摘要：介绍了相变光盘(PD)和磁光盘(MO)的结构及其信息记录/读出原理，并叙述了磁超分辨（MSR）、磁放大磁光系统（MAMOS）、磁畴壁移动检测（DWDD）及近场光存储等高密度光盘存储技术。

关键词：相变光盘(PD)，磁光盘(MO)，磁超分辨(MSR)，磁放大磁光系统（MAMOS），磁畴壁移动检测（DWDD），近场光存储。

1. 前言

光盘大致分为改写型光盘、只读光盘（如CD/DVD-ROM）和刻录光盘（如CD/DVD-R）三种。改写型光盘包括磁光盘和相变光盘，由于信息社会对图像、文字、音乐等信息加工处理的需要，能够进行数据读出、重写的改写型光盘越来越受欢迎。 在信息爆炸式膨胀的今天，高密度大容量化是今后光盘发展的主要方向。目前，提高信息存储密度的主要困难是读出光学系统受衍射极限的限制，难以分辨出微小的记录标记，使记录密度受读出技术的制约，因而高分辨率的读出技术是现在高密度光盘存储的关键。

本文介绍了相变光盘和磁光盘的基本结构及原理，并着重介绍了几种高分辨率的信息读取技术。

2.相变光盘

相变光盘的信息存储原理是1968年Ovshinsky S.R.发现的，20世纪70年代就有许多研究小组着手这一项目的研究，但进展不顺，大多数对于应用物质的剧烈变化这一存储原理持怀疑态度从而中止了研究，但由于后来附加了象磁带、磁盘那样的擦写功能并解决了寿命问题，于是相变光盘又重新受到重视，1990年松下率先实现了商品化。

相变光盘的基本结构包括聚碳酸脂盘基、ZnS-SiO2保护层、GeSbTe记录层、Al-Cr/Ti/Ag合金反射层。ZnS-SiO2材料的微粒直径小至2nm，其耐热性、均匀性、致密性可防止记录膜热循环（膨胀与收缩）引起的形状变形，从而可确保大约200万次的重复记录，解决了寿命这一最大难题。相变记录层当初采用Te81Ge15Sb2S2，但由于其非晶化容易（1ms）、结晶速度慢（10ms），响应速度难以提高，因而现在改用GeSbTe，使结晶速度达到数ns，有效提高了数据传输速率。为了提高相变光盘的存储密度，也在尝试各种不同的层结构。

相变光存储是利用物质的原子配列有规则的晶相和不规则的非晶相这两种可以相互转换的相变化现象进行的，即通过调节激光的强弱使记录材料的晶相和非晶相相互转换从而进行旧数据的消除和新数据的录入，并通过探测晶相和非晶相不同的反射率（分别用“0”和“1”表示）读取数据。具体过程是：(1)晶相状态的记录材料受到大功率激光照射而熔化（熔点大约为600℃），其原子配列变成无序化的液相状态，然后在大于3.6K/ns以上冷却速度的急冷条件下固化，变成非晶相，即写入数据“1”。（2）非晶相状态下如果受低功率激光照射，当记录材料超过结晶温度（约400℃），原子呈规则的晶格状排列，变成晶相，即写入数据“0”，也即是擦除数据。可见，相变光盘是利用大功率（非晶相化）、低功率（结晶化）及特定的回放功率这三种级别的激光功率进行数据的记录、擦除和读出。

3.磁光盘

磁光信息存储技术是1877年KERR J.发现的，同磁记录一样已有100多年的历史，20世纪80年代后期，磁光盘代替磁盘迅速商品化，1989年被称为磁光盘元年，进入20世纪90年代，磁光盘急速增长，日益成为重要的记录媒体。目前，磁光盘的擦写寿命可达1000万次，已有50.8 mmf（2英寸）、64mmf(MD)、86 mmf（ISO3.5英寸）、130 mmf（ISO5.25英寸）等不同规格。

典型磁光盘的层结构是聚碳酸酯盘基（1.2mm）/SiNx保护层(100nm)/Tb20Fe74Co6磁性记录层(20nm)/ SiNx保护层(40nm)/Al合金（40 nm）/紫外硬化树脂保护层（5mm），同相变光盘一样，磁光盘通常通过不同的磁性层设计谋求高记录密度。

磁光盘是以磁畴的磁化方向表示记录数据，常温下磁畴具有10kOe以上的矫顽力，普通的磁铁和磁头都不能改变其磁化方向，但如果受热，随着温度的上升，其矫顽力将迅速变小，当温度上升到居里温度（矫顽力降为0时的温度称为居里温度）时磁畴的磁化方向随外部磁场的改变而改变。磁光盘便是利用激光照射产生的热能结合磁记录进行数据的记录和擦除：即连续照射激光，将记录膜的温度提高到居里温度，使矫顽力降为0，从而受磁头磁场的影响磁畴磁化方向全部向下，完成磁光盘的初始化，也即是通过写入“0”擦除原有数据。记录数据时，磁头通电，反转磁场方向，需写入数据的地方受强激光照射，磁化方向也随磁头磁场方向的改变而向上，即写入数据“1”。读出激光入射到磁光盘，反射光的偏振面将随磁畴磁化方向的改变而旋转（即所谓克尔（kerr）效应），顺时针旋转表明数据是“1”，反时针是“0”，这一变化用偏振光分束器转换成光强度的变化，然后导入光探测器取出电信号，从而完成数据的读出。读出时的激光强度不到記録／擦除時的1/7，因而不会影响记录膜的数据。

4. 高密度技术

如果缩小激光束光斑，记录标记和轨道间距也就成比例地缩小，从而可提高记录密度、增大光盘容量。经物镜聚束后照射到光盘的激光斑点直径大约为0.8l/NA（l为光波长，NA为物镜数值孔径），因而以前主要依赖激光的短波长化以及物镜的大孔径化来提高光盘容量，但由于光学分辨率等问题，记录密度一直受到读出技术的制约，比如，目前的记录技术已可使记录标记达到很小的尺寸，用680nm激光的1mm光斑，可记录0.08mm尺寸的标记，然而现有的光学系统却不能读出如此微小的记录标记，因为标记尺寸小于读出光斑，光斑中将出现多个信号，读出信号会受相邻记录标记的影响，因而高分辨率读出技术是实现光盘高密度、大容量化的关键。

4.1磁超分辨技术

所谓磁超分辨（MSR：Magnetic super resolution）是一种用磁隔离方式掩盖进入光班内的多余磁畴标记以保证分辨率的读出技术，如图1所示，MSR磁光盘的磁性层一般由记录层（TbFeCo）、开关层或称磁掩盖层（TbDyFe）、回放层亦称读出层（GdFeCo）组成。记录层的矫顽力和距离温度相对较高，它同普通记录层一样用于数据存储。回放层的作用是通过开关层复制记录层的数据。开关层是控制记录层同回放层之间数据交换的开关，该层的居里温度设定为150℃。常温下，受初始化磁场的影响，低矫顽力的回放层呈一个方向磁化，而且由于开关层的界面磁畴壁即磁掩盖，记录层同回放层之间不能进行数据交换。当读出激光束照射到转动的光盘上，光盘上的光斑内形成空间温度分布，前部温度最低、后部温度最高，只有光斑内150℃这一温度点能消除开关层界面磁畴壁，从而将记录层的信息复制到回放层，然后读出。具体读出过程如图1（b）所示的5步，即（1）光斑尚未经过记录磁畴标记时光盘处于室温状态。（2）标记刚进入光斑时仍处于低温，开关层同样处于关闭状态。（3）标记处升高到150℃时，开关层界面磁畴壁消失，记录层的信号被复制到回放层。（4）温度超过150℃，开关层关闭。(5)光斑移离信号标记，进行下一个信号的读出。可见，MSR只利用光斑内的居里温度点（即所谓“针孔”）读出信号，是一种屏蔽光斑内多个记录信号而取出一个的巧妙方法，客观上提高了读出分辨率，其最佳可分辨尺寸大约为200nm。1999年索尼、富士通首次引入MSR，使3.5英寸磁光盘容量达到1.3GB。