可擦拭相变化光盘的高密度记录方式

(一) 研究动机

由于光盘片具有大容量、方便携带、低成本、及非接触式读取等优点，因此被大量使用在储存大型应用软件、目录、年鉴及数据库等方面，近来更被应用于储存及处理多媒体(multi-media)档案。在众多的光信息储存技术中，可擦拭相变化(DVD-RAM)光盘具有兼容于CD、高讯号噪声比(CNR)及可直接覆写(direct-over-write)等特性，因此相当适合于处理含有声音、影像及动画的数据。然而，以第一代可擦拭相变化光盘2.6GB(1st-generation DVD-RAM)的容量为例，目前光盘的记录容量尚不敷于储存含有高品质的数字声音及影像的多媒体档案，且无法在一片DVD-RAM相变化光盘上完整记录一部长约两小时以MPEG-II编码的数字电影，对使用者造成很大的不便。因此，本论文的研究动机在于发展新型技术以提升可擦拭相变化光盘的记录讯号品质及记录密度，已使DVD-RAM的应用层次大幅提升，更使我国能在21世纪的光盘技术上能处于领先的地位。

(二) 研究架构及内容

为了提升DVD-RAM相变化光盘的容量，本研究朝两个方向进行：(1)在不更改光学或盘片结构的架构下，提升相变化光盘的讯号噪声比。(2)发展相变化超解析技术(erasable phase change super resolution, EPSR)及近场记录(near-field recording)等技术，缩小相变化光盘上记录记号(recording mark)，以大幅提升记录容量。

由于相变化光盘在进行直接覆写时会产生残存讯号(residual signal)，造成擦拭率(erasability)的下降，在研究中发现盘片的初始化条件(initialization conditions)，对可擦拭相变化光盘在直接覆写时的擦拭率影响甚巨。若可采用较佳条件进行初始化，则可明显的提升相变化光盘的擦拭率、讯号噪声比，并可增加其偏压功率范围(bias-power-margin, BPM)。

传统光盘片的记录密度是受限于绕射极限(diffraction-limited)光点的大小，为了突破此限制，我们提出一种新型六层薄膜结构的相变化超解析光盘(EPSR)，而利用激光脉冲读取法(pulse-read)，则可由相变化超解析光盘中读取小于「绕射极限」(diffraction-limit)的记录记号。因此在相变化超解析光盘上的记号(mark)便可远小于传统光盘上之记号，所以相变化超解析光盘较传统光盘的容量高出许多。另一种提高记录密度的技术是采用近场记录的方法，即是利用包含物镜(objective lens)及固态浸没透镜(solid immerse lens, SIL)的光学飞行读写头(flying optical head)来达成高密度记录及快速存取(access)。

(三) 研究方法及结果

3.1 初始化条件对盘片的影响 在盘片的初始化条件(initialization conditions)对可擦拭相变化光盘讯号的研究中，所采用的是传统的四层薄膜结构的相变化光盘，如图一所示，上下介电层都是由硫化锌－二氧化硅(ZnS-SiO2)混和物构成，记录层是DVD-RAM相变化材料锗碲铋(GeTeSb)，反射层是铝合金(Al)。而初始化条件对盘片的擦拭率、讯号噪声比、偏压功率范围则是藉由雷射波长为780 nm、数值口径为0.5的盘片动态测试仪(dynamic disk test)来进行量测。

图一、四层薄膜结构相变化光盘

将相变化光盘经过不同的初始化条件初始化后，写入f1的讯号后，量测其CNR值为Cw后，再用写频率f2直接覆写后，量测残存f1讯号的CNR值为Cow，此时擦拭率即为Cw - Cow。

根据量测结果发现当初始化功率为5到7 mW时，盘片的擦拭率高于18 dB，反之若初始化功率不在上述初始化功率的范围内，则盘片的擦拭率便会大幅下降，其关系如图二所示。

图二、擦拭率和初始化功率(Pi)及写入功率(Pw)间的关系(Pi的单位是 mW)，其中Pr及Pb分别为读取及偏压功率。此时盘片的结构为 140nm ZnS-SiO2/25 nm Ge20Te53Sb27/20nm ZnS-SiO2/50 nm Al，f1 = 3MHz、覆写频率f2 = 8MHz，盘片线速度V = 11m/s。

当DVD-RAM由研究所得出最佳的初始化条件进行初始化后，其擦拭率及讯号噪声比可分别达到20及54 dB，此时的记录记号长度(mark length)分别为1.2及0.63 um，如图三所示，除此之外，其偏压功率(BPM)范围可达4 mW，即从4至7 mW。

图三、相变化光盘经最佳初始化条件初始化后后，其写入其覆写频率CNR及擦拭率

3.2 相变化超解析光盘

光盘系统的记录密度主要受限于雷射光点的绕射极限，如图四(a)所示。当记号的尺寸大于雷射光点的时候，如图四(b)所示，可以被解析检读出来；当其尺寸小于雷射光点时，如图四(c)所示，记号就无法被解析检读出来。由于一般的光盘系统，所形成的记号可远小于雷射光点，所以光盘系统的记录密度受限于读出口径(detection aperture)的光学绕射极限。

图四、光学绕射极限及解析能力

为了突破光学绕射极限，可由图五的方法解决：利用光学屏蔽(optical mask)置放于雷射聚焦点，仅于中间开出一个小于光点的小孔径，使得读取记号的等效光点变小，如此就可容易地读出小于光点绕射极限的记号。当光学屏蔽及孔径是由相变化材料构成的，利用雷射光点是高斯分布的特性，以及相变化材料的的折射率随温度变化的情况，以达到超解析的能力，此种方式则称为热相超解析法。

利用一般DVD-RAM相变化材料的折射率随温度而变化的特性，我们在设计出新型的相变化超解析光盘时，如图六所示。其中屏蔽层(mask

图五、热相超解析法

layer)和记录层(recording layer)都是DVD-RAM相变化材料但是组成不同，屏蔽层的主要功能是在读取讯号时可遮住部份绕射极限的雷射检测光点，所以让检测的等效雷射光点缩小，达成光学超解析的效果。上、中、下层的介电层(upper、middle、lower dielectric layer)材料都是由硫化锌－二氧化硅(ZnS-SiO2)混和物构成，反射层是由铝合金(Al-Cr)构成。中介电层主要的功能是避免记录层和屏蔽层间的热扩散(heat diffusion)，并可控制屏蔽层的冷却速率(cooling rate)，而上、下介电层是用来控制盘片的整体反射率及记录层的冷却速率。

图六、六层薄膜结构的相变化超解析光盘

相变化超解析光盘的膜层结构是由读出讯号的反射率对比度(contrast ratio)决定，藉由适当的薄膜结构设计，可达成高CNR的热相超解析光盘。在光学仿真中主要的是计算雷射光点分布函数和记号分布函数的递回积分(convolution)，此时可得出在绕射极限的雷射光点(laser spot)内反射率分布(reflection distribution)，其结果显示在相变化超解析光盘上可形成远小于雷射光点(laser spot)的有效读出口径(readout aperture)，而雷射光点(laser spot)的其它区域则形成屏蔽区(mask region)，其结果如图七所示。此时雷射光点及记号大小分别为0.85 及0.21um，而计算出的有效读出口径大小也为0.21um，因此可在不更改光学系统的架构下，将提升记录密度。

图七、相变化超解析光盘上的可形成远小于雷射光点(laser spot)的有效读出口径(readout aperture)。

在读取超解析相变化光盘时，为了在雷射光点照射区域形成有效读出口径，必须将屏蔽层熔化，当利用传统的直流检测(DC-read)时，记录层的温度会高于结晶温度(Tx)，使记录层上非晶态记号(amorphous mark)被退火(annealing)成晶态(crystal state)，造成记录数据被擦拭掉(erase)，当直流雷射读取功率为 5.5mW时，其热学模拟的结果如图八所示。

图八、直流雷射光点检测(DC-read)时，记录层(recording layer)及屏蔽层(mask layer)温度随时间变化的仿真结果

若是采用新的脉冲读取方式(pulse-read)来检测相变化超解析光盘，则不但能避免记录层上的记号被破坏，还可缩短屏蔽层从熔融态(melting region)到固态区(solid region)的口径壁(aperture wall width)以降低噪声(noise level)，其仿真结果如图九(a)及(b)所示，此时脉冲读取的高低功率位准分别为6及2 mW，脉冲宽度(pulse width)为 50 ns。

在实际制作相变化超解析光盘时，屏蔽层是选择具有高的结晶速率相变化材料，而记录层则为结晶速率较低的相变化材料，而薄膜的结构是采用光学及热学仿真的结果。量测时的雷射光波长为 780 nm，物镜的数值口径为 0.55，因此雷射检测光点大小为0.85um，因此在传统光盘可检测的最小记号大小为雷射光点的一半，即0.4um。但是相变化超解析光盘上最小

(a)

(b)

图九、脉冲读取相变化超解析光盘的仿真结果(a)记录层及屏蔽层温度随时间变化情形 (b)屏蔽层上的熔点(Tm)等温线

可解析的记号大小可缩小为0.21um，其量测结果如图十所示，其中7MHz为0.21um的讯号，其是利用14MHz脉冲所读取，若是再利用频带率波器(band-pass-filter)则可将0.21um的讯号独立读取，因此可将记录密度大幅提升至原来的4倍。

图十、相变化超解析光盘的实验结果

3.3 近场记录

另一项提升记录密度的的方式是利用飞行光学读写头（flying optical head）直接在表面入射型（surface-incidence）光盘进行读写，因雷射聚焦光束不需穿过基板，克服了传统记录方式的限制，且可使用高数值孔径的物镜。

表面入射型相变化盘片的光学读写头设计类似固态的浸没透镜solid immersion lens，SIL）组的设计，可使物镜的有效数值口径(effective NA)大于1，而产生更小的聚焦光点。其主要由两透镜组成，其一为NA介于0.55和0.8之间的会聚透镜，能使平行的激光束会聚成光点，另一则为折射系数（n1）约为1.45~1.9的半球形的固态浸没透镜，此透镜的曲率半径等于会聚透镜的焦距，使得经会聚透镜出来的光束能垂直球面进入半球形透镜，光点聚于球心，如图十一所示。

图十一、固态浸没透镜(SIL)

因光线聚焦于折射系数大于1的半球形透镜中，使其有效波长缩短n1倍，相当于有效的NA值提高n1倍（effective NA = n1′NA），使有效NA值大于１，则聚焦光点可克服原NA的限制，大大的提升记录密度。由于固态浸没透镜的折射系数(n=1.45~1.9)大于空气(n=1)，而由物镜会聚的激光束的入射角会大于 SIL的临界角(critical angle)，因此在SIL 和盘片之间会有消散波(evanescent wave)存在，必须让消散波能有效的耦合(coupling)进入盘片中，此时会聚在SIL内的缩小光点才可有效且不放大尺寸的进入盘片中，以达成高密度记录。

为了使消散波能有效的耦合进入盘片中，必须让SIL和盘片间的距离小于波长(l)的范围内，才能使光点缩小的效应耦合(coupling)进入盘片，此时光的传播行为不再适用一般远场理论（far-field theorem），必须以近场光学（near-field optics）来加以描述，因此又称为近场记录。

为了让读写头能稳定低飞于盘片表面小于波长的范围内将缩小的光点耦合到记录层上，因此将透镜系统架设在滑动器(slider)上，当盘片转动时，在滑动器和盘片之间会因气流形成空气轴承，使光学读写头能类似硬盘的磁头般低飞于盘片表面，所以被称为「飞行光学读写头」，其构造如图十二所示。

图十二、飞行光学读写头

自行建构的近场记录的储存系统包含读写系统(read/write system)、光学系统(optical system)及光学飞行读写头(flying optical head)等三个部份，如图十三所示。读写系统控制写入雷射光的功率及频率，光学系统用来导光及会聚激光束，在光学飞行读写头中物镜的数值口径为0.5，但藉由SIL的效应可使其有效的数值口径达到0.95。

图十三、进场记录的储存系统

为了使耦合到盘片中的雷射光点到达记录层时不至扩大，记录层必须接近光盘表面，且反射层须最靠近基板以避免阻挡雷射光进入记录层中，因此采用表面型入射光盘片如图十四所示。根据近场光学仿真，结果发现若上介电层的太厚时，消散波并不能有效的耦合进入记录层中，此时雷射光点会变大且总能量会下降，并不能达成缩小光点、提高记录的目的，但若上介电层厚度太薄，则易使记录层因受到光学飞行读写碰撞而损坏，因此在设计表面入射型光盘的结构必须同时考虑到这两个因素。

图十四、表面入射型光盘

当利用自行建构的近场记录系统储存系统来进行表面入射型相变化光盘数据的写入及读出，其CNR 值为31dB，如图十五所示。低CNR的原因是由于目前0.95NA的光学飞行读写头的飞行高度太高(~1um)，造成在SIL内之光点无法有效耦合入记录层中，造成写入讯号不佳，未来将继续降低飞行高度以提升记录讯号的品质。

图十五、利用自行建构的近场记录系统储存系统来进行表面入射型相变化光盘数据的写入及读出

在近场记录中藉由使用固态浸没透镜，可使得有效数值口径大幅提升，利用轻量光学飞行读写头，可使得形成在固态浸没透镜中的微小光点藉由消散波耦合的方式进入表面入射型光盘中，达成高密度及快速存取(fast access)的目的。

(四) 重要结论及实用价值

高讯号噪声比对于达成高密度记录是必要的，在本研究发现可擦拭相变化光盘的初始化条件，对可擦拭相变化光盘在直接覆写时的擦拭率影响甚巨。当最佳条件进行初始化后，在记录频率为3及8MHz时，擦拭率及讯号噪声比可分别达到20及54 dB，此时的记录记号长度(mark length)分别为1.2及0.63 um，除此之外，其偏压功率(bias-power)范围可达4 mW。因此可用最低成本及最简单的方式提升相变化光盘讯号品质及其兼容性。

在本论文的研究中，发展了DVD-RAM可擦拭相变化超解析及近场记录两种方法来进一步提升相变化光盘的记录密度。相变化超解析光盘片配合着激光脉冲读取法，可使雷射检测光点能读取远小于绕射极限的记录记号。由于在可擦拭相变化超解析光盘上最小可得的记号大小为绕射极限的四分之一，因此在不更改光学系统的架构下可将记录密度提升至少4倍。

在近场记录中，为了提升记录密度，在飞行读写头中的固态浸没透镜和光盘片的距离必须小于雷射波长，使在固态浸没透镜中所形成的超小光点可被传输至光盘片之光学薄膜层上。根据光学近场理论仿真雷射读取光点的大小及能量的分布情形。当雷射波长为680 nm、飞行高度为l/4、上层介电层厚度为180 nm、NA为0.8、固态浸没透镜的折射率为1.8时，此时模拟的光点可小至原来的四分之一，即0.15 um；因此，记录密度可再提升4倍。

综合可擦拭相变化超解析及近场记录(near-field recording)两种方法，我们提出了一种全新的高密度、快速存取的空气入射型相变化超解析光盘(surface-incident erasable phase change super resolution disk, SI-EPSR)，如图十六所示，若再应用其它讯号处理的技术，如应用蓝光雷射及PRML等技术，如表一所示，则一片4.7吋空气入射型相变化超解析光盘的容量估计可超过100 Gbyte.

图十六、空气入射型相变化超解析光盘(surface-incident erasable phase change super resolution disk, SI-EPSR)

表一、增加DVD-RAM 可擦拭相变化光盘的技术： (1) 430 nm的蓝光雷射可使密度提升2.3倍。(2) 近场技术可使密度提升4倍。(3) 相变化超解析技术(EPSR)可使记录密度提升4倍。(4) PRML 讯号处理技术可使密度提升1.4倍。综合这些技术可使密度提升 52 倍，则一片DVD-RAM的记录容量可大幅提升至100MB。

Advanced Techniques Growth factor (1X)*

Laser wavelength (430 nm)
2.3

Near-field recording
4

Optical super-resolution
4

PRML signal processing
1.4

Total Factor
52

*「1 X」代表1st –generation DVD-RAM的储存密度

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