注：请勿转载，如有需求请与刊登的杂志社联系.

光存储的基本原理
－－－－－－－－

　　显然，光存储是与光有密切关系的。有一些介质在光线照射的情况下会发生一些物理的或者化学的变化，这些变化通常可使介质具有两种状态，这两种不同的状态可分别用来代表数据0和数据1，因此我们可以用这种介质作为数据存储介质。这里的光我们通常采用的是激光，激光具有单色性和相干性。如果将这种介质做成光盘的形式，另外我们对激光加以控制，进行精细聚焦，沿一定轨迹对光盘进行扫描，再通过一个光电接收头对光盘介质因激光照射而产生的反射、吸收或相移做出反应，从而完成了对光盘的读取、写入、擦除等操作。这个过程实际上是比较复杂的。下面我们将结合具体的光存储设备来分别讲述它们的工作原理。

光存储设备的硬件结构
－－－－－－－－－－

　　光存储设备都是利用光盘作为存储体，利用激光头来读写的，其硬件结构大致是相同的。

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图1 光存储设备的硬件结构示意图

一、光头部分

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图2 光头部分示意图

　　它包括产生激光的半导体激光器、光学聚焦系统、光电探测器组成。半导体激光器通电后会产生激光束，但由于它产生的激光束是比较杂乱的，需要通过光学系统进行整形、校直、聚焦后入射到光盘盘片上。激光束经盘片反射后沿原光路返回，经偏振分束器分离后经过透镜被四象限光电探测器接收到。从光电探测器可得到数据信号和伺服误差信号。系统会根据伺服误差信号来调整光头位置，使其精确聚焦。

二、控制处理电路

1.伺服系统

　　光盘的存储密度是非常高的，所以存储数据的轨迹之间的间隔非常小，例如CD-ROM的数据轨迹间隔为1.6微米，DVD-ROM间隔更小，为0.84微米。为了读取光盘上的数据，要求激光束必须精确聚焦，误差必须非常小，通常要求轴向误差小于1微米，径向误差小于0.1微米。为了达到这样高的精密程度，就需要伺服系统。

聚焦伺服系统
　　这个系统是要保证激光束的焦点准确的落在光盘盘片的平面上。

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图3 聚焦伺服反馈系统

　　聚焦伺服系统实际上是一个反馈网络。从光头的光电探测器检测到的除了数据信号外，还有一个伺服误差信号，这个信号经处理后会推动执行机构去改变聚焦透镜的位置，从而对激光束的聚焦位置进行调整。聚焦的好坏是一直在变化的，可能是盘片质量引起的，也可能是震动引起的，不过由于这种反馈调整是动态进行的，所以能够始终保持良好的聚焦，保证了读取数据的正确性和可靠性。

径向跟踪伺服系统
　　激光束要沿光盘上的数据轨迹运行才能读取到正确的数据，所以还需要一套径向的伺服系统。这是由伺服误差信号去控制直线电机，直线电机带着光头做径向的移动，从而动态跟踪光盘上的数据轨迹的。 　　径向跟踪伺服系统还有一个重要的功能就是寻道。寻道的过程是这样的，控制系统根据目标道与当前道的差值，计算出移动的方向和速度，然后控制电机加速，移到目标道附近时开始减速，一直到目标道后开始转为跟踪数据轨迹。光头在寻道移动的过程中，在经过每个道时都会输出一个脉冲，每检测到一个这样的脉冲，目标道与当前道的差值就会减1，当差值为0时，就到达了目标道的位置。寻道时间是光驱的一个重要参数。

2.主轴电机控制 　　提到主轴电机的控制，就需要先来看看关于光驱转速的几个概念。

　　CLV (Constant Linear Velocity)恒定线速度。线速度恒定的话，那么不管是内圈还是外圈，读取数据的速度就是恒定的，但这样就存在一个问题，就是主轴电机的转速是不均匀的一直在变化，这样会加快电机的磨损，并且不利于高速运转。

　　CAV (Constant Angular Velocity)恒定角速度。角速度恒定的话，就是主轴电机的转速恒定，这对提高转速很有帮助，但是这就导致了线速度的不一致，内圈的线速度比较小，外圈的线速度才能达到最大值。

　　PCAV (Partial Constant Angular Velocity)局部恒角速度。这种方式是融合了前两者的优点，它在内圈部分采用CLV恒定线速度方式，这样在内圈也能到达很高的读取速度；当光头的位置超出了一定的半径，主轴电机改为恒定角速度方式运转，以达到更高的速度。

　　TrueX 技术是采用多束平行的激光束同时读取平行的多条轨迹上的数据，这样可以在不提高主轴电机转速的情况下保证数据读取速度。

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图4 主轴电机控制电路框图

　　要实现上面的几种转速，就需要对主轴电机进行精确控制。主轴电机的转速以PWM脉宽调制方式控制，通过霍尔元件组成的码盘来检测转速。它们组成一个锁相环电路来控制主轴电机速度。由于霍尔元件的定位精度差，需要加入校正电路，一般采用数字校正方式，数字校正是利用单片机的随机存储和运算功能来实现误差校正的，它具有很大的灵活性，可以校正非线性，修正定位误差，实现快速最佳的控制。 3.解调、纠错

　　为了防止数据出错，光盘上的数据信息是经过调制的，当光头读取到这些数据信息后，就需要解调。由于光盘信道为低通信道，为了消除信号经过系统造成的失真，一般采用了EFM调制，对于光盘来说，要求两个1之间的0的个数在2到10之间，即每个凹坑和平面的长度被限制在3T到11T之间，这样既降低了码间的干扰，有保证了锁定时钟的提取。

　　光盘数据的读取过程中会存在各种随机的误差，它影响了最终数据的正确性，为了纠正这些错误，会在数据中加入效验码。通常使用的纠错方法叫做CIRS（交错里德－所罗门）码，它是在记录数据信息的同时，加入了特定的信息，使其满足特定的规则，在读取时，通过检验数据是否符合这种规则来发现错误并纠正它。

4.接口电路

　　这些存储设备都有一个与计算机进行通讯的接口，通常是IDE或者SCSI。关于接口部分请参考以前的文章。

光存储设备的种类
－－－－－－－－

　　光存储设备的种类很多，如果根据读写方式来分，可分为只读型、可擦写型，其中可擦写型又分为一次型写入的和可反复擦写的。 一、只读型的光存储设备

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图5 CD ROM照片

　　只读型的光存储设备通常指的是常见的CD-ROM驱动器和正在逐渐普及的DVD-ROM驱动器。二者的原理是一致的，不过DVD-ROM采用了一些新的技术提高了存储密度实现了更大的存储容量。

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图6 CD ROM光盘的数据表示方法

　　只读型的光盘其存储介质是金属薄膜，当激光照射在金属薄膜表面时，光线会发生反射。如果金属薄膜表面是平的，那么入射光线会全部反射回来，被接收头接收；如果金属薄膜表面是凹坑的话，那么入射光线会产生衍射，反射回接收头的光线只是入射光线的一部分，强度大大减弱。因此，对于接收头来说，可以根据接收到的光线的强弱来分别表示数据0和数据1。

　　只读型光盘是由金属母盘复制出来的，光盘上的金属凹坑是固定的，不会再发生改变，因此我们只能从这种光盘上读取数据，而不能将数据写入到光盘中。

　　CD-ROM以150K/s的传输速率为基准，更高传输速率的光驱则称为几X速。例如50X的光驱表示最高传输速率为150K/s X 50＝7500K/s。

关于CD-ROM的一些技术

1.减震技术 光驱的盘片总处于高速旋转之中，这就不可避免的带来了很大的震动，另一方面目前市面上的光盘盘片质量参差不齐，质量差的盘片在高速旋转过程中也会带来震动。而震动是会影响激光头的聚焦的，从而读取数据的正确性。所以CD-ROM的生产厂家采用了各种各样的技术以尽量减小震动。

ABS (Auto Balance System) 自动平衡系统
　　 这种技术用于对付密度不均匀或者偏心的盘片带来的震动，它是在片夹围绕主轴放置了一些钢珠，这些钢珠可围绕主轴自由滚动，当主轴转动时，钢珠在离心力的作用下均匀分布在主轴周围，如果盘片不均匀或者偏心，则离心力发生变化，钢珠在离心力作用下重新分布，保证盘片在转动中的稳定度。 DDSS (Double Dynamic Suspensory System)双层动态抗震悬吊系统
　　 这种技术主要针对主轴电机带来的震动。机芯部分不是直接用螺丝与外壳固定在一起的，而是通过橡皮垫或者弹簧等弹性材料与外壳相连的，机芯如同悬挂在空中一般。当主轴高速转动时，震动传到了整个机芯结构，而整个机芯的震动会传导到橡皮垫部分，橡皮垫则会吸收机芯的震动。

CSS (Coupling Suspension System)对等双悬挂减震系统
　　 这种技术是美达公司提出的，它与DDSS技术类似，只不过把双层悬吊系统变成了三层悬吊系统。降低震动的效果更好一些。

2.降噪技术
　　噪音主要是机械噪音和气流噪音。机械噪音可以通过精密的机械结构来避免，但是高速气流带来的噪音却不容易避免。

蜂巢降噪技术
这是NEC公司的技术，它是在金属外壳和机芯托盘支架之间设计了一些如同蜂巢一般的沟槽，光驱高速运作时会产生高速的气流，高速气流在这些“蜂巢”内来回盘旋，因此气流的速度得到减弱，从而达到降噪的目的。

气流导航技术
这是明基公司的技术，它通过模具的特殊加工，来改变高速气流的方向，降低气流的速度，以达到降低噪音的目的。

3.纠错技术

降速纠错
　　光驱的速度越快，震动就越大，光头的聚焦就越容易受到干扰，因此纠错能力也会下降。因此可以采用降低速度的方法来提高纠错能力。象华硕等光驱可以通过手动按键来减速。而明基的光驱采用了自动排档的技术，它是把盘片反射光的讯号经过芯片的程序判断，再通过调整伺服系统到达降速的目的，根据错误的程度，速度会自动调整。 软件纠错

　　NEC公司提出了这样一项技术，它通过对市面上各种盘片的分析，预先制定好最佳的读取方法，这个程序写在CD-ROM内部的一个芯片中，在实际工作中，程序会根据盘片自动调整硬件，达到最佳的纠错效果。

关于DVD ROM 的一些技术

　　DVD ROM在技术上与CD ROM非常类似，不过它采用的是波长为650的激光，这样它就能够读取密度更高的光盘。

　　DVD ROM的盘片分为单面单层、单面双层、双面单层和双面双层四种。无论是单层盘还是双层盘都是由两片盘基组成，每片盘基的厚度均为0.6mm，DVD光盘的厚度为1.2mm。

1.多功能光头

　　因为DVD盘片的特殊性，加之要兼容CD光盘，光头设计必须多功能化。由于不同厂商采用了不同的技术，所以形成了多种光头。
　　
单光头双波长：这种光头内部有两个半导体激光器，可以分别产生两种不同波长的激光束，但它们采用同一组透镜系统分别来读取CD光盘和DVD光盘。

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图7 单光头双波长

单光头单透镜：这种光头只有一个半导体激光器，一组透镜系统，但是它采用了全息透镜技术，这种透镜的中间部分为全息透镜，会对激光产生衍射形成可读取CD光盘的激光束，透镜的周围非全息透镜，不会对激光束产生衍射，未经衍射的激光束用于读取DVD光盘。另外一种单光头但透镜系统则是采用液晶光栅来改变聚焦的。

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图8 单光头单透镜

单光头双透镜：这种光头只有一个半导体激光器，但有两组透镜，可分别用于读取CD光盘和DVD光盘。透镜的切换是靠电磁铁来完成的。

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图9 单光头双透镜

双光头：系统采用了两个光头，一个CD的光头，一个DVD的光头，两个光头位于同一直线上，系统来选择启用那个光头。

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图10 双光头

2.精密伺服

　　DVD光盘的密度比起CD光盘大为提高，数据轨迹间距由1.6微米减小为0.74微米，扫描速度由1.2m/s提高到3.48m/s。因此要求有更小的循迹误差和更高的响应速度，它采用了更先进的DPD（差动相位检测）寻道方法。

3.编码、纠错

DVD ROM采用EFM＋编码调制，新的编码方案提高了编码的效率，但其他性能有所下降。
纠错方式采用RS-PC，纠错码(ECC)块长为16个记录扇区长度(38688个字节)，对应光道上82.5344mm长度；若原始误码率为10的负三次方，经纠错后，误码率可小于10的负20次方，远远低于计算机所需的误码率10的负12次方。　　

二、可擦写型光存储设备

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图11 CDR/RW照片

　　一次型写入的CD-R
　　它采用有机染料作为光盘介质。这种染料在一定功率的激光的照射下，会熔化蒸发，从而在盘片上形成凹坑，形成数据信息。因为这种反应是不可逆转的，所以这种盘片只能一次写入。

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图12 CD-R烧录原理示意图

　　CD-R光盘与普通CD-ROM完全兼容，可记录650M或更多的数据，加之成本极低，现在被广泛使用。

　　可反复擦写的CDRW
　　它采用相变型记录原理。光盘介质采用硫属化合物或金属合金，利用激光的热效应和光效应使介质发生相变，即介质在晶态和非晶态之间相互转变，这两种状态下，介质对光的反射率相差很大（晶态对光线的反射率大，非晶态对光线的反射率小），因而可以用来记录数据。又因为这种相变的过程是可逆的，所以这种光盘可反复擦写。

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图13 CDRW的读写时的激光功率脉宽示意图

　　CDRW的写入过程：是实现介质由晶态向非晶态的转变。根据变化的条件，利用一个功率密度很高，但脉宽很窄的激光脉冲聚焦在介质表面，会使介质的温度在刹那间超过熔点进入液态，液体快速冷却后变为非晶态。完成数据的写入。
　　CDRW的读取过程：这于普通的CD-ROM读取相似，是利用一低功率、短脉宽的激光束扫描介质，根据反射情况辨识数据。
　　CDRW的擦除过程：是实现介质由非晶态向晶态的转变。根据变化的条件，用一个中等功率的宽脉冲聚焦在介质表面，温度缓慢上升，完成非晶态向晶态的转变。

　　PD和DVD RAM

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图14 PD照片

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图15 DVD RAM照片

　　PD和DVD RAM都采用了相变技术。PD是松下公司推出的一种早期的可反复擦写光存储设备，由于种种原因，它没有普及开来。不过它的读写速度和寻道时间都要优于CDR/RW。同是松下公司推出的DVD RAM可以说是在PD基础上发展起来的，它采用DVD光盘为存储介质，实现了大容量反复擦写的可能。DVD RAM可兼容PD光盘。

　　磁光存储器MO

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图16 MO照片

　　MO也是光存储设备，但是它的原理不同于其他的光存储设备，它利用的是磁光效应。MO光盘的存储介质通常是稀土－钴合金或者稀土－铁合金。这种介质的磁化特性会随温度不同而变化。
　　MO的写入过程：光盘介质有一垂直于光盘表面的易磁化轴，在写数据之前，要用一个有一定强度的磁场对它进行初始磁化。让各个磁畴单元具有相同的磁化方向。写入数据时，要先用激光束照射介质表面，则激光束所照射的点，温度会升高，这一点会迅速退磁，这时我们通过磁头对该点施加一个反向的磁场，可以使它反向磁化，而周围的磁畴由于温度没有变化，矫顽力很强，所以并不会被反向磁化。这样的正向磁畴和反向磁畴就可代表数据了。
　　MO的读取过程：根据科尔效应，直线偏振光照射到MO光盘上不同极性的磁畴上时，如果磁畴极性是向上的，则直线偏振光反射回来时，其偏振方向会向右偏振一个角度；如果磁畴极性是向下的，则直线偏振光反射回来时，其偏振方向会向左偏振一个角度。那么如果我们将一个偏振片的偏振面放在与偏振方向向左偏振一个角度的垂直方向上，那么对于磁畴极性向下的情况，直线偏振光将无法反射回来，而另外一种情况光线却可以反射回来。这样就完成了数据的读取。
　　MO的擦除过程：这个过程与写入过程基本一样，只是当磁畴在光照下退磁后，磁头不是对它施加反向磁场，而是与其他磁畴相同的磁场，使磁畴极性恢复到原始状态，这样就完成了数据的擦除。　　

关于磁畴的补充说明

　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//图 磁畴示意图

　　在磁性材料内部，存在许多小的区域称为磁畴，在磁畴的内部，所有原子排列整齐，因而磁极性是相同的，但是不同的磁畴，它们的磁极性却是不同的。这样磁性相互抵消，整个材料不带磁性。如果将磁性材料置于一个磁场当中，磁场会使磁性材料内部的磁畴都具有相同的磁极性，这样磁性材料具备了磁性。如果将具有磁性的磁性材料置于高温中，那么当达到一定温度时，磁畴内部的原子会变的混乱无序，磁性相抵消，因而磁性材料的磁性消失，这个过程称为退磁。