光盘复制—蓝光光盘技术及进展

                                                                                                      作者：江涛

2002年2月19日，日本、欧洲、韩国的九家著名AV设备制造公司（9C）对使用蓝激光作为光源的新一代大容量光盘的基本规格“蓝光光盘”（Blu-rayDisc）达成了协议。2002年6月开始向有意签署使用授权合同的设备制造商及媒体制造商公布规格手册并提供使用授权合同。规格手册包括以下三册：
(1)系统描述可重写格式第一册基本格式规格
SystemDescriptionRewritableFormatpartBasicFor-matSpecifications
(2)系统描述可重写格式第二册文件系统规格
SystemDescriptionRewritableFormatpart2FileSystemSpecifications
(3)系统描述可重写格式第三册音像基本规格
SystemDescriptionRewritableFormatnpart3AudioVisualBasicSpecifications
要获取此次公布的规格手册，除了要签署名为“InformationAgreement”的保密合同之外，还需支付5000美元的规格手册费用。企业在与9C签订使用授权合同时，还需支付蓝光光盘的标识（logo）、专利（patent）以及运行提成（runningroyalty）费。
达成协议9家公司（9C）分别为：日立制作所、韩国LG电子、松下电器、先锋、飞利浦电子、韩国三星电子、夏普、索尼、法国汤姆孙多媒体。但是目前提任DVDForum理事长的公司——东芝没有出现在这一名单之中。
蓝光光盘采用波长为405nm的蓝紫激光器作为读写光源，特镜的数值孔径是0.85。蓝光光盘的直径是12cm，和现有的CD、DVD相同。光盘的厚度也是1.2cm，但它是由基片和0.1mm的透明保护层构成。为了防止盘片表面因指纹及灰尘等附着物引起误骊率增大，盘片放在盘盒中。一张光盘的单面单层容量是27GB。可记录2小时高分辨率数字视频图像。蓝光光盘采用MPEG-2编码数据流压缩技术，以与数字广播视频记录兼容。数据传输速率为36Mbps，约是DVD的三倍。此外还采用特有的ID写入，以实现高质量版权保护。蓝光光盘为高质量音频、视频和数据存取提供了使用方便的技术平台，是宽带时代信息发行多样化的重要产品。
蓝光光盘的主要技术规格如下：
单面单层容量：27G
激光波长：405nm
数值孔径：0.85
数据传输速率：36Mbps(1x)
光盘直径：120mm
光盘厚度：1.2mm
透明保护层厚度：0.1mm
记录机制：相变记录（可重写光盘）；烧蚀或合金化（一次写入光盘）
记录方式：槽内记录
轨道节距：0.32um
最短凹坑长度：0.138um
记录密度：19.5Gbit/in2
视频记录格式：MPEG-2视频
音频记录格式：AC3，MPEG-1，Layer2,etc.
视、音频格式：MPEG-2编码数据流
盘盒尺寸：129×131×7mm
围绕蓝光光盘技术，世界各国的光存储企业集团和研究机构提出了各种技术方案，进行了激烈的竞争。在光盘结构方面，有采用0.1mm覆盖层的结构，有考虑与现有DVD兼容的由两片厚度为0.6mm基片粘合而成的结构，有作为两者折衷方案的粘合0.3-0.4mm基片的结构。2001年以后，9家公司进行了多次磋商，统一为采用0.1mm覆盖层结构。东芝公司仍决定坚持由两片厚度为0.6mm覆盖层结构。东芝公司仍决定坚持由两片厚度为0.6mm基片粘合面成的结构，并使用数值孔径为0.65的物镜来读/写数据。东芝认为这种结构的优点除了易于保持与DVD的兼容性外，还便于继续命名用现有DVD光盘的生产设备，有利于扩大光盘和物镜之间的工作距离，不需要光盘盒等。但是为了控制由光盘翘曲造成的影响，读/写光学头必须有倾斜伺服。0.1mm覆盖层结构由于对倾斜角的容差较大，因此不需要倾斜伺服。但是由于0.1mm覆盖层的厚度误差会引起球面像差，因此必须嵌入补偿装置。在光盘记录方式方面，主要有槽内(ingroove)记录和槽岩（land-groove）记录两种方式。9家公司最后统一的规格是在槽内记录。槽内记录的优热在于：能够较容易实现只读光盘和可录光盘之间的兼容性，使光学头简单化，省略了糟岸间的切换等。东芝公司坚持槽岩记录方式，认为槽内记录方式面临着27GB容量极限，东芝采用槽岸记录方式达到了单面容量30GB，这种光盘也能做成双面记录的光盘。在寻址方式方面，飞利浦和索尼曾经提出MSK（最小频移键控），MSK方式的优点是它的信噪比较高，适用于获取地址信息。松下电器则独自提出了STW（锯齿摆动）方式，STW方式的优点是类似轨道跳跃（TrackJump）那样的摆动沟槽转换。蓝光光盘标准融合了两种方式的优点，采用由MSK（最小频移键控）方式和STW（锯齿摆动）方式组合而成的摆动寻址方式。蓝光光盘的地址信息的基本单位被称为ADIP（预刻槽地址），一个单位存储ibit地址信息。每个ADIP由56个沟槽摆动构成。在这56个摆动中，利用MSK和STW两种方式来嵌入上述的1bit地址信息。56个摆动可分为利用MSK方式调制的区域和利用STW方式调制的区域，前者通过MSK方式调制来确定摆动沟槽位置、后者则是利用STW方式的“锯齿”方向来判断“0”、“1”信息。该寻址方式提高了地址信号读取时的翘典裕度（TiltMargin）和聚集误差容许度。
目前蓝光光盘技术规格制定完毕，各大公司正在继续开发产品量产工艺技术，记录材料，双层光盘的制造工艺和如何提高记录速度。应用在PC数据存储和高分辨率视频录像等方面的各种蓝光光盘的新一代产品也正在研发中。
索尼开发成功的支持了Blu-ray规格的新一代记录播放设备的小型激光头模块。激光头模块中嵌入了蓝紫半导体激光器、光电探测器（PDIC）、偏振棱镜（PolarizingPrism）、偏光反射镜（PolarizingMirror）、衍射光栅（DiffractionRating）、柱面透镜（CylindricalLens）、全息光学元件和半波片(Half-wavePlate)。新一代产品的开发目标除了平放型录像机所要求的小型激光头外，还包括可安装到笔记本电脑等便携式终端中的记录播放光驱。目前第一代产品的技术开发已经完成，相关技术已经移交给产品开发部门。半导体激光器由索尼白石半导体公司生产。该半导体激光器的耗电量较大，相当于MD磁场光盘使用的近红外半导体激光器的3倍左右。此次试制出的激光头模块的激光利用交率非常低，仅12%左右。
日立制作所发表了新一代光盘球面像差修正元件的研究成果。该公司尝试将这一元件嵌入到记录播放光驱中，并减小了像差修正元件各组成部分的尺寸，为此日立开发出了嵌入有半导体激光器与光检测器的集成元件。
索尼公开了两项有关新一代DVD光盘母盘制作的关键技术：（1）不需要大型真空室的电子束刻录技术；（2）采用蓝紫激光和物镜数值孔径（NA）为0.95的激光刻录技术，以及采用真空阴极喷镀的感光镀膜技术。这两种方法的特点都是能够缩短母盘制作时间，主要目的为提供只读蓝光光盘母盘制作的量产技术。索尼公司母盘刻录的线速度已达到约5m/s，制作一张25GB光盘只需要2h左右。
理光正在致力于提高可重写型双层光盘的记录速度。理光的记录膜材料的组成与单面单层高速记录光盘相适应，采用了在第1记录层下设置薄Ag合金与厚AIN的散热结构。目前播放信号的抖晃（jitter）略高；第1记录层在记录速度为85Mbit/s时为12%左右，100Mbit/s时为17%左右，已经确认可以实现高速记录。
索尼和德国拜耳（BayerAG）共同发表了使用有机染料作为记录膜的Blu-ray规格一次写入光盘。采用槽内（ingroove）记录方式，轨道间距为0.32μm。记录膜被ZnS-SiO2保护膜夹在中间。有机染料通过蒸镀成膜。目前正在研究使用旋涂方法成膜。由于只需使用记录膜本身的反射率便可符合Blu-ray规格的反射率要求，省略了通常在记录膜下方制备金属反射膜的工艺，简化了膜系结构。
TDK发表了Blu-ray规格一次写入光盘的开发成果。TDK在记录膜的选择方面充分考虑到环保问题，选择硅铜合金作为记录膜，激光照射使记录点处于高温状态后，硅和铜就会熔解，冷却后形成合金，反射率就随之变化。该记录材料位于ZnS-SiO2的保护层中间。未记录时的反射率为13.5%，符合Blu-ray规格中有关可重写型光盘规格所确定的范围。另外记录材料价格便宜，可以满足光盘生产中不可缺少的“低成本”条件。公司首先试制了25GB光盘，并对该光盘进行了相当于Blu-rayDisc规格中标准速度36Mbit/s和蔼倍速72Mbit/s的评测。结果表明，在这两种速度下记录信号的抖晃均能控制在7%cgh.
先科发表了按照blu-rayDisc规格的一次写入光盘技术。先锋试制的光盘具有如下3个特点：1）与可重写型光盘具有较高的兼容性。记录膜的反射率及调制范围等与可重写型光盘相同，而且记录方式及轨道间距等物理参数等也相同。2）选择了对环境影响较小的材料作为记录膜。即采用了Bi-Ge(铋锗)合金。在厚度为1.1mm的聚碳酸酯盘基上使用Ag合金形成反射膜之后，用记录膜的保护层ZnS-SiO2将Bi-Ge合金膜夹在中间，Bi-Ge合金膜用磁控溅射方法制备，然后再粘上厚度为0.1mm的覆盖层。3）该光盘支持Blu-rayDisc规格的2倍速72Mbit/s记录，当然也支持1倍速记录。该公司试制了容量分别为23.3GB与此25GB的两种光盘。
TDK发表了不需要光盘盒的Blu-ray光盘硬膜（HardCoat）技术。其结构是先在厚度1.1mm光盘盘基的记录膜上形成一个厚度为98μm的覆盖层，然后在覆盖层上再覆盖一层厚度2μm的保护层。覆盖层和保护层均采用紫外光固化树脂，但在保护层中加入了线度不足20nm的二氧化硅粒子，其特点是不但维持了原有的透光率，而且还提高了硬度。试验表明该硬膜技术已经足以达到实用水平。但在抗污性方面，如果弄上指纹以后，测试到播放信号的抖晃有时会超过10%，公司已尼将它定为今后需要解决一个课题。
飞利浦电子发表了便携终端的小型光盘技术细节。小型光盘的直径为3cm，单面单层记录容量为1GB。通过使用由蓝紫激光光源和数值孔径（NA）为0.85的物镜组合而成的光学系统，把面记录密度提高到了12.56Gbit/in2。轨道间距为350nm,信道位(channelbit)长度为80nm。光盘结构也和Blu0rayDisc光盘相同，在厚度1.1mm的底板上设置厚度0.1mm的覆盖层。不过飞利浦希望将来把光盘做得比现在还薄，以便放到光盘盒里。随着光盘的小型化，光学零部件也采取了小型化设计。物镜两枚一组，直径非常小，仅1.3mm。物镜用2P（光致聚合）法制作，两种物镜的重量分别为6.8mg和4.3mg。
蓝光光盘技术的开发已近尾声，预期在2003年将有正式产品上市。下一代TB量级的大容量光盘存储技术研究的角逐已经开始，超高密度的多波长、多阶、多层光盘存储、扫描探针显微技术、固体浸没透镜技术、近场光学记录、全息数据光盘存储、磁放大磁光系统等项目已成为各国竞相投入的热门项目。相信在未来两、三年内将会有一批成果涌现。光盘存储技术又会走上一个新的台阶。