo)準(zhǔn)的光盤（CD）讀取系統(tǒng)只能對(duì)球差進(jìn)行補(bǔ)償，而對(duì)這種由于材料各向異性引起的像散像差則不具備補(bǔ)償能力，因此在采用這種標(biāo)準(zhǔn)CD讀取系統(tǒng)對(duì)藍(lán)寶石光盤進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取時(shí)，很容易面臨失效問(wèn)題。

為了解決標(biāo)準(zhǔn)CD讀取系統(tǒng)讀取藍(lán)寶石光盤時(shí)的失效問(wèn)題，本文建立了光束在單晶藍(lán)寶石襯底中傳輸?shù)奈锢砟Ｐ?，提出采用石英補(bǔ)償板用于補(bǔ)償藍(lán)寶石襯底像差的機(jī)制。使用所述像差補(bǔ)償方法，設(shè)計(jì)了一套基于藍(lán)寶石光盤的光學(xué)信息讀取系統(tǒng)，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)讀取實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該讀取系統(tǒng)能夠有效地補(bǔ)償藍(lán)寶石襯底像差。

1單晶藍(lán)寶石襯底中的光束傳播問(wèn)題

如圖1所示，假定晶體的光軸方向正交于襯底表面，且讀取過(guò)程由指定格式[光盤格式（CD）、數(shù)字化通用磁盤格式（DVD）、藍(lán)光格式（BD）]光學(xué)器件的標(biāo)準(zhǔn)物鏡完成。當(dāng)一束掃描激光經(jīng)過(guò)物鏡聚焦后照射到單晶藍(lán)寶石襯底表面時(shí)，會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象，一束光分成兩束具有不同折射率的偏振光[11]：尋常光（o光）和非尋常光（e光）。其中o光遵循普通的折射定律，傳播速度是與傳播方向無(wú)關(guān)的常量；e光則不遵守普通的折射定律，傳播速度是與傳播方向有關(guān)的變量。當(dāng)且僅當(dāng)光束沿光軸方向傳播時(shí)，e光的傳播速度才與o光相等，此時(shí)不發(fā)生雙折射現(xiàn)象。圖1中由于入射光不沿光軸方向，所以入射到藍(lán)寶石襯底表面的光束會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象。標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)物鏡只能對(duì)球差進(jìn)行補(bǔ)償，而對(duì)這種由于材料各向異性引起的雙折射現(xiàn)象不具備補(bǔ)償能力。

式中：H為襯底的厚度；Δn為尋常光與非尋常光的折射率之差（Δn=no-ne，雙折射率）。在使用光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光盤數(shù)據(jù)讀取時(shí)，一般要求聚焦光束必須是衍射受限的[12]，這就對(duì)藍(lán)寶石襯底各向異性的程度（即雙折射率）提出了要求。通過(guò)對(duì)光斑中心處光強(qiáng)的仿真，可以得到CD、DVD和BD等格式光盤對(duì)Δn大小的限制。仿真結(jié)果見(jiàn)表1。

表1中，Max Δn代表衍射受限光學(xué)系統(tǒng)中允許的最大折射率偏差，對(duì)于不同類型的光盤有不同的取值；Δn （藍(lán)寶石）為藍(lán)寶石的雙折射率。由表中的數(shù)據(jù)可以看出，在不考慮像差補(bǔ)償?shù)那闆r下，任何類型的光盤都不能直接采用光軸與媒質(zhì)表面正交的藍(lán)寶石作為襯底，這是因?yàn)樗{(lán)寶石襯底的Δn超出了讀取系統(tǒng)允許的最大折射率偏差。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

依照所述像差補(bǔ)償機(jī)制，設(shè)計(jì)了一套如圖3所示的藍(lán)寶石光盤光學(xué)信息讀取系統(tǒng)。為對(duì)所述光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，選用波長(zhǎng)405 nm、最大功率100 mW的單模半導(dǎo)體激光器QLD405100S作為相干光源。測(cè)試用的藍(lán)寶石光盤具有0.7 mm襯底層厚度和80 mm直徑，其信息層采用高強(qiáng)度激光刻蝕而成。在進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取實(shí)驗(yàn)時(shí)，激光束由激光二極管發(fā)出，依次經(jīng)過(guò)衍射光柵、偏振分束器、1/4波片、聚焦物鏡、石英補(bǔ)償板和藍(lán)寶石襯底層，最終會(huì)聚在光盤信息層的微結(jié)構(gòu)表面。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)讀取系統(tǒng)所做的修改主要在于固定了一片石英補(bǔ)償板，且所采用的石英補(bǔ)償板光軸正交于石英表面。補(bǔ)償板尺寸為5 mm×5 mm×0.5 mm，與物鏡膠合。補(bǔ)償板采用單軸單晶材料制成，能夠?qū)偏振光與p偏振光的光路進(jìn)行補(bǔ)償，最終使它們會(huì)聚在同一焦平面。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，采用石英補(bǔ)償板對(duì)藍(lán)寶石襯底的像差進(jìn)行補(bǔ)償后，可以獲得清晰的圖像，而未使用石英補(bǔ)償板獲得的圖像則較為模糊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所述像差補(bǔ)償方法具有較好的像差補(bǔ)償作用。

需要注意的是，提出的像差補(bǔ)償方法僅適用于單軸雙折射晶體，若襯底材料的各向異性超出了單軸雙折射的范疇，所述像差補(bǔ)償方法就會(huì)存在不確定性。此外，單晶軸的方向應(yīng)平行于光度頭的方向，這樣可以保證光盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的需要補(bǔ)償?shù)南癫钍冀K是一個(gè)常量。

4結(jié)論

本文分析了聚焦激光束通過(guò)光軸與介質(zhì)表面正交的透明單晶時(shí)，由材料各向異性引起的雙折射現(xiàn)象及其對(duì)襯底層像差產(chǎn)生的影響，建立了光束在單晶藍(lán)寶石襯底中傳輸?shù)奈锢砟Ｐ?。重點(diǎn)提出了采用石英補(bǔ)償板用于補(bǔ)償藍(lán)寶石襯底像差的補(bǔ)償機(jī)制，并進(jìn)一步確定了藍(lán)寶石光盤及所述石英補(bǔ)償板的結(jié)構(gòu)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用所述像差補(bǔ)償方法能夠有效消除藍(lán)寶石襯底層材料各向異性所引起的像差。

藍(lán)寶石光盤在長(zhǎng)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的優(yōu)異性能使其在歸檔數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文提出的光學(xué)信息讀取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所采用的石英補(bǔ)償板價(jià)格便宜，便于藍(lán)寶石光盤及其讀取系統(tǒng)的推廣。在未來(lái)工作中，我們將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高系統(tǒng)的讀取性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]信息技術(shù)信息交換和可錄類光盤記錄媒體： 光盤檔案壽命的評(píng)估試驗(yàn)方法（上）[J]. 記錄媒體技術(shù) 2010（3）： 2441.

[2]信息技術(shù)信息交換和可錄類光盤記錄媒體： 光盤檔案壽命的評(píng)估試驗(yàn)方法（中）[J]. 記錄媒體技術(shù) 2010（4）： 3960.

[3]信息技術(shù)信息交換和可錄類光盤記錄媒體： 光盤檔案壽命的評(píng)估試驗(yàn)方法（下）[J]. 記錄媒體技術(shù) 2010（5）： 2535.

[4]ZHANG J， GECEVI C〖DD（-*2〗ˇ〖DD）〗IUS M BERESNA M et al. 5D data storage by ultrafast laser nanostructuring in glass[C].CLEO： Science and Innovations Optical Society of America 2013.

[5]覃祝君. 未來(lái)光盤將應(yīng)用于數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)領(lǐng)域[J]. 記錄媒體技術(shù) 2007（2）： 1820.

[6]WAN S， CAO Q XIE C. Optical storage： an emerging option in longterm digital preservation[J]. Frontiers of Optoelectronics 2015 7（4）： 486492.

[7]GORBOV I V， BELYAKOVSKY V O. Optical discs carriers for longterm data storage[J]. Data Recording Storage and Processing 2007 9（1）： 7387.

[8]TOPPIN E. Setting a new standard in permanent archival storage[J]. Digital Disc 2010 1（1）： 4244.

[9]DE VRIES J， SCHELLENBERG D ABELMANN L et al. Towards gigayear storage using a siliconnitride/tungsten based medium[B].ArXiv： 1310.2961v1 2013.

[10]GORBOV I V， PETROV V V KRYUCHYN A A. Using ion beams for creation of nanostructures on the surface of highstable materials[J]. Semiconductor Physics Quantum Electronics & Optoelectronics 2007 10（1）： 2729.

[11]ZHOU G Y， JESACHER A BOOTH M et al. Axial birefringence induced focus splitting in lithium niobate[J]. Optics Express 2009 17（20）： 1797017975.

[12]PETROV V V， SEMYNOZHENKO V P PUZIKOV V M et al. Readout optical system of sapphire disks intended for longterm data storage[B]. ArXiv： 1403.3119 2014.