磁光记录技术现状及发展趋势

一、概述 　　 磁光记录的研究工作开始于1957年，当时由 Willianms 等人使用蒸发的 MnBi 薄膜作为记录材料，用一只加热笔进行写入实验，通过磁光效应来观察磁畴的写过程。此次实验奠定了磁光记录的基础，但由于相关技术(如激光技术、精密加工技术、信号处理技术等)研究跟不上，使得磁光记录技术在此期间发展缓慢。到了七十年代，随着整个国际社会的生产能力和技术水平的提高以及磁光记录技术基础研究的完善，磁光记录得到了巨大的发展。八十年代，第一代实用化磁光盘问世。此后十多年间，从技术性能上，磁光盘产品从第一代发展到第四代，单盘存储容量增加十多倍。从产业规模上，各种尺寸的磁光盘年产量超过亿张，并成为计算机可移动外存的主流产品之一。 　　二、磁光盘产品主要类型及其技术特点 　　 当前实用化磁光盘的尺寸主要有130mm(5．25″)、90nmm(3．5″)、64mm(2．5″)三种，为了与 CD 及 DVD 系列产品兼容，不久将推出120mm磁光盘。现有产品中在计算机中应用的以90mm为主，音像领域中应用的以64mm为主，几种产品的当前市场规模及发展趋势如图1～3所示，由图可见，φ90mm和φ64mm　磁光盘的市场规模近几年来年均以30-50％的比例增长。 　　 从技术性能上看，磁光盘的发展主要体现在记录容量加大和数据交换速度提高。1987年推出第一代磁光盘产品，容量 650MB(φ130mm)和128MB(φ90mm)，平均存取时间为150ms，数据传输率为0．15MB/s。1993年推出第二代磁光盘产品，容量1．3GB(φ130mm)和230MB(φ90mm)，平均存取时间缩短到40ms，数据传输率达 2MB/s，1996年推出第三代磁光盘，容量 2．6GB(φ130mm)和 640MB(φ90mm)，平均存取时间为 28ms，数据传输率为 3-4MB/s。1999年推 磁光存储技术一直是在与磁记录技术和其他光盘技术相互竞争，相互推动中发展的。这些竞争主要围绕存储密度(容量)、存取速度、数据传输率、使用方便性及成本而进行。为了提高这些性能，每代新产品的出现，都伴随发展了一系列高新技术成果，如记录介质技术、短波长激光技术、光盘增容技术、数字服务技术、检纠错技术、直接重写技术、磁超分辨技术等。近来的技术发展使得磁光存储系统的性能为更多的用户所接受，更稳固地确立了在众多可移动存储媒体中的地位。这些技术发展的主要情况如下： 　　 1．短波长激光器技术 　　 磁光记录是用精细聚焦的激光束来写入信息，因此要提高记录密度，减小激光光斑的直径是前提，光斑直径 D=0．61λ/NA。即与激光波长成正比，与物镜的数值孔径值成反比，从提高记录密度的观点来看，D 值越小越好，因此，开发大功率短波长低噪声的半导体激光二级管和大孔径的物镜是近年来努力实现的目标之一。目前实用激光器的波长已由第一代的 830nm，减小到第三代产品的 635nm，物镜的数值孔径已人第一代产品的 0．53 提高到第三代的 0．6，这就为进一步缩短道间距，从而提高记录密度和传输速率提供了可能。第四、五代产品将保持光学参数(λNA)不变，而借助其它技术来克服光学衍射极限来达到提高记录密度的目的。 　　 2．区域恒角速度 　　 从第一代到第四代磁光盘的技术参数，除随记录密度的不断提高，激光波长不断缩短，物镜的数值孔径不断加大，道间距不断减小以外，第一代磁光盘与第二代磁光盘相比，主要区别在于由 CAV 格式换为 ZCAV 格式。所谓 CAV 格式是指光盘转动的恒角速度格式，这种格式光盘的外道与内道容量相同，这使得内道记录密度大于外道，外道容量损失较大，第二代磁光盘采用区域恒角速度格式，即光盘从内径到外径分成若干带，每个带设立一种转速，越靠近外道转速越快，这样就更充分的利用了光盘外道的空间，有效地提高了光盘的记录容量。 　　 3．坑缘记录 　　 第三代磁光盘与第二代磁光盘的主要技术变化在于，第一、二代磁光盘的记录方式均采用脉冲位置调制记录(PPM)，又称坑位记录，记录编码中的每一位“1”都与一个记录坑位相对应，因此信息道由一系列不同间距的同样大小的坑位组成，而第三代磁光短采用脉冲宽度调制记录方式(PWM)，又称坑缘记录方式，利用坑位的两个边缘记录信息，坑位的前沿对应编码中的“1”。 　　 两种记录方式比较如图4所示： 　　 由图可见，在同样物理条件下，由 PPM 记录方式改用 PWM 记录方式可以将光盘的存储容量和数据传输率提高一倍左右。 　　 坑缘记录的最大障碍是边沿抖动，日本日 　　立公司提出的控制写方法(write control method)使得 Mo 记录坑位的宽度在光道切线方向上保持一致，不随记录脉冲的长度变化，这在很大程度上消除了写入过程的非线性。另外，通过写入补偿可以控制由码间干扰引起的边沿抖动，最近提出的前沿／后沿独立检测法可以有效地减少读出过程中的边沿抖动。 　　 4．槽内、台面同时记录 　　 第四代磁光盘产品与第三代产品相比较，记录激光波长及介质均未变化，其主要进展在于采用磁超分辨(MSR)技术和台上、槽内同时记录技术。 　　 光盘表面预刻有一系列螺旋槽，槽与槽之间的区域称为台。第三代以前的产品，信息只记录在槽内，而第四代产品采用槽内、台面同时记录，这样就更充分地利用了盘面的空间。道间距的减小以及槽内、台面同时记录的应用，使得道间串扰加剧，采用道间串扰抵消法和磁超分辨技术可以有效地消除这种串扰。日本电气提出的道间串扰抵消法利用一个衍射光栏产生三束激光同时读取目的道和相邻的两个道，通过均衡器和数字滤波电路，使得相邻的信号相互抵消，从而检测出目的道的信号。这种方法用电路补偿光学极限，是槽底和台面记录的有效技术保障。 SONY 公司和 FUJITSU 提出的磁超分辨技术是窄道记录的另一个重要技术保障。 　　 5．磁超分辨技术(MSR) 　　 为了克服信号读出时高密度记录的信息标记边缘的漂移，MSR 技术是目前被证明为最有效的手段，它是在标准的磁光层上加入一层读出层，在读出信号时产生掩模，从而有效地减小读出光点的探测孔径，降低相邻标记间的符号串扰。磁超分辨有多种方式：前孔径探测(FAD-MSR)，它可使信道方向空间频率极限改善两倍；后孔径探测(RAD-MSR)，它可使径向和切向空间频率极限改善两倍； 中心孔径探测(CAD-MSR)，它比前两种方式具有更小的边缘漂移，更具潜力。 MSR 技术的使用，目前尚在不断的改进和完善之中，下文将作详细介绍。 　　　 6．直接重写技术 　　　　与计算机硬盘相比，磁光盘的存取时间偏长是其主要弱点，缩短磁光盘的存取时间也是近年努力实现的目标之一，缩短存取时间的有效方法是采用直接重写技术和轻型光头技术。 　　 第一、第二代磁光盘采用的记录方式是在固定的外磁场作用下，通过激光束加热磁记录层，记录信息由调制激光束来提供，这种记录方式的主要缺点是已经记录信息的部分不能直接重写。在记录新信息之前必须对已记录的信息区域整个扇或整个系统的读／写速度，这也是早期磁光盘在计算机中的应用受到限制的原因之一。 　　 从第三代磁光盘开始，部分产品采用了直接重写技术，避免了传统的先擦后写的操作方式，数据写入只需一次完成，读／写速度可提高一倍。此类技术的介质分为两种：磁场调制直接重写介质和光强调制直接重写介质。前者，由于采用飞行磁头，数据的调制频率受到限制，系统的数据传输率较低，但由于介质制造较为简单，目前已得到实际应用。当前市场上的90mm和64mm磁光盘采用的均为磁场调制直接重写技术。后者采用交互耦合介质，为双层磁光介质，一层用于数据存储，另一层用于偏置磁场的设置，由于存储层的矫顽磁力(与温度有关)与偏置层不同，激光强度的调制变化可以直接写入存储层。从目前的研究看，光强调制直接重写技术虽然比磁场调制具有更多的优点，但介质制作实现比较困难，主要应用于 130mm 的双面盘。 　　三、磁光记录的未来发展趋势 　　 随着信息技术的飞速发展，要求信息存储媒体的存储容量越来越大，信息传递及处理速度越来越快，并能实现多种媒体的相互兼容。因此在未来5-10年内，磁光盘的发展趋势仍然是以超大容量、超高速度、低成本及广泛兼容性为主要目标。 　　 目前即将实现商品化和正在开发研究的技术及产品有以下几类： 　　 1．GIGAMO(千兆容量磁光盘) 　　 这种新的千兆容量的磁光盘首次采用了 MSR 技术，这种技术是磁和光技术更加完善的结合，借助 MSR 的采用，可以在不必对光学系统作重大改动(λ和 NA与上一代产品相同)并继续采用稀土一过渡元素合金作记录介质的条件下，使道密度和位密度大大增加。 　　 第一个 GIGAMO 产品于1999年推出， φ90mm 盘片的容量为1．3GB，道间距0．9μm，比特位长0．29/μm，线性密度可达5268bit/mm，存储密度达 2．5Gb/inch2。实验及计算表明，采用三层双掩模 MSR 介质，台／槽同时记录技术结合，利用常规的光学系统和道间距为 0．6μm 的盘基，在最小比特长度为 0．24μm 情况下获得的 bit 误码率小于10-7，记录功率容限+或-11．3％，倾斜容限+或-0．7 度，这些数据表明，对于φ90mmMO 盘，使用 635 激光二极管，物镜数值孔径0．6，其记录容量可达到 2．6GB 是可能的，这个容量相当于实际记录密度为4．5Gb/inch2。这个目标近期即可实现。 　　 MSR技术是由日本富±通和索尼两家公司联合开发，富士通开发驱动器部分，索尼开发盘片部分。这项技术已获得菲利普、日立、万胜、柯尼卡、奥林巴斯、威保、TEIJIN、TOSOH等大厂家认同，这意味着“MSR”势将成为标准化技术，在未来新产品必须将得到更广泛的应用。 　　 2．AS-MO (先进存储磁光盘) 　　 1997年 Fujitsu、Hitachi、Imation、Olympus、Philips、Sanyo、Sharp、Sony 等14家大光盘厂商，举行了一次“先进存储技术会”，对 120mm 6GB 磁光盘可能涉及到的关键技术进行了讨论，由此形成的光盘称为先进存储磁光盘(Advantage Storage Magnetic Optical)，简称 AS-MO。 　　 这种磁光盘的盘片尺寸为 120mm，与目前已广泛使用的 CD、DVD 系列的盘片尺寸相同，因而可以实现与 CD、DVD-ROM/RAM 的兼容。在 AS-MO 中拟采用三项主要新技术：激光泵磁场调制技术(LP-MFM)；具有 0．6μm道间距的中心孔检测磁超分辨技术(CAD-MSR)；PRML (Partial response equalization with maxium likelihood detection)信号处理技术。 　　 这些先进技术的结合，可以实现0．2μm bit 长度的读／写。在激光波长为 635nm、道间距 0．6μm 条件下，存储密度达4．7Gb/inch2，单盘存储容量可达6-7GB。 　　 这个容量相当于第一代 130mm 磁光盘的10倍，比 DVD-ROM 高1．5倍。这种光盘更加适用于多媒体及 MPEG2 电影的信启、存储，其未来市场定位如图五所示。 　　 采用 LP-MFM(Laser pumped-Magnetic Filed Modulation)对于记录短标记(<0．15μm标记的磁畴)和窄道记录(道间距小于0．6μm)是有利的，与常规的激光强度调制(LIM)和磁场调制(MFM)技术相比，可以大大提高光学读写的分辨能力。 　　 LP-MFM、LIM 和 MFM 三种调制方式的记录畴形状比较，如图六所示。 　　 3．TB-MO (兆兆容量磁光盘) 　　 1999年1月由 Fujitsu、Hitachi 等14家世界大光盘公司共同创立了兆兆容量光存储联合体(Tera Byte Optical Memory Consortium)简称 TBOC，并于1999年12月在中国香港召开了第一次 TBOC 工作会议，共主要目的是促进和支持高密度(>1 Tb/inch2)光盘技术的研究和开发，由此形成的磁光盘称为 TB-MO。 　　 有多种类型的存储媒体都可能达到 TB 存储容量的目的。相比之下，磁光记录具有一定优势。磁光盘的线性密度能够采用垂直记录来增加，道密度也可以借助采用光寻道的方法来增加。同时可以采用磁放大磁光盘系统(MAMMOS)使微小的读出信号得到加强，从而可以检测出极小的信号，使用 MAMMOS 技术与常规技术相比的 C/N 状况。如图七所示。 　　 在 TB-MO 中，另一项可能采用的新技术是近场记录技术(NFR)。 　　 MSR 技术从热磁方面解决了数据密度的问题，而 NFR(Near Field Recording)技术主要在克服激光点尺寸对光存储密度带来的物理限制。从根本上说，NFR 是硬盘(HDD)技术和磁光盘技术的结合，它使用了特殊的光传输方法；光通道效应，从而使得在相同尺寸下，其存储容量比现有 HDD 或 MO 可提高10倍以上。 　　 利用 MAMMOS 进行读出的典型 NFR 存储系统如图八所示。 　　 各种记录媒体实现超高密度存储的潜力比较，如图九所示。 　　 在过去的十多年中，磁光存储技术已经获得了迅速发展。在二十一世纪，随着磁光存储技术几个相关学科，如激光技术、材料科学、微电子技术、细微加工技术、计算机与自动控制技术的发展，磁光记录技术在记录密度、存储容量、数据传输率、存取时间等方面必将会得到更大发展，磁光记录技术的前景是光明的。