光存储器原理

光存储原理在光存储技术中，利用光盘上的凹坑或变性来保存数据，用带激光头的光驱来读写数据。

光盘用带金属反射层的塑料聚合物制成，轻便又结实，而且防磁、防水和防摔。

为了充分利用盘面空间，光盘采用了螺旋线光道和恒定线速度电机，这与采用同心环磁道和恒定角速度电机的普通磁盘有着很大的不同。

为了能正确并有效地读取光盘中的数据，在光盘的数据存储上，采用了位调制型通道编码和错误检测与校正技术。

只读型光盘采用母盘压制的方法来进行批量生产；一次性刻录盘（±R）和可反复擦写盘（±RW）则采用激光加热相变的方法，来改变介质的光反射率，达到擦写数据的目的。

CD、DVD和BD与HD DVD等光盘，都采用了同样的光存储原理，只是它们所用的激光波长不同，在具体的参数和技术细节上也有所差别。

2.1 光盘工作原理CD、DVD、HD DVD和BD等光盘（Optical disc），都采用了类似的盘片与光道结构，以及数据表示与读写方法。

l盘片结构与读取（只读）光盘主要由保护层、反射激光的（铝、银、金等）金属反射层、刻槽层和（聚碳酸脂）塑料基衬垫组成。

光盘的外径一般为120毫米（4.75英寸）（也有80 毫米即3.15英寸外径的小型盘片）、内径15毫米、厚1.2毫米，重量为14克～18克。

CD-DA（激光唱盘）分3个区：导入区、导出区和声音数据记录区，如光盘在驱动马达的带动下高速旋转，光头发射的激光束经透明的塑料基后被金属反射层反射，反射的光经棱镜分光后被光头所接收。

存储的数据用光盘刻槽层上的凹坑（pit）和岸台（land）表示，光驱利用坑台交界处反射光强的突变来读取数据。

l光道结构光盘光道的结构与磁盘磁道的结构不同：磁盘存放数据的磁道是多个同心环，而光盘的光道则是一条螺旋线（CD盘的光道长度大约为5公里。

磁盘片转动的角速度是恒定的，通常用CAV (Constant Angular Velocity，恒定角速度)表示。

但在不同的磁道上，磁头相对于磁道的速度(称为线速度)是不同的。

采用同心环磁道的好处之一是控制简单，便于随机存取。

但由于内外磁道的记录密度(比特/每英寸)不相同，外磁道的记录密度低，内磁道的记录密度高，外磁道的存储空间就没有得到充分利用，因而存储器没有达到应有的存储容量。

光盘转动的角速度在光盘的内外区是不同的，而它的线速度是恒定的，就是光头相对于盘片运动的线速度是恒定的，通常用CLV(Constant Linear Velocity，恒定线速度)表示。

由于采用了恒定线速度，所以内外光道的记录密度(比特数/每英寸)可以做到一样，这样盘片就得到充分利用，可以达到它应有的数据存储容量。

但随机存储特性变得较差，控制也比较复杂（从CAV到CLV，业界花了30多年的时间才得以实现）。

l数据的表示和读写1．数据表示磁盘利用磁铁的两个极性(南极和北极)来记录“1”和“0”这种二进制数据，使用磁头来读取数据。

光盘则是利用在盘上压制凹坑的机械办法，利用凹坑的边缘来记录“1”、而用凹坑和岸台的平坦部分记录“0”，使用激光来读出。

附注：除了普通的光盘外，还有磁光盘(Magneto Optical Disc，MOD)和相变光盘(Phase Change Disc，PCD)，它们记录和读写数据的方式与普通光盘不同。

MOD利用磁的记忆特性，借助激光来写入和读出数据；PCD则是利用一些特殊的材料，这些材料在激光加热前后的反射率不同，利用它们的反射率不同来记忆“1”和“0”。

使用磁盘驱动器时，既可以把数据写入到盘上，又可以从盘上读出数据；磁光盘和相变光盘也同样具有写入和读出两个功能，而且可以在同一台驱动器上完成。

可是只读光盘，则只能读光盘上的数据，而不能自己把数据写到光盘上。

当然，我们也可以利用光盘刻录机和-R/RW型光盘来一次性写入/反复擦写数据。

2．数据写入只读型光盘（如CD-DA、CD-ROM、DVD-Video、DVD-ROM等）上的数据是用压模(stamper)冲压而成的，而压模是用原版的主盘(master disc)制成的。

在制作原版盘时，是用编码后的二进制数据去调制聚焦激光束，如果写入的数据为“0”，就不让激光束通过，写入“1”时，就让激光束通过，或者相反。

在制作原版盘的玻璃盘上涂有感光胶，曝了光的地方经化学处理后就形成凹坑，没有曝光的地方保持原样，二进制信息就以这样的形式刻录在原版盘上。

在经过化学处理后的玻璃盘表面上镀一层金属，用这种盘去制作母盘(mother disc)，然后用母盘制作压模，再用压模去大批量复制。

成千上万的CD盘就是用压模压出来的，所以价格才这样便宜（一般一张盘的生产成本才几角钱，当然版权费除外）。

对刻录盘的数据读写原理，将在后面的18.2.5中介绍。

3．数据读出光盘上的数据要用光驱来阅读。

光驱由光学读出头、光学读出头驱动机构、光盘驱动机构、控制线路以及处理光学读出头读出信号的电子线路等组成。

光学读出头是光盘系统的核心部件之一，它由光电检测器、透镜、激光束分离器、激光器等元件组成，它的结构如图18-15所示。

激光器（一般采用激光二极管）发出的激光经过几个透镜聚焦后到达光盘，从光盘上反射回来的激光束沿原来的光路返回，到达激光束分离器后反射到光电二极管检测器，由其把光信号变成电信号，再经过电子线路处理后还原成原来的二进制数据。

光盘上压制了许多凹坑，激光束在跨越凹坑的边缘时，反射的光的强度有突变，光盘就是利用这个极其简单的原理来区分“1”和“0”的。

凹坑的边缘代表“1”，凹坑和岸台的平坦部分代表“0”，一定长度的凹坑和岸台都代表着若干个“0”。

从图中可以看到，光驱在工作时，光学读出头与盘之间是不接触的，因此不必担心光头和盘之间的磨损问题。

但是光盘与光头之间的缝隙是有要求的，如果盘面不平和倾斜，轻者会导致数据读取错误，重者会损坏光头。

l双面和多层CD是单层单面的，为了提高存储容量，除了缩短激光波长，增加盘面的数据密度外，DVD（双层）、HD DVD（三层）和BD（8层）光盘都采用了双面和多层技术。

使用盘片的两个面来记录数据，以及在一个面上制作好几个记录层，这无疑会大大增加光盘的容量。

在IBM工作的科学家，于1994年就声称他们能够制作10层的盘片。

为了从最里面的记录层反射回足够强的光，可采用一种称为CLC(cholesteric liquid crystal胆甾型液晶)的记录媒体。

常规的CD盘只使用一个面，并且只制作一个记录层来记录信息。

DVD光盘率先采用了单面双层、双面单层和双面双层的光盘结构。

单面双层光盘的结构如图18-18所示，其（数据面）表层称为第0层，里层称为第1层。

第0层采用了一种新型半透明(semi-transmissive)薄膜涂层，可让激光束透过表层到达第1层。

开始工作时，激光束首先在第1层上聚焦和光道定位。

当从第0层上读出信息过渡到从第1层上读出信息时，激光读出头的激光束立即重新聚焦，电子线路中的缓冲存储器可确保从第0层到第1层的平稳过渡，而不会使信息中断。

单面单层DVD盘的容量为4.7 GB（DVD-5）、单面双层DVD盘的容量为8.5 GB（DVD-9）、双面单层DVD盘的容量为9.4GB（DVD-10）、而双面双层DVD盘的容量可达到17 GB（DVD-18）。

不过由于制作成本和使用不便等原因，市面上很少有双面的DVD盘销售，而DVD-18盘则更是从未被生产过。

l光盘转速2.2 只读光盘制作各种只读光盘（如CD-DA、VCD、CD-ROM，DVD、DVD-Audio、DVD-ROM等）的制作过程都相同，大致分成如下三个阶段。

1．原版盘预制作原版盘预制作(Premastering)，或者称为母盘预制作。

对于音乐盘，把制作好的音乐节目转换成标准的CD-DA 或DVD-Audio格式；而对于视频盘，把影视节目转换成VCD/DVD标准记录格式，这个过程也叫做预处理。

具体的格式在彩皮书和Book A~C中有详细说明，这项工作通常是由软件来完成，这种软件称为转换软件，或者称为编码器(Encoder)。

2．原版盘制作原版盘制作(Mastering)，或者称为母盘制作。

原版盘制作包括：(1) 把符合音视频光盘标准格式的数据经过一个EFM或EFM+编码器变成串行数据流，也就是前面介绍过的8到14调制，意思是把一个8比特的数据变成14比特的数据，再附加3或2比特用来分隔，以改善读/写信号的质量，这样8比特的并行数据就转换成物理通道上的17或16比特串行数据。

(2) 把一片涂有光敏电阻的玻璃盘在旋转平台上进行光刻。

参看图18-19，激光源发出的激光束通过激光调制器时受到串行数据的控制，例如，数据“0”就不让激光束通过，光敏电阻就不曝光；数据“1”就让激光束通过，光敏电阻就曝光，这样在玻璃盘上就形成长短不同的曝光区和非曝光区。

激光调制器犹如一个开关。

(3) 对光刻的玻璃盘进行化学处理，盘上曝了光的区域被腐蚀掉形成凹坑，没有曝光的区域就被保留下来，“0”、“1”信号就以凹坑和非凹坑的形式记录在螺旋形光道上。

(4) 对经过化学处理的玻璃盘进行化学电镀生成金属原版盘，称为父盘(father disc)，通过父盘再制作母盘(mother disc)，然后由母盘制作出子盘(son disc)，子盘就是压模(stamper)。

3．大批量复制只读光盘的盘基是用聚碳酸脂塑料做的，因此大多数大批量复制设备是用塑料注射成型机。

聚碳酸脂加热之后注入盘模里，压模就把它上面的数据压制到正在冷却的塑料盘上，然后在盘上溅射一层铝，用于读出数据时反射激光束，最后涂一层保护漆和印制标牌。

对于多层只读光盘（如DVD-9和多层BD、HD DVD等），还要添加各层之间的粘贴步骤。

除了只能读不能写的只读型-ROM（Read-Only Memory，只读存储器）光盘外，还有可写一次-R(Recordable，可记录)与反复擦写-RW (ReWritable，可重写)的光盘。

它们除了可以被读取之外，还都能够写入数据。

CD-R/DVD±R与CD-RW//DVD±RW之间的差别是：±R只能写一次，不能擦掉后重写；而±RW则可以反复擦写。

其实在±R与±RW出现之前，已经有另一种可擦写光盘技术问世，它就是CD-MO，类似的技术还有DVD-RAM，BD也有磁光盘。

CD光盘技术的橙皮书(Orange Book)标准定义了具有多段(multisession)刻写能力的可记录光盘CD-Recordable。

其第一部分定义了可重写的磁光盘CD-MO (Magneto Optical)、第二部分定义了写一次的光盘CD-WO(Write Once)（现在一般改称为CD-R）、第三部分则定义了可重写光盘CD-RW (Rewritable)。