大话光存储（1）光存储基本原理

大家好。好久没有写东西了。最近冬瓜哥在酝酿一件大事，所以没来得及写点啥。从本期开始，冬瓜哥将为大家大话光存储，本篇先介绍一些光存储的基本原理。

本文目录：

• 光盘是如何存储数据的
• 压(预录)盘与刻（刻录）盘的区别
• 微观结构
• 多层记录

光存储系统这么多年来一直都给人一种默默无闻的感觉。自从2000~2005这5年来着实凭借着VCD、DVD火了一把之后，后续可以说是杳无音信了。当时全国各地电子市场里泛滥的光盘，软件、游戏、电影、CD，加上个封皮，琳琅满目。门口用的最高频率的词汇就是“要碟么，软件游戏”，就像如今北京中关村楼下的“维修这边”一样，只不过后者是坑死你不带喘气的。

不瞒您说，冬瓜哥至今还保留了一些光盘，比如某杀毒软件的安装盘等，其中也不乏当时刻录下来的一些内容，但是里面的东西现在基本可以说是没用了。不过试了试用光驱读了一下，10年前的CD-R刻录盘依然可以读出。

【光盘是如何存数据的】

商品光盘是在聚碳酸酯表面压出凹坑，利用凹坑边沿表示1，坑底或者上表面都表示0。有人可能会有疑问如果两个连续的1应该怎么表示，光盘里的数据是经过特殊的重新编码的，会保证不出现两个连续的1。

把布满凹坑的盘片表面溅镀一层铝反射膜，当激光照射到凹坑时，凹坑的内壁对光产生了散射作用，并不是所有光线都原路反射回去，所以接收到的反射光强度变弱；而照射到没有凹进去的地方，反射光强度比凹坑所反射的要强。将光强度用光敏器件转换成连续变化的电流/电压的信号，并用采样器采样成数字信号，并保存到缓冲存储器中，便实现了数据的读出。

实际中的装置与迈克尔逊干涉仪类似。采用一块半透半反射的玻璃，既能够投射光源发出的激光，还能将反射光反射到探测器。

当仔细观察光盘表面时，会发现上面有非常细密的反光点，这些反光点就是由表面致密的不平整凹坑导致的，如果没有凹坑那就和看一面平整的镜子一样了，什么都看不出来。

CD-ROM系统采用的是780nm波长的红色激光光学系统，凹坑深度为0.11微米左右，最小宽度约为0.83微米左右。如果要表示连续的0，则凹坑宽度会变宽。光道之间的间隔约为1.6微米左右。

而DVD格式的光道间距与凹坑宽度都有缩小，所以其存储密度大增，达到了单面4.7GB的容量。相应的，其光学系统精密度和分辨率也提升了，采用650nm波长红色激光系统。

【压（预录）盘和刻（刻录）盘的区别】

有人可能会好奇了，光盘上这些致密的凹坑到底是如何制作上去的呢？用刀子肯定无法雕刻上去，因为再精密的刀尖，其表面积都要比一个凹坑大了。只有用激光来雕刻了。但是如此多的凹坑，就算雕刻每个凹坑需要比如1ms的时间，那么雕刻一整张盘，需要两个多月的时间。而且还要保持一定的激光发射功率，才能将塑料表面有效烧灼。这个完全不现实，或许没等一张盘雕刻完成，激光头早已烧坏。

实际上，商品光盘是用模具冲压出来的。首先，在光学玻璃片上涂上一层感光胶，然后把需要存储到玻璃片上的数据转换为激光强度的强弱信号，随着玻璃片的转动，照射到感光胶上，这样的话，感光胶表面就被烧灼出一个一个的烧灼点。被照射足够强度的光点，其化学性质发生了强烈变化，导致其可以被某种化学溶剂溶解(显影)，而弱感光点处无法被溶解。这样被溶解的地方就产生了凹坑。可以看到这种凹坑的产生代价很低，因为激光并不是直接烧穿底下的介质，而只是照射一下而已，所以生产速度也非常快。

凹坑出现之后，在玻璃片表面上蒸镀一层银作为导电层，以便为以后的电铸过程做准备。将该玻璃片放入含有镍离子的电解液中，通电后，玻璃片表面不断吸引镍离子，镍层不断增厚，最终形成一个0.3毫米的镍片，最终这层镍金属片把凹坑复制了起来。

然后，将这层金属壳子撕下来，就形成了一个比较薄的金属模具，只不过其表示的内容与实际内容相反。该模具称为父盘，由于其较薄，无法直接当做模具去冲压塑料盘片，所以需要在其上方再用镍离子电铸成另一镍金属薄片，分离后形成母盘，然后再在母盘上电铸较厚的镍金属片，形成具有足够硬度的成型模具(子盘)。

这个磨具就叫做压膜，只要用这个压膜去冲压新的塑料盘片，那么压膜凸出来的地方就会把塑料盘冲压出对应的凹坑。如果你认为实际的生产机器真的是像压面饼一样，那就大错特错了。

想想就可以，一个凹坑的深度和宽度实在是太小了，怎么可能压一下就能在聚碳酸酯上压出一个印子来呢？另外，聚碳酸酯塑料片也很硬，虽然磨具更硬，但是直接压压出这么细小的痕迹也是有难度的。按照我们日常生活中的经验来看，要想压出足够深刻的印记，必须把两样物品接触足够长时间，而且要使劲按压。是的，注塑机也是这么做的。（图：紫晶存储的蓝光生产设备）

首先让压模和底座之间形成一个闭合的空腔，然后将熔融的聚碳酸脂液体注入到该空腔中，同时，积压该空腔成为与我们所见的光盘同样的厚度，给聚碳酸脂液体一个压力，使其完全充入到模具凹坑里，并开始强制冷却，最后出锅，形成光盘。该过程在3到5秒内完成。

下一步则是将反光层溅镀到盘片表面。其原理是利用电场力将铝原子溅射到盘片表面，形成一个只有几个铝原子厚的反光层。然后喷涂一层透明耐候保护胶作为保护层，然后在背面印刷一些图案、字体等，一张成品光盘就只做好了。

这就是所谓“压盘”。用一张压模，加上一堆塑料，就能压出无数带有数据的商品盘来。压盘是量产的绝好工具，虽然制作一个模具需要耗费不小的成本，但是其压出的千万张光盘，薄利多销，是可以弥补这个成本耗费的。

刻盘则不同，一般只刻录一张，自己留用。难道此时真的是用刻录机光驱激光头强行在盘片上烧出凹坑？不是的。可刻录的盘片表面先被压出对应的光道沟槽，然后在沟槽底部溅镀上反射层，然后喷涂上一层感光染料，再覆盖一层保护层。刻录时，光头沿着沟槽运动，并将沟槽下方对应的区域加热，将感光染料的性质改变，形成烧灼斑点，斑点的反光度较低，于是就可以分辨出0和1了。

【微观结构】

CD-ROM或者DVD-ROM是没有沟槽的。而可刻录盘片是被预先用模具压上沟槽的。

 刻录DVD的沟槽实际上是按照波浪形状压制的，实际上是被调制了一些信息的正弦波形状。按照一倍速转速，该正弦波形会以一定频率出现，DVD-R(W)是140.6KHz，DVD+R(W)则为817.4KHz。该波形上所调制的信息包括：地址信息、速度信息等。DVD-R(W)是将绝对时间间隔调制到波形上，而将地址信息预刻到沟槽的凸出部分（俗称“岸”）上。DVD+R(W)则是将沟槽地址信息调制到沟槽波形的相位上。这种波浪形沟槽的反射光也会按照波形呈现对应的强度变化，被光检测器收到之后，输入到对应的模拟电路模块，转换成电信号，还原出对应的波形，并经过解调电路，还原出对应的信息，从而让光驱能够判断出当前的转速和沟槽地址。

对于可重复擦写型刻录盘，其并非采用染料来作为记录介质，而是采用相变材料。出厂后的新RW光盘沟槽中的介质处于结晶状态。在写入数据时，刻录机光头发出高功率激光时，激光的能量使相变材料的温度超过熔化温度，达到熔化状态，但由于时间短于结晶时间，因此被照射的区域相变材料由晶态变为非晶态。晶态区域与非晶态区域的透射率不一样：晶态相有较高的透光率，可让射线通过到达反射层，而非晶态则很难让光线通过，所以反射回来的光线强度很低。擦除操作则是通过光头发出中等功率的激光，使其温度超过晶格化温度但不到熔化温度，且保证照射时间超过结晶时间，则可以使非结晶区域重新变回晶态。下图是未刻录之前的光盘表面原子力显微镜照片。

下图则是刻录之后的照片，可以明显看到光斑。

DVD D9格式采用的是单面双层记录，D10则是正反两面都存数据， DVD D18則是兩面每面都是双层记录。难道在刻录第二层的时候不会影响第一层的数据么？不会，因为激光被聚焦在第二层处，第一层对应区域的温度不会达到破坏已刻录数据的阈值。在读出数据时也是利用焦距的不同来读取不同层的数据。

本篇告一段落。在下一篇中，冬瓜哥将为大家介绍激光头是如何如此精准的定位、纠偏、读写数据的。以及介绍一下目前最新的光存储技术——蓝光技术。敬请期待。

文：冬瓜哥

文章出处：大话存储

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