用于藍寶石長時光盤的光學信息讀取系統

付明磊 +徐武超 +樂孜純

摘要：

藍寶石材料具有高度力學和化學穩定性，因此以藍寶石作為襯底的光盤是實現長時數據存儲的有效解決方案。但是，由于單晶藍寶石材料具有明顯的各向異性，當掃描光束入射到單晶藍寶石基底表面時會發生雙折射，從而使標準的CD讀取系統對藍寶石光盤失效。針對藍寶石材料這一特性，建立了光束在單晶藍寶石襯底中傳輸的物理模型，提出采用石英補償板來補償藍寶石襯底像差的補償機制。進行了數據讀取實驗，結果表明，采用所述像差補償方法能夠顯著提高藍寶石光盤光學信息讀取系統的讀取性能。

關鍵詞：

光學數據存儲； 藍寶石光盤； 長時數據存儲； 像差補償

中圖分類號： TN 249文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.011

Abstract：

An optical disc using sapphire substrate is considered as an effective solution for achieving longterm data storage attributing to its high mechanical and chemical stability. The birefringence in single crystal sapphire causes optical aberration which makes failure occur during reading information from the disc. The propagation of the focused laser beam throughout a sapphire disc has been analyzed. The method of compensating aberrations resulting from reading data from a uniaxial birefringent medium is developed by using a quartz compensating plate. A data reading experiment is conducted. The results show that the proposed aberration compensation method significantly improves the performance of information reading system for sapphire discs.

Keywords：

optical data storage； sapphire optical disc； longterm data storage； aberration compensation

引言

隨著云存儲和高速互聯網等技術的發展，光盤的使用量逐年減少。然而，光盤在歸檔數據存儲領域依然會占據較大優勢[14]，并且未來光盤將主要應用于數據長期存儲領域[56]。但是，由于構成光盤的聚碳酸酯（PC）材料的熱穩定性低，且金屬層對這種材料基底的粘附能力弱，目前的光盤不能滿足長時數據存儲所需的可靠性和數據存儲時效等需求。為了解決上述技術難題，國內外研究者們嘗試了多種技術方案。這些方案的共性是選用穩定性高的材料作為記錄媒質或基底[7]，如金屬陶瓷[8]、石英[4]、鎢[9]、藍寶石[10]等。單晶藍寶石材料在物理性質和化學性質方面均有突出的優勢。比如，它具有9級表面硬度（金剛石10級）、高達2 300 K的熔點等。因此，采用單晶藍寶石材料制作的光盤具有抗磨損擦傷、防火、防化學腐蝕、防紫外線輻射等優異性能。

國內外研究者們對長時數據存儲光盤的記錄材料進行了較充分的研究，但是對用于長時數據存儲光盤的數據讀取系統方面的研究較少。雖然單晶藍寶石具有高度力學、化學和熱穩定性，但是由于單晶藍寶石材料存在明顯的各向異性，因此當掃描激光束入射到這種材料中時，會發生雙折射現象，從而造成掃描光束畸形失真，產生像差。由于標準的光盤（CD）讀取系統只能對球差進行補償，而對這種由于材料各向異性引起的像散像差則不具備補償能力，因此在采用這種標準CD讀取系統對藍寶石光盤進行數據讀取時，很容易面臨失效問題。

為了解決標準CD讀取系統讀取藍寶石光盤時的失效問題，本文建立了光束在單晶藍寶石襯底中傳輸的物理模型，提出采用石英補償板用于補償藍寶石襯底像差的機制。使用所述像差補償方法，設計了一套基于藍寶石光盤的光學信息讀取系統，并進行了數據讀取實驗，結果表明該讀取系統能夠有效地補償藍寶石襯底像差。

1單晶藍寶石襯底中的光束傳播問題

如圖1所示，假定晶體的光軸方向正交于襯底表面，且讀取過程由指定格式[光盤格式（CD）、數字化通用磁盤格式（DVD）、藍光格式（BD）]光學器件的標準物鏡完成。當一束掃描激光經過物鏡聚焦后照射到單晶藍寶石襯底表面時，會發生雙折射現象，一束光分成兩束具有不同折射率的偏振光[11]：尋常光（o光）和非尋常光（e光）。其中o光遵循普通的折射定律，傳播速度是與傳播方向無關的常量；e光則不遵守普通的折射定律，傳播速度是與傳播方向有關的變量。當且僅當光束沿光軸方向傳播時，e光的傳播速度才與o光相等，此時不發生雙折射現象。圖1中由于入射光不沿光軸方向，所以入射到藍寶石襯底表面的光束會發生雙折射現象。標準的光學物鏡只能對球差進行補償，而對這種由于材料各向異性引起的雙折射現象不具備補償能力。

式中：H為襯底的厚度；Δn為尋常光與非尋常光的折射率之差（Δn=no-ne，雙折射率）。在使用光學系統進行光盤數據讀取時，一般要求聚焦光束必須是衍射受限的[12]，這就對藍寶石襯底各向異性的程度（即雙折射率）提出了要求。通過對光斑中心處光強的仿真，可以得到CD、DVD和BD等格式光盤對Δn大小的限制。仿真結果見表1。

表1中，Max Δn代表衍射受限光學系統中允許的最大折射率偏差，對于不同類型的光盤有不同的取值；Δn （藍寶石）為藍寶石的雙折射率。由表中的數據可以看出，在不考慮像差補償的情況下，任何類型的光盤都不能直接采用光軸與媒質表面正交的藍寶石作為襯底，這是因為藍寶石襯底的Δn超出了讀取系統允許的最大折射率偏差。

3實驗結果及分析

依照所述像差補償機制，設計了一套如圖3所示的藍寶石光盤光學信息讀取系統。為對所述光學系統進行測試，選用波長405 nm、最大功率100 mW的單模半導體激光器QLD405100S作為相干光源。測試用的藍寶石光盤具有0.7 mm襯底層厚度和80 mm直徑，其信息層采用高強度激光刻蝕而成。在進行數據讀取實驗時，激光束由激光二極管發出，依次經過衍射光柵、偏振分束器、1/4波片、聚焦物鏡、石英補償板和藍寶石襯底層，最終會聚在光盤信息層的微結構表面。

對標準光學讀取系統所做的修改主要在于固定了一片石英補償板，且所采用的石英補償板光軸正交于石英表面。補償板尺寸為5 mm×5 mm×0.5 mm，與物鏡膠合。補償板采用單軸單晶材料制成，能夠對s偏振光與p偏振光的光路進行補償，最終使它們會聚在同一焦平面。測試結果如圖4所示。

由圖4可知，采用石英補償板對藍寶石襯底的像差進行補償后，可以獲得清晰的圖像，而未使用石英補償板獲得的圖像則較為模糊。實驗結果證明所述像差補償方法具有較好的像差補償作用。

需要注意的是，提出的像差補償方法僅適用于單軸雙折射晶體，若襯底材料的各向異性超出了單軸雙折射的范疇，所述像差補償方法就會存在不確定性。此外，單晶軸的方向應平行于光度頭的方向，這樣可以保證光盤轉動時對應的需要補償的像差始終是一個常量。

4結論

本文分析了聚焦激光束通過光軸與介質表面正交的透明單晶時，由材料各向異性引起的雙折射現象及其對襯底層像差產生的影響，建立了光束在單晶藍寶石襯底中傳輸的物理模型。重點提出了采用石英補償板用于補償藍寶石襯底像差的補償機制，并進一步確定了藍寶石光盤及所述石英補償板的結構參數。實驗結果表明，采用所述像差補償方法能夠有效消除藍寶石襯底層材料各向異性所引起的像差。

藍寶石光盤在長時數據存儲中的優異性能使其在歸檔數據存儲領域具有廣闊的應用前景。本文提出的光學信息讀取系統結構簡單，所采用的石英補償板價格便宜，便于藍寶石光盤及其讀取系統的推廣。在未來工作中，我們將進一步優化系統的結構參數，提高系統的讀取性能。

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