摘要：本文阐述了C3D多层荧光存储技术，并对这一关键技术的应用及研究进行了深入探讨。

关键词：多层光盘 荧光存储技术 荧光材料

为适应计算机技术的发展需要，存储设备的数据存储容量每年应以60%的速度递增，目前广泛采用的增加存储设备容量的方法是通过大幅度增加磁性和光学记录介质的存储密度来实现。在对磁性记录介质上限值进行测算的同时，已通过实验论证出常规光学存储容量的极限值可达35Gbit /inch²，目前光学存储容量接近于衍射的上限值（5Gbit/inch²），将来可通过激光、高倍透镜数值孔径或运用近场技术来增加存储密度，并通过多层介质粘合增加光学信息存储容量，该技术称之为三维存储。

三维存储是增加了第三维，其目的在于增加给定介质体积容量以及建立具有写/读激光波长维的立体存储单元，尽管激光波长仅有650nm，但在每一立体单元也可以存储10¹²bit的信息。

立体、全息照片及多层存储

由于需要在接近介质表面的很薄一层存储信息，使用现行HDD、ODD技术来提高介质存储密度将受到限制，然而，如果使用三维存储技术，通过介质的整个体积来存储信息，结果会怎样呢？

六十年代随着激光技术的逐渐成熟，有人建议通过使用全息照相技术来实现三维存储，但因缺乏适合三维存储所具有特性参数的元件和存储介质，直至八十年代该项技术尚未实现商品化。

近期主要由于缺乏合适的存储材料，由DARPA发起的工业/学术国际性协议未能达成。该协议试图设计一种10¹²bit的全息照相存储设备，该设备具有低于1ms的非机械式读取速度及1Gbit的数据传输率。

在多层盘片或光盘中，各层均涂有介质，层与层之间的间距仅为20μm, 具有记录功能的激光束一次仅聚焦在一层光盘上，依次读/写各层数据。

反射式光盘与荧光多层光盘

多层光盘的设计原理是由Philips和IBM公司提出来的，并对多层光盘进行了研究，依照该设计原理，将DVD设计成两层光盘。然而就多层光盘而言，探测激光束的相干特性将对多层光盘产生干扰、散射以及内层交扰等难以接受的混合信号。目前多层光盘的研究人员在突破了光学难点之后，还突破了制造具有较高光学特性的多层介质的技术难题。

IBM公司在对生产六层光盘的可行性研究时发现，由于在商品化方面仍存在许多难点，目前还未正式生产这种光盘。

荧光多层光盘

多层荧光光盘/盘片（FMD/C）技术解决了信号衰减问题。将荧光材料涂在存储层上，当激光束照射到存储层时，散射出荧光。散射荧光具有从入射激光（少量）到红外光谱等不同波长，散射光是一种非相干光，现行光盘中的反射光是相干的，散射光不受数据或其它斑痕以及未扰动的横向相邻层的影响。在光盘读取系统中，散射光已被过滤，仅仅接受所测定的荧光信息，这样减少了杂光及干扰的影响。

理论研究及实验结果证明，在常用的反射式光盘中，信号质量随着层数的增加迅速降低；而对于荧光只读光盘，每增加一层，信号质量降低得相当缓慢（见图3）。研究表明，达到100层以上的介质也是可行的。运用蓝色激光技术，能增加单张盘片或光盘的容量，可存储数百千兆字节甚至更多的信息。

荧光光盘优点

多层荧光只读光盘的主要优点：

l多层荧光具有光通透性和单一性（例如各层之间无反射界面）；

l干扰特性。每层光吸收率很低（<1%）；

l散射信号不吸收荧光信号；

l介质和光盘对缺陷敏感性较低。

例如：普通CD、DVD反射式光盘的读取受数据斑痕（凹坑）的干扰影响很大，同时对间距尺寸（宽度、深度）变化以及因元件缺陷或微调公差所引起的斑点缺陷很敏感；而荧光技术不受干扰影响，对介质和光盘不需要很严格的制造公差。任意层的散射光是非相干的，不存在附加干扰。

荧光光盘的有限横向立体分辨率是相干式光盘（例如CD/DVD反射光盘）的两倍。该优势在显微技术领域显得尤为突出，而且促进了“荧光扫描显微技术”的新型显微学发展。就多层荧光光盘/盘片而言，超过三维的两倍矫正在一定的数据密度中用八倍矫正来表示。

多层荧光光盘/盘片技术与现行CD/DVD格式相兼容，各层读取数据的速度相同。

多层荧光光盘/盘片技术能提高将来所计划的近场系统的潜在容量，而不需要对现行技术做重大改变。

该技术的另一优点是：能平行读取介质层上的每层数据，与单层介质相比较，它在数据传输速度方面潜力更大。该技术用于同一层多重扇区的平行读取，以更进一步提高数据读取速度，形成三维数据传输。

根据用途的不同来选取不同的介质和光学参数，使多层荧光技术的应用最佳化。

l光盘高密度，具有近似于DVD100倍的有效容量。使用高倍数值孔径物镜和球面相差校正镜片，当聚焦在不同层面时，球面相差校正器（SAC）补偿由于介质内光程变化所产生的相差。

l光盘的数值孔径减小（例如：NA=0.4—0.5）；在大幅度减小公差额的情况下，仍可达到近似DVD10倍的容量，此时不需要数据孔径物镜。

在荧光技术商业化发展的初期，由于具有平行读取功能的高容量多层光盘的产生，显示出荧光技术的巨大潜力。该技术源于控制干扰的基本物理定律，该干扰是由于具有亚微准周期结构的相干和非相干散射而引起的，在其它多层光学存储选择形式中，由于相邻信息层的附加干扰而产生了仿真图像，这些仿真图像不可能作为真实信息来读取，如图4所示。麦克斯韦方程式中的直流数字模拟量根据传输距离（非荧光）显示信息层周围的光强度分布。信息层为聚合材料，层上带有一些相似的光吸收凹坑，凹坑的尺寸为0.3×0.3μm，凹坑间距为0.3μm，激发散射波波长为0.6μm，凹坑线性吸收率为15%，人们可以看见许多有一定光强度的影像，该强度几乎等同于真实信息强度，光强度由实验数据直接算出。

介质研究

多层荧光光盘/ 盘片介质由一些粘接在一起的塑料（聚碳酸酯）衬底组成。

衬底表面呈凸状（有凹坑），凹坑里填充了一种拥有专利的荧光材料。

CD/DVD设计研究过程中由于未使用荧光技术，其形式单一，光盘制作成本大幅度增加；而使用荧光光盘/盘片技术，对于高容量光盘而言，仅需略加更改现有元件及工艺（如掺杂荧光材料），同时可避免介质和光盘使用新的底层结构，因为不需要金属反射层，可有效减少每层的工艺步骤。

对于多层光盘而言，须将每层加工成含有信息的金属压纹，其主要工艺与生产CD或DVD的工艺相类似，仅稍微修改一些参数（如深凹槽、凹坑）。

加热压模和光致聚合作用

多层荧光光盘/盘片有两种复制工艺。第一种为加热压模，该工艺是将聚碳酸酯薄板在高温下压制成两面均带金属压纹的盘片，随后将荧光染料注射到压好的凹坑中，例如，通过旋压涂覆来压制染料。处理完染料之后，各个薄板通过压力作用粘合在一起，形成多层存储介质。

第二种复制工艺是一种改进光致聚合作用的工艺，该工艺将各层一一复制出来，实验表明，运用该项工艺技术可复制高达十层的光盘。

将这两种工艺技术加以融合，其效果十分显著，目前利用这两种技术可以将更多层粘合在一起，同时仍保持较高的光学和机械特性。

荧光材料

存储介质中荧光材料的质量最为关键，荧光材料可将入射激光（非相干）转换为非相干的荧光。用于只读盘片和光盘（ROM）的材料及相干设备运用了最成熟的荧光多层技术，同时依照该技术研制出了记录材料和相关设备，并通过实验对其加以论证。目前荧光多层技术仍在不断发展，在C3D公司实验室，对拥有专利的彩色相片材料的荧光光盘/盘片的读写技术进行写、读、删除、重写诸多实验，实验表明，该技术目前尚不完善，可望在一年之内进一步完善样品。

对荧光材料有以下几点要求：

1.荧光ROM材料必须与衬底材料相兼容，并能在多层制作工艺中保持其特性；

2.吸收波长应与半导体激光头所产生的波长相同（例如650um）；

3.散射荧光波长偏移至少应为50nm，这样易于识别入射光和信号光；

4.材料应具有高转换率；

5.靠近聚碳酸酯（或聚合物、玻璃）衬底材料应具有折射率；

6.材料在一定的时间内应保持稳定，在外界光或阅读光照射下材料不应老化，使用聚焦在读取面上的旋转光盘（例如CD/DVD—光盘与盘片不同）必须满足这一附加要求；

7.快速响应（1nsec）；

8.高饱和度（1mW/cm²）；

光敏感材料

光聚合物（PPC）是由带有光激发剂的单基聚合物和齐分子聚合物混合而成，其混合是经一定光谱范围内的光线照射而产生的聚合反应，光聚合物作为衬底，用于数据传输，QxaZin—1是一种光激发剂。

对适用于光聚合物的齐分子聚合物、单基集合物进行分析，结果显示：带有阳离子聚合反应的光聚合物，其性能可最大限度地满足上述要求。

光敏感材料在发生聚合反应中具有环氧乙烷的环状结构，例如环氧树脂。光聚合物的优点是：它们能在空气中发生聚合反应，而体积不会缩小。酒精在光致聚合作用中起环氧衍生物共单基聚合物的作用（例如：链传递和链合溶液剂作用）。不同成分的环氧衍生物、酒精，所产生的聚合物有很大的不同。

我们选择了环脂环氧化物、3，4—环氧环己基甲基—3，4环氧环己烷羰酸盐（结合化合物UVI—6110）、caprolactontriol（结合化合物TONE—0310）作为光激发剂，内不含酒精、triarylsulfonium，其灵敏度为300~360nm。

所研制混合物的重量比例为：UVI—6110为85%，TONE—0301 为15%，UVI—6990为8%，我们已经找到一种混合溶剂来降低其粘度，混合溶液2—乙氧基乙醇、n—丁醇及乙醇三种溶液混合比例为2:2:1。实验过程中，改变上述三种溶液的浓度，混合液的浓度变化范围为3~60%。将配制好的Oxazina—1溶液以0.03~0.05%mol/g的比例加入到上述混合液中。

凹坑填充工艺

聚碳酸脂光盘的工作面是一个有许多0.5μm大小凹坑的平面，这些微小凹坑用液态单基聚合物或齐分子聚合物填充。当光线照射时，填充物变成硬的聚合物，聚合物填满凹坑后漫出，在介质表面形成了厚厚的一层聚合物，凹坑的聚合物厚度与介质表面聚合物厚度不同，科学家在研究填充凹坑的工艺中，首先需要解决填充凹坑所引起的溢流和对填充材料的选取，因此必须找到提供最大对比度的混合物。

结果

l具有CD密度的10层光盘已被实验证实，每层拥有650M字节。

l已实现上述要求。

l激光650nm，荧光峰值680nm。

l介质稳定，读取数据期间介质不老化。

l转换率大于90%。

l响应时间约1ns。

l饱和度1mw/cm²，大于读取功率强度。

1999年10月使用一台光盘播放机进行实验，实验表明：用每层不同的存储信息发射数字音频，噪声系数（SNR）优于36dB（1.5MHz，超过一个頻带），信号的不稳定性一般低于30nsec（例如CD盘）。

结论

运用C3D公司的多层荧光数据存储技术，可生产出小型、可移动、廉价、稳定、超高容量的数字存储光盘，该光盘具有超出1Gbit/sec的数字转换速度。该公司希望它所研究和发展的焦点在荧光学存储领域，并计划继续改善和扩大该项技术的性能和使用范围。运用荧光多层存储技术，通过实验成功地在实验室制作出了多层盘片和光盘样品，该方法已公开。作为行业领头人，C3D公司一直在大胆探索，并进行了这些光盘的工业化生产，同时将其变为公司主导产品