光学数据存储的方法和系统的制作方法

光学数据存储的方法和系统的制作方法
【专利摘要】用于记录并且获取光学可读数据的方法和设备采用记录介质(100)，该记录介质(100)包括能够在存在具有第一特性(诸如，第一光学频率)的光学辐射时诱导介质的性质变化的光学活性材料(108)，并且其中，性质变化可以由具有第二特性(诸如，第二光学频率)的光学辐射来抑制。在记录期间，记录介质(100)的区域用具有第一特性的第一束(506)光学辐射来照射，该束在所照射区域的中心部分内具有引起记录介质的性质的光学诱导变化的足够强度和足够持续时间。同时，用具有第二特性的第二束(508)光学辐射来照射记录介质(100)的该区域，第二束在所照射区域的中心部分内具有局部强度最小值，并且在所照射区域的邻近中心部分的至少一部分中具有足以抑制记录介质的性质的光学诱导变化的局部强度最大值。类似方法被用于获取，然而，降低第一束(506)的强度以防止记录介质(100)内的材料性质的变化。
【专利说明】
光学数据存储的方法和系统
技术领域
[0001] 本发明设及基于利用合适记录介质的物理性质使用光场(例如，激光)记录并且获 取(retrieve)信息的类型的数据存储系统。本发明更特别地设及适于在大型数据中屯、等中 使用的非常高密度的存储系统。
【背景技术】
[0002] 光学存储媒体是W光学可读方式存储数据使得可W例如由集成在拾音器 (pickup)中的激光器和光检测器来读取数据的媒体。当代商业光学存储媒体包括单层和双 层DVDW及蓝光光盘，其中，记录和回放基于控制或检测从介质（即，光盘）内的反射层返回 的光。在运些单层和双层DVDW及蓝光光盘中，最高数据存储容量由双层蓝光光盘来实现， 双层蓝光光盘可W包含多达大约50千兆字节的信息。然而，例如在非常大的数据中屯、中的 新兴应用在未来将要求甚至更高密度存储，W最小化数据存储所要求的物理空间W及用于 维护并操作运种数据中屯、的能量要求。
[0003] 用于增加存储密度的一种技术是利用存储介质的所有Ξ个维度（即，通过在介质 内在不同深度处存储附加数据）。双层DVD和蓝光光盘是该技术的示例，并且允许数据在两 个离散记录层中的独立存储，两个离散记录层被层压在圆盘结构内且通过调整激光束焦点 被存取。可该方式结合到记录介质中的不连续层的数量受物理特性（例如，重量和厚 度)限制，并且深度维度中的数据密度还受层的物理间距限制。
[0004] 用于增加存储密度的第二种技术是改进存储系统的光学分辨率。按照惯例，光学 数据存储的分辨率受光的衍射性质限制。较高密度可W通过增加光学器件的数值孔径或减 小用于写入/读取的光源的波长(即，增加频率)来实现。然而，在任何情况下，难W形成小于 写入束的一半波长的记录特征尺寸，或相反地难W检测小于读取束的一半波长的特征。
[0005] 近来，已经开发了采用写入束的特殊偏振状态或物镜的后孔径处的瞳孔函数被切 趾(apodise)的远场超分辨率记录方法。然而，运些方法不能实现50纳米W下的分辨率。另 夕h使用运些方法的位顺序记录本质上很慢，并且因此，限制数据吞吐量。
[0006] 因此，用于超高密度光学数据存储的最期望特性是用于记录和再现的高光学分辨 率(利用块状记录介质的所有Ξ个维度的能力（即，不需要由不同材料层压单独的离散记录 层））和高数据吞吐量。存在对能够跨运些关键准则实现优越性能的改进光学数据存储方法 和系统的持续需要。

【发明内容】

[0007] 在一个方面中，本发明提供了一种记录光学可读数据的方法，所述方法采用所提 供的记录介质，该记录介质包括能够在存在具有第一特性的光学福射时诱导所述介质的性 质变化的光学活性材料，并且其中，所述性质变化能够由具有第二特性的光学福射来抑制， 所述方法包括：
[000引用具有所述第一特性的第一束光学福射照射所述记录介质的区域，所述束在所照 射区域的中屯、部分内具有引起所述记录介质的性质的光学诱导变化的足够强度和足够持 续时间；W及
[0009] 同时用具有所述第二特性的第二束光学福射来照射所述记录介质的所述区域，所 述第二束在所照射区域的所述中屯、部分内具有局部强度最小值，并且在所照射区域的邻近 中屯、部分的至少一部分中具有足W抑制所述记录介质的所述性质的光学诱导变化的局部 强度最大值。
[0010] 本发明的实施方式有利地能够通过抑制由第一束的中屯、斑周围的第二束光学福 射限定的区域中的记录介质的性质变化来实现超过通常衍射极限的增强分辨率。结果是表 示所存储的信息状态的记录介质中的性质变化，该性质变化小于将在仅第一束的衍射极限 处实现的性质变化，即，结果是更高分辨率。
[0011] 在另一个方面中，本发明提供了一种光学地读取存储在记录介质中的数据的方 法，记录介质包括与所记录的数据对应的所述介质的性质变化在一个或更多个区域中已被 诱导的光学活性材料，其中，性质变化可经由所述介质对具有第一特性的光学福射的响应 来检测，并且其中，所述介质的所述响应可W由具有第二特性的光学福射来抑制，所述方法 包括：
[0012] 用具有所述第一特性的第一束光学福射照射所述记录介质的区域，所述第一束在 所照射区域的中屯、部分内具有引起所述响应的足够强度和足够持续时间，但是不具有引起 所述记录介质的性质的光学诱导变化的足够强度和持续时间；
[0013] 同时用具有所述第二特性的第二束光学福射来照射所述记录介质的所述区域，所 述第二束在所照射区域的所述中屯、部分内具有局部强度最小值，并且在所照射区域的邻近 所述中屯、部分的至少一部分中具有足W抑制所述介质对所述第一束光学福射的所述响应 的局部强度最大值；W及
[0014] 检测所述介质在所照射区域的所述中屯、部分内是否呈现对所述第一束光学福射 的所述响应。
[0015] 与本发明的记录方面相同，读取方面的实施方式能够通过抑制在第一束光学福射 的中屯、斑紧邻周围的区域中的材料响应的机制来实现更高分辨率。
[0016] 在一些实施方式中，第一特性和第二特性包括不同光学频率。在其它实施方式中， 第一特性和第二特性包括不同偏振状态。在还有的进一步实施方式中，第一特性和第二特 性包括不同光学脉冲宽度。
[0017] 在本发明的实施方式中，第一束光学福射具有高斯形强度分布。如将被光学领域 中的技术人员理解的，高斯形束具有衍射受限空间分辨率。因此，例如，如果第一束源自具 有800纳米波长的光源，则将期望大约400纳米的最大分辨率。
[0018] 在一些实施方式中，第二束具有环形强度分布。环形强度分布例如可W通过聚焦 具有拉盖尔-高斯模式的圆形偏振束或用于产生"甜甜圈"形状的角向偏振束来获得。
[0019] 有利地，通过第一束和第二束的空间叠加 W及它们的相对强度的适当控制，预期 光学存储的分辨率可W被改进到50纳米W下。
[0020] 在一些实施方式中，第二束被形成为提供Ξ维中空强度分布。运例如可W通过具 有拉盖尔-高斯模式的圆偏振束(或具有拓扑电荷的顶点相位)和在束的中屯、具有同屯心相 移的圆偏振束的组合来实现W形成中空形状。中空笼形可W通过聚焦在束的中屯、具有同屯、 η相移的圆偏振束来产生。
[0021] 有利地，第二束的Ξ维中空强度分布可W被用于在第一束的中屯、焦点周围的Ξ维 空间中抑制写入期间的性质变化或抑制读取期间的响应。运使得能够在不需要形成物理分 层记录结构的情况下W沿着所有维度的可比较分辨率在块状记录材料的全部Ξ个维度中 记录信息状态。
[0022] 第一束和第二束可W从脉冲或连续波(CW)光源来产生。
[0023] 在一些实施方式中，第一束和第二束包括多个平行束。例如，束的瞳孔函数可W被 设计为在焦平面中创建多焦阵列。具有与第一束对应的高斯形焦斑的多焦阵列与具有与第 二束对应的中空或环形焦斑的多焦阵列的叠加有利地使得能够用增加的数据传送率进行 并行记录/再现。
[0024] 在一些实施方式中，第一束和第二束的偏振状态被布置并且叠加 W创建任何期望 的Ξ维偏振取向。有利地，运使得能够在记录介质内的相同空间位置处在写入束的偏振状 态下对多个信息状态编码。
[0025] 在本发明的读取方面的实施方式中，指示变化后性质的材料响应是宽带光学福 射/憐光。从而，可W通过例如使用光检测器来检测介质响应于第一束和第二束的施加是否 发射福射来读取所记录的信息状态。
[0026] 在另一方面中，本发明提供了一种光学数据记录和再现设备，该光学数据记录和 再现设备包括：
[0027] 托架，该托架被构造为保持记录介质，该记录介质包括光学活性材料，所述光学活 性材料能够在存在具有第一特性的光学福射时诱导所述介质的性质变化并且产生指示所 述变化后性质的材料响应，并且其中，所述性质变化和指示变化后性质的所述响应可W由 具有第二特性的光学福射来抑制；
[0028] 第一光源，该第一光源被构造为控制具有所述第一特性的发射福射；
[0029] 第一成像系统，该第一成像系统被构造为使从所述第一光源发射的第一束光学福 射可控制地聚焦到所述记录介质的区域上，其中，所述光学福射在所述第一束的中屯、部分 内具有最大强度；
[0030] 第二光源，该第二光源被构造为可控制地发射具有所述第二特性的福射；
[0031] 第二成像系统，该第二成像系统被构造为使从所述第二光源发射的第二束光学福 射可控制地聚焦到所述记录介质的所述区域上，其中，所述光学福射在所述第二束的中屯、 部分内具有局部强度最小值，并且在所述第二束的邻近其中屯、部分的至少一部分中具有局 部强度最大值;W及
[0032] 控制器，该控制器被构造为控制至少所述第一光源、所述第一成像系统、所述第二 光源W及所述第二成像系统，W用从所述第一光源发射的第一所选强度的光学福射并且用 从所述第二光源发射的第二所选强度的光学福射同时照射所述托架中保持的记录介质的 所选区域，W将数据选择性地记录到所述记录介质或从所述记录介质选择性地读取数据。
[0033] 在一些实施方式中，至少第一成像系统包括调制器，所述调制器可控制为选择性 地阻挡第一束照射记录介质。有利地，调制器可W被控制为确定介质中是否记录信息状态 的变化和/或是否读出介质中存储的任何信息状态。
[0034] 在本发明的实施方式中，所述控制器被构造为控制至少所述第一光束的强度，W 在所述记录和再现设备的写入和读取操作之间进行选择。例如，相对高强度可w用于写入 操作，而较低强度可W用于读取操作。
[0035] 在一些实施方式中，记录介质包括圆盘，并且托架包括被构造用于稳固安装圆盘 的屯、轴，所述屯、轴由具有可控速度的电动机致动W使得能够控制圆盘的角速度。第一成像 系统和第二成像系统还可W被构造为使得能够例如通过焦斑的光学和/或机械定位来径向 平移记录介质的所选区域。在一些实施方式中，圆盘记录介质包括径向设置的可检测追踪 元件(诸如反射元件、金属元件或磁元件），W在平移或追踪期间提供成像系统的闭环反馈 机制。特别地，在一些实施方式中，该设备包括联接到服务器控制器的至少一个追踪元件传 感器，服务器控制器被构造为保持成像系统相对于圆盘的径向位置。
[0036] 在一些实施方式中，第一成像系统和第二成像系统被构造为产生多个平行光束。 而且，在一些实施方式中，第一成像系统和第二成像系统均包括被定位成使得能够选择性 地形成多个平行光束的空间调制器。
[0037] 在一些实施方式中，托架和/或成像系统被构造为使得记录介质的所选区域能够 位于记录介质内的可控深度处。例如，第一束和第二束的焦斑可W经由光学定位和机械定 位中的一个或两者可控制地定位在记录介质内的任何位置处。
[0038] 在一些实施方式中，指示变化后性质的所述材料响应是宽带光学福射/憐光，并且 所述设备还包括光检测器，所述光检测器被构造为在由所述第一束和所述第二束对所述记 录介质进行照射期间和/或之后检测所发射福射/憐光的所述存在。
[0039] 在另一个方面中，本发明提供了一种光学数据存储系统，该光学数据存储系统包 括：
[0040] 具体实现本发明的多个光学数据记录和再现设备；
[0041] 多个记录媒体，该多个记录媒体与每个光学数据记录和再现设备相关联，每个记 录介质能够被选择性地装载到所关联的光学数据记录和再现设备的所述托架；W及
[0042] 存储控制器，该存储控制器被构造为接收用于记录和获取所述存储系统内的数据 的请求，识别完成所接收的请求要求的所述系统内的记录媒体，使得所要求的记录媒体被 装载到每个所关联的光学数据记录和再现设备，并且使得所关联的光学数据记录和再现设 备完成用于完成所接收的请求要求的记录操作和/或获取操作。
[0043] 在另一方面中，本发明提供了一种包括多层的记录介质，其中，至少一层包括外保 护层，并且至少一个其它层包括能够在存在具有第一特性的光学福射时诱导所述介质的性 质变化并且产生指示变化后性质的材料响应的光学活性材料，并且其中，所述性质变化和 指示变化后性质的所述响应可W由具有第二特性的光学福射来抑制。
[0044] 在一些实施方式中，记录介质包括圆盘。
[0045] 进一步地，记录介质可W包括设置在光学活性材料的相反面上的至少两个保护 层。
[0046] 根据一个实施方式，所述光学活性材料包括转变可W由具有所述第一特性的光学 福射诱导的第一激发状态，并且其中，所述记录介质的所述性质变化由当处于所述第一激 发状态时具有所述第一特性的光学福射的吸收产生。因此，在运样的实施方式中，光学活性 材料可期望地具有大非线性吸收系数。
[0047] 此外，在本发明的实施方式中，具有所述第二特性的光学福射的存在诱导从所述 第一激发状态的快速转变，从而抑制所述介质的所述性质变化。
[0048] 本发明的实施方式可W采用光学活性材料，所述光学活性材料包括含有乙締基； 苯基;或幾基的共辆体系中的具有丰富离域电子的有机共辆分子。对于从第一激发状态经 由吸收诱导的光物理/化学反应，本发明的实施方式采用包括基(诸如酷胺基;幾基;醋基； 或胺基)的光学活性材料。
[0049] 在本发明的实施方式中，指示变化后性质的所述材料响应是由第一激发状态到基 态的衰减实现的宽带光学福射/憐光，在运种情况下，材料有利地呈现具有相当大量子产率 (例如，大于10%的量子产率)的光致发光过程。本发明的实施方式中的合适材料包括具有 用于记录介质中的工作分子的大共辆η轨道的那些材料，W增强第二束抑制第一束的动作 的功能且增加从第二激发状态到基态的光子诱导转变率。用于本发明的实施方式的分子候 选包括：香豆素及其衍生物；嚷吨酬及其衍生物；甲酬及其衍生物；环戊酬 (cyclopentanome)及其衍生物;或若丹明及其衍生物。
[0050] 在一些实施方式中，所述光学活性材料层的厚度足W允许多个信息存储内部层。
[0051] 在一些实施方式中，记录介质包括具有径向设置的可检测追踪元件的追踪层。合 适追踪元件包括W下中的一个或更多个:磁追踪元件;光学追踪元件；金属追踪元件；W及 物理追踪元件(诸如凹陷或槽）。
[0052] 本发明的进一步特征、益处W及应用将从示例性实施方式的W下描述清楚，示例 性实施方式被提供W给予技术人员本发明的实施方式的性质和操作的更全面理解，但不应 被认为将本发明的范围限于W上陈述中的任一项中所述的或所附权利要求中定义的本发 明范围。
【附图说明】
[0053] 现在将参照附图描述本发明的实施方式，在附图中，相同附图标记是指相同特征， 并且其中：
[0054] 图1示出了具体实现本发明的圆盘形记录介质；
[0055] 图2示出了针对光学活性材料的能级图，示出根据本发明的一个实施方式的记录 操作和读取操作；
[0056] 图3示出了针对另选光学活性材料的能级图，示出根据本发明的一个实施方式的 记录操作和读取操作；
[0057] 图4是示意性地示出具体实现本发明的第一光束和第二光束的束和焦斑形式的视 图；
[0058] 图5是具体实现本发明的光学数据记录和读取设备的框图；
[0059] 图6是由图5的控制器实现的示例性记录/读取控制算法的流程图；
[0060] 图7是示出了根据本发明的实施方式的用于并行记录和读取的结构的视图；
[0061] 图8是示出了具体实现本发明的抑制束功率与特征尺寸之间的关系的图表；
[0062] 图9示出了根据本发明的一个实施方式的将单束记录与双束记录进行比较的扫描 电子显微镜(SEM)图像；W及
[0063] 图10是示出了具体实现本发明的包括光学驱动器的光学存储阵列系统的框图。
【具体实施方式】
[0064] 如图1所示，具体实现本发明的圆盘形记录介质100包括多个层，如横截面102所 示。圆盘100W常规方式具有用于容纳用于使圆盘旋转的屯、轴的中屯、孔。上保护层104包括 具有与一个或更多个记录层108匹配的折射率的耐磨基板，所述一个或更多个记录层108包 括能够在存在具有第一特性的光学福射时诱导介质的性质变化并且产生指示变化后性质 的材料响应的光学活性材料，并且其中，性质变化和指示变化后性质的响应可W由具有第 二特性的光学福射来抑制。
[0065] 在于此描述的特定实施方式中，如下面参照图2和图3更详细描述的，第一特性和 第二特性是光学频率(即，光子能）。
[0066] 还提供下保护层106。
[0067] 在所示的构造中，组合的第一激光束和第二激光束110从上方照射圆盘100。上保 护层104对运两个束是透明的。在操作中，如下面更详细描述的(特别参照图4)，束被聚焦在 记录层108内的区域上。通过适当地控制第一束和第二束的形式和强度，可W在记录层108 内诱导性质变化，W对所存储的信息进行编码。所存储的信息还可W通过检测具有变化后 性质的区域，再次由双束110的参数的适当控制来读取。
[0068] 记录层108可W包括在圆盘100内W径向间距设置的标记112。标记可W具有使得 读取和写入设备能够沿着径向追踪激光束110的位置的光学可检测性质。另外，示例性圆盘 100包括由磁材料的准确定位同屯、环组成的磁追踪层114，同屯、环可W由磁探针116来检测， 由此伺服系统可W被用于校正圆盘在操作期间的漂移和/或移动。
[0069] 图2示出了具体实现本发明的适于在媒体的记录层108中使用的光学活性材料的 能级图。材料可W拥有特定物理和/或化学特性，使得性质变化可W由具有第一特性的光学 福射来诱导，并且其中，性质变化可W由具有第二特性的光学福射来抑制。图2中所示的能 级图表示示例性材料，其中，第一特性是第一光学频率(或光子能），并且第二特性是不同光 学频率(或光子能）。
[0070] 材料的样本最初由能级图200来表示。材料中的分子具有第一基态202和第一激发 态204,从基态202至激发态204的转变在存在足够强度的光场中被诱导，并且具有与激发态 204与基态202之间的能量差对应的光学频率。
[0071] 材料中的分子具有相对于激发态204具有对应第二能差的第二基态206。在存在足 够强度的第二光场且具有与激发态204与基态206之间的能差对应的频率时，将诱导从激发 态204至基态206的快速转变，随后将衰减至第一基态202。
[0072] 因此，在存在第二光场(还称为"抑制场"）时，不发生材料的性质变化。然而，在存 在足够强度的第一光场(还称为"记录场"）时，并且不存在抑制场时，分子可W在较长时间 段内保持在激发态204。在该状态内，来自记录场的光子的进一步吸收可能引起材料的光物 理/化学变化，引起材料的特性能级的变化。图208中示出了变化后材料的示例性能级。
[0073] 光学改性材料具有新第一基态210和新的对应激发态212,所述新的对应激发态 212具有与第一光场频率对应的能差。新第二基态214存在于比新激发态212低与抑制场频 率对应的量的能级。因此，在存在抑制场时，激发态212是短寿命的。然而，在不存在抑制场 时，激发态是长寿命的，并且可W在衰减回基态210、基态214或另一个更低能级时呈现光致 发光。可w检测所得到的光致发光，w识别改性材料的存在。
[0074] 因此，如将理解的，具有第一光学频率的第一光场可W用于诱导材料变化，该材料 变化随后可W再次通过将材料暴露至第一光场中被识别。然而，在存在抑制场时，该性质变 化可W被抑制。通过控制两个场之间的强度比，可W控制两个材料状态之间的转换，从而可 W用于在记录层108内对信息进行编码。
[0075] 为了使上述机制有效，光学活性材料可W具有W下性质。第一，它可W包含具有大 吸收系数的分子。例如，大非线性吸收系数可期望用于在所有Ξ个维度中记录，W使得能够 进行从基态202至激发态204的转变。合适材料的示例包括在包含乙締基、苯基或幾基的共 辆体系中的具有丰富离域电子的有机共辆分子。
[0076] 第二，材料可W根据激发态204诱导光物理/化学反应。例如，有机分子可W包括一 些活性基(诸如酷胺基、幾基、醋基或胺基）。
[0077] 第Ξ，激发态204可W衰减至的基态202或基态206,伴随有光致发光过程(诸如巧 光），其可W为此目的具有充足量子，例如，大于百分之十。在运一点上，可W要求针对记录 介质中的工作分子的大共辆巧九道，W增强抑制场的功能，并且增加从激发态212至基态202 的光子诱导转变率。为了满足运些准则，分子候选包括香豆素及其衍生物、嚷吨酬及其衍生 物、甲酬及其衍生物、环戊酬及其衍生物或若丹明及其衍生物。
[0078] 图3示出了具体实现本发明的另选光学活性材料的能级图。材料包括由能图300、 302表示的两种类型的分子，一种为引发剂，并且另一种为抑制剂。在存在记录场时，引发剂 分子可W从基态304转变至激发态306,并且然后衰减至Ξ重态308。另外，在存在抑制场时， 抑制剂分子可W从基态310转变至激发态312,并且衰减至Ξ重态314。
[0079] 在不存在处于Ξ重态314的抑制剂分子时，针对处于Ξ重态308的抑制剂分子，光 子的进一步吸收可能引起材料的光物理/化学变化，引起包括基态318、激发态320W及第二 基态322的修正能级，如能级图316所示。将注意的是，具有能级316的改性材料的检测可W W与具有图2中所示的能级208的改性材料相同的方式来执行。
[0080] 当抑制剂分子被激发至Ξ重态314时，抑制剂分子可W形成将防止材料的性质转 变的化学反应物种(诸如自由基）。例如，激发后的抑制剂可W通过活性自由基产生过程来 引起聚合或解聚合，W进行传送。为了获得足够的抑制效率，抑制剂可W具有用于高量子产 率的反应物种的Ξ重态。而且，反应物种可W仅与处于Ξ重态314的能级的抑制剂反应，并 且其产品可W从Ξ重态314的能级产生。
[0081] 为了满足所有上述准则，引发剂例如可W是甲酬及其衍生物或环戊酬及其衍生 物，而抑制剂可W是二硫化物及其衍生物。
[0082] 图4是示意性地示出了具体实现本发明的第一（即，记录或读取)光束和第二（即， 抑制)光束的束和焦斑形式的视图。第一束402使用分束器406与第二束404组合，并且组合 束经由成像系统408来聚焦。因此，两个束同时被聚焦在记录介质(诸如圆盘100)的记录层 108内的所选区域上。
[0083] 如图4中的表的第一列410中所示出的，第一束在中屯、部分内具有强度最大值，并 且在所示示例中产生大体扁球形式的焦斑。
[0084] 如图4中的表的列412中所示的，第二束可W被形成为在中屯、区域内具有局部强度 最小值，并且在该区域周围具有大致环形强度轮廓。另选地，如列414中所示，第二束可W被 形成为在聚焦区周围的Ξ个维度中产生大致中空强度分布。通常，第二束的期望特性是在 所照射区域的中屯、部分内具有局部强度最小值，并且在所照射区域的邻近中屯、部分的至少 一部分中具有局部强度最大值。
[0085] 因此，第一束到记录介质的所选区域的施加可W引起焦斑附近的材料性质的记录 或读出。例如环形或Ξ维中空区域形式的抑制场的存在通过引起周围区域内的相关过程的 抑制来限制记录或读出在其上发生的体积。因此，总的说来，根据本发明的实施方式的双束 操作可W引起记录和读出的提高分辨率，因此可W引起显著增加的数据存储密度。
[0086] 第一束402的形式可W是具有衍射受限空间分辨率的常规高斯轮廓。第二束404的 环形形式可W通过聚焦具有拉盖尔-高斯模式的圆形偏振束或取向角偏振束来获得，W产 生"甜甜圈"形状。中空居中形式(例如，如列414中所示)可W通过组合具有拉盖尔-高斯模 式(或具有拓扑电荷的顶点相位)的圆形偏振束和在束的中屯、具有同屯心相移的圆偏振束来 形成。中空笼形可W通过聚焦在束的中屯、具有同屯、η相移的圆筒形偏振束来产生。
[0087] 图5是具体实现本发明的光学数据记录和读取设备的框图。运种设备共同已知为 光学驱动器或简称为驱动器。
[008引光学驱动器500包括被构造为保持记录介质（即，光盘100)的托架502。托架502包 括被构造用于经由中屯、孔稳固安装圆盘的屯、轴，该屯、轴由具有可控速度的电动机来致动， W使得能够控制圆盘的角速度。
[0089] 激光源504包括穿过第一成像系统510和第二成像系统512的第一光源506和第二 光源508。成像系统510、512参照图4W上述方式来布置，W产生所期望的第一束形状和第二 束形状分别用于记录/读取和抑制。反射镜514和分束器516用于组合第一束和第二束。然 后，组合束由反射镜518和透镜519经由图5的简单框图中表示的追踪机构或光学头聚焦到 记录介质100的所选区域上。追踪系统至少可控制W相对于圆盘100径向移动，W使得能够 选择特定轨道用于记录/读取。
[0090] 伺服系统520连接到探针116,并且包括反馈环路100,反馈环路100可W用于W足 够精度保持期望旋转和追踪速度，W向圆盘100的期望区域记录和从圆盘100的期望区域读 取。
[0091] 在读取操作期间，响应于所施加的光场从圆盘100发射的光经由追踪光学器件 519、518被返回，并且从分束器522反射到检测系统524。检测系统524可W包括光敏检测器 和解调所读取信息的解调器。在光敏检测器之前使用巧光通滤波器(fluorescence pass filter) W拒绝噪声和剩余激光束。
[0092] 驱动器500的组件（即，激光源504、伺服系统520、追踪系统518、519、W及检测系统 524)在电子控制器526的控制下操作，该电子控制器526通常包括微处理器、合适程序设计 W及用于在驱动器500的组件之间发送和接收控制信号的其它电子组件。
[0093] 记录和回放的进一步性质和参数可W基于现有光学存储技术(诸如DVD和蓝光光 盘技术）。例如，调制技术(8至16调制）可W应用于对记录到圆盘100上的数据进行编码。为 了确认跨整个圆盘媒体的恒定吞吐量和恒定数据密度，恒定线性速度(CLV)操作例如可W W60m/sec的速度用于记录和读取。经受最小读取和写入周期时间，吞吐量可W通过增加 CLV被改进。用于位记录的吞吐量是Τ =化V/d，其中，CLV是系统中使用的恒定线性速度，并 且d是单个位的长度（即，在物理圆盘100上/中）。
[0094]如下面参照图7更详细描述的，驱动器能够并行记录和读取。因此，可W增加记录 和读取吞吐量。在应用并行写入之后，整体数据记录吞吐量是Tdrive = pXT，其中，P是并行记 录的位的数量。
[00M] 如图1和图5所示，采用磁追踪层114和探针116的磁伺服系统用于对在记录和读取 期间的旋转圆盘的走离(walk-off)的超高精度校正。伺服系统可W包括读取头、微致动器 W及数字控制电路。伺服系统的主要任务是检测位置误差信号并且校正位置误差。探针116 由微致动器来操作，并且位于具有磁轨道槽(如图1所示的，在追踪层114中）的圆盘表面附 近。头的位置通过读取在轨道槽中预编码的位置信号来确定，运产生用于校正光学头518、 519的位置的位置误差信号。数字控制电路用于控制微致动器，传送位置信号并且使伺服系 统的取样率与光学记录和读取系统协调。基于来自伺服系统的位置信号，用于驱动光学头 的致动器能够W超高精度(例如，在30nmW下)调整激光束的相对位置。
[0096] 在另选实施方式(未示出）中，可W采用光学伺服系统。光学伺服系统包括四象限 光检测器、散光光学器件W及差分电路。例如W658nm波长操作的伺服激光器恒定地聚焦在 圆盘100中形成的槽结构上。然后，所反射的伺服激光束在穿过由一对圆形和圆筒形透镜组 成的散光光学器件后携带圆盘的走离信息。四象限光检测器可W感测反射束的形状变化。 四象限光检测器生成四个信号(A、B、CW及D)。差分电路可W使用运四个信号判断走离的状 态、屯、轴速度、追踪误差W及聚焦误差信号。通过把四个信号加起来(A+B+C+D)产生RF信号。 根据RS信号的频率，可W确定屯、轴的速度。径向聚焦误差可W由（A+C-B-D)/(A+B+C+D)来测 量，其被称为聚焦误差信号。横向聚焦误差(追踪误差信号)可W由(A+B-C-D)/(A+B+C+D)来 测量。对应电流将被施加到控制光学头的致动器，W调整头的物镜519相对于圆盘的轴向和 横向轨道位置的相对位置。
[0097] 图6示出了可W在控制器526内实现的示例性记录/读取控制算法的简化流程图 600。在写入或读取的情况下，第一步骤是激活602伺服系统并且执行604检测算法，所述检 测算法确认存在具有适当追踪标记的圆盘。如果没有圆盘存在606,则报告608误差。
[0098] 在决策点610处，该算法根据请求读取数据操作还是记录数据操作沿着另选路径 进行。在读取数据612的情况下，控制器在步骤614处激活读取束。控制器确保读取束的强度 等级足W产生光致发光响应，但是低于将改变材料性质的强度等级（即，在记录的情况下）。 控制器526还在步骤616处激活屯、轴电动机。通常，在读取操作期间，将产生618-些形式的 指示或其它显示，W针对任何观测者提供正在发生读出的视觉确认。控制器继续读取操作 620,直到从圆盘100获取到所有期望信息为止，此时，该过程完成622。
[0099] 更详细地，在读取之前，控制器可W执行地址捜索，W找到目标区段。为了捜索圆 盘位置，控制器526打开伺服系统520, W首先找到轨道位置。然后，将第一束506的功率减少 在记录期间采用的功率的十分之一，W避免破坏性读取。通过检测所收集的巧光来执行轴 向扫描，W找到目标信息层。一旦确认圆盘位置，控制器526就切换到双束模式，并且使激光 选通与圆盘旋转同步。检测系统524中的光敏检测器将所检测的光学数据信号转换成对应 数字电信号。电信号由解码器来解调，并且最终被传送到主装置作为获取数据。
[0100] 在数据记录的情况下，控制器首先在步骤624处接收将被记录的数据。在步骤626 处，W发起记录介质的性质变化的足够强度激活记录束。还激活628抑制束。与读取的情况 相同，在步骤630处控制器激活屯、轴电动机。然后，记录进行632,直到完全记录数据输入块 为止。在步骤634处，控制器确定是否将记录进一步数据块，并且如果将记录进一步数据块， 则控制返回到步骤624。否则，记录过程完成622。
[0101] 为了显著增加记录和读出吞吐量，并行记录在本发明的实施方式中也是可W的。 图7中示出了适于在驱动器500内实现的用于并行记录和读取的布置700。通常，布置700在 第一束和第二束（即，记录/读取束和抑制束）中的每个的束路径内采用空间光调制器 (SLM)dSLM上显示的计算机生成相位图案被用于在记录介质中产生多焦阵列。
[0102] 特别地，第一束702和第二束704被引导到第一SLM 706和第二SLM 708上。SLM显示 适当生成的相位图案710、712,如下面更详细描述的。SLM 708还可W用于添加顶点相位波 前714,或者运可W经由单独相位板被包括。束702、704可W是连续波(CW)或脉冲波，然而， 在产生大量焦斑的情况下，具有高峰值强度的脉冲模式可W提供超过CW模式操作的优点。
[0103] 反射镜716和分束器718被用于组合第一束和第二束，并且组合束穿过准直光学器 件720。物镜722被用于将光场聚焦到记录介质100上。结果是第一束和第二束的焦斑的阵列 (诸如图7中示意性地示出的724、726)。W此方式，可W同时写入或读取数据值的对应阵列。 控制具体信息状态的写入的单独斑可W通过SLM的适当计算机控制被打开和关闭。
[0104] 为了用于控制SLM的多焦阵列相位图案的计算机生成，焦平面中的电场的平面内 梳齿函数与强度加权迭代方法的叠加可W被应用W维持多焦阵列中的高度一致性。充分考 虑切趾和解偏振效果的矢量德拜衍射理论可W在计算过程中使用。特别地，可W执行全息 平面与焦平面之间的迭代算法，W获得具有高度一致性的衍射受限多焦阵列。该方法开始 于均匀平面波前的输入电场和全息平面中的任意初始相位猜测。执行该波前的德拜积分变 换，W估计焦平面中的输出电场。将输出平面中的预定位置处的对应峰值强度与作为等加 权平面内梳齿的理想峰值强度进行比较。计算两者的峰值强度误差ε，并且进一步用理想梳 齿函数替换焦平面中的复杂电场的幅值。为了改进多焦阵列中的一致性，引入加权因子：
[0105]
[0106] 其中，k为迭代次数，m表示阵列中的第m个焦斑，并且I表示峰值强度。在针对每个 焦斑的有效加权之后，对新适应的电场进行逆变换在输入平面中产生对应场。输入平面中 的幅值不再与一致平面波前情况匹配，因此输入平面的幅值进一步用一致幅值替换。并且， 对于下一次迭代，保持输入平面中的相位。运完成一次迭代，并且该周期重复，直到第η次迭 代中的强度误差ε收敛到可接受容差范围内（例如，0.01)。输入平面中的连续适应相位是最 终多焦阵列相位图案。
[0107] 该算法独立于入射波前的形式，然而，该算法取决于激光的波长，并且因此，在两 个不同频率的光源被用于记录时，可W使用用于双束的两个SLM 706、708。
[0108] 虽然在W上算法中应用X线性偏振，但是所计算的相位还可W应用至可W在SLM相 位调制后被转换的任何类型的偏振状态。因此，多焦阵列中的偏振状态是相同的，并且取决 于物镜的后孔径平面中的偏振状态。
[0109] 已经进行概念验证实验W演示具体实现本发明的高分辨率双束记录法和设备的 有效性。图8和图9示出了来自运些实验的示例性结果。W800纳米的波长使用具有80兆赫的 重复率和140飞秒的脉冲宽度的脉冲激光源来产生第一(记录)束。W375纳米的波长从CW源 产生第二(抑制)束。
[0110] 图8是示出了记录期间产生的所得到的特征尺寸与第二(抑制)束的功率之间的关 系的图表800。在横轴802上示出抑制束功率，同时在纵轴804上示出对应特征尺寸。在不存 在抑制束时，如由数据点806示出的，获得大约220纳米的特征尺寸。通过0.3微瓦抑制束功 率，如由点808示出的，特征尺寸被减小到正好低于200纳米。当抑制束的功率进一步增加到 0.6微瓦时，如由点810示出的，特征尺寸被减小到120纳米W下。运清晰地示出了双双束记 录方法产生低于记录束的衍射极限的特征尺寸的能力。
[0111] 图9示出了扫描电子显微镜（SEM)图像，将单束记录902与双束记录904进行比较， 抑制束功率为0.3微瓦。如第一图像902中所示，由于记录光学器件的衍射极限，具有300纳 米的中屯、到中屯、距离的、由单个记录束产生的位阵列使得每个单个斑不能被清晰地辨别。 然而，当具有0.3微瓦的功率的抑制束还有效时，可W清晰地辨别具有200纳米的中屯、到中 屯、距离的阵列内的单个斑，运清晰地示出了本发明的实施方式提供增加的数据存储密度的 能力。
[0112] 由于极高容量和高密度数据存储的潜力，预期本发明的实施方式将在大型数据中 屯、中找到应用。图10是示出了诸如可W在数据中屯、中采用的光学存储阵列系统的框图 1000。该系统包括具体实现本发明的多个装置500。
[0113] 特别地，系统1000包括主计算机1002和光学存储阵列(0SA) 1004d0SA本身包括多 个单元，每个单元包括物理媒体（即，圆盘）的找(stack)1006。选择器1008是能够从找1006 获取特定期望圆盘并且将其安装在驱动器500内的机械装置。所有多盘驱动器单元在电子/ 微处理器控制器1010的控制下操作。在所示布置中，一个特定多驱动器单元1012被用于包 含奇偶校验媒体(parity media)，该奇偶校验媒体可W用于检测并且校正可能出现在任何 主存储媒体中的任何误差，并且因此确保在0SA中存储的信息的完整性。
[0114] 为了使0SA 1004的性能最大化，优化用于选择和向/从驱动器传送圆盘的存取时 间。控制器1010可W实现使各个驱动器单元的存取时间同步的控制算法。驱动器单元的数 量可W根据期望数据记录和读出吞吐量增加。
[0115] 0SA 1004可W被设计为在W下方面优化性能:高记录吞吐量;高存储容量;高读取 吞吐量；W及数据镜像或复制。
[0116] 记录吞吐量随着记录文件尺寸增加而逐渐减少。为了获得改进效率，可W首先去 除大文件尺寸数据。所去除的数据可W跨N个相同驱动器被记录，由此使吞吐量增加因子N。 使用如图7所示的能够记录并行信息的驱动器，0SA 1004的总吞吐量可W是T〇sA=TXpXN， 其中，T是用于单个位记录的传送率，P是将被记录的并行位的数量，并且N是在0SA中连接的 驱动器的数量。
[0117] 0SA 1004还可W显著增加存储容量。总存储容量取决于高密度存储媒体圆盘的数 量。0SA 1004的总存储容量是C〇sA=CXNmXN，其中，C是单个圆盘的存储容量，Nm是保持在单 个驱动器的找1006内的圆盘的数量，并且N是驱动器的数量。
[0118] 在读取的情况下，选择器1008可W首先获取被寻址圆盘W读取。为了数据读出的 高吞吐量，可W使获取时间最小化。一旦数据由驱动器500读取，就向控制器1010内的缓冲 区传送数据。控制器组装来自多个圆盘处的不同物理地址的所去除数据，W恢复原始文件。 在向主计算机1002传送之前向缓冲区收集数据加速读取吞吐量。
[0119] 在数据复制的情况下，代替向所有单个驱动器发送不同的所去除数据，数据被发 送到一组所选驱动器，还被复制到不同物理地址处的其它圆盘。因为不是所有驱动器单元 都可W同时被用于执行具有副本的单个文件的记录，所W容量和数据吞吐量降低。用于圆 盘镜像的OSA 1004的总存储容量是Cmirror = Cc>sa/Nmirr。。其中，Cosa是没有镜像的OSA 1004的 存储容量，并且Nmirrw是所采用的复制圆盘的总数量。用于圆盘镜像的吞吐量是Tmirror = Tosa/Nmirror，其中，Tosa是没有镜像的总吞吐量。
[0120]在W上论述中，已经描述了具体实现本发明的各种方法、设备、系统W及布置。将 想到，运些被提供W便于本发明和其在各种实施方式中的实际实现的全面理解。将理解，运 些不旨在指示对本发明的范围的任何具体限制，并且仅由示例来提供。本发明的范围将参 照所附权利要求来确定。
【主权项】
1. 一种记录光学可读数据的方法，所述方法采用所提供的记录介质，所述记录介质包 括能够在存在具有第一特性的光学辐射时诱导所述介质的性质变化的光学活性材料，并且 其中，所述性质变化能够由具有第二特性的光学辐射来抑制，所述方法包括： 用具有所述第一特性的第一束光学辐射照射所述记录介质的一区域，所述束在所照射 区域的中心部分内具有引起所述记录介质的性质的光学诱导变化的足够强度和足够持续 时间；以及 同时用具有所述第二特性的第二束光学辐射来照射所述记录介质的所述区域，所述第 二束在所照射区域的所述中心部分内具有局部强度最小值，并且在所照射区域的邻近所述 中心部分的至少一部分中具有足以抑制所述记录介质的性质的光学诱导变化的局部强度 最大值。2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一特性和所述第二特性包括不同光学频 率。3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一束光学辐射具有高斯形强度分布。4. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二束具有环形强度分布。5. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二束被形成为在焦域内提供三维中空强度 分布。6. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一束和所述第二束包括多个平行束。7. 根据权利要求6所述的方法，所述方法包括以下步骤:应用所述第一束和所述第二束 的瞳孔函数以在焦平面中创建多焦阵列。8. 根据权利要求1所述的方法，所述方法包括:布置并且叠加所述第一束和所述第二束 的所选偏振状态，以在焦域内创建所述场的预定三维偏振取向。9. 一种光学地读取存储在记录介质中的数据的方法，所述记录介质包括与所记录的数 据对应的介质的性质变化已经在一个或更多个区域中被诱导的光学活性材料，其中，所述 性质变化能够经由所述介质对具有第一特性的光学辐射的响应来检测，并且其中，所述介 质的所述响应能够由具有第二特性的光学辐射来抑制，所述方法包括： 用具有所述第一特性的第一束光学辐射照射所述记录介质的区域，所述第一束在所照 射区域的中心部分内具有引起所述响应的足够强度和足够持续时间，但是不具有引起所述 记录介质的性质的光学诱导变化的足够强度和持续时间； 同时用具有所述第二特性的第二束光学辐射照射所述记录介质的所述区域，所述第二 束在所照射区域的所述中心部分内具有局部强度最小值，并且在所照射区域的邻近所述中 心部分的至少一部分中具有足以抑制所述介质对所述第一束光学辐射的所述响应的局部 强度最大值；以及 检测所述介质在所照射区域的所述中心部分内是否呈现对所述第一束光学辐射的所 述响应。10. 根据权利要求9所述的方法，其中，指示变化后性质的所述材料响应是宽带光学辐 射/磷光，并且所述检测的步骤包括:检测所述介质响应于所述第一束和所述第二束的施加 是否发射辐射。11. 一种光学数据记录和再现设备，所述光学数据记录和再现设备包括： 托架，所述托架被构造为保持记录介质，所述记录介质包括能够在存在具有第一特性 的光学辐射时诱导所述介质的性质变化并且产生指示变化后性质的材料响应的光学活性 材料，并且其中，所述性质变化和指示变化后性质的所述响应能够由具有第二特性的光学 辐射来抑制； 第一光源，所述第一光源被构造为控制具有所述第一特性的发射辐射； 第一成像系统，所述第一成像系统被构造为使从所述第一光源发射的第一束光学辐射 可控制地聚焦到所述记录介质的一区域上，其中，所述光学辐射在所述第一束的中心部分 内具有最大强度； 第二光源，所述第二光源被构造为可控制地发射具有所述第二特性的辐射； 第二成像系统，所述第二成像系统被构造为使从所述第二光源发射的第二束光学辐射 可控制地聚焦到所述记录介质的所述区域上，其中，所述光学辐射在所述第二束的中心部 分内具有局部强度最小值，并且在所述第二束的邻近其中心部分的至少一部分中具有局部 强度最大值；以及 控制器，所述控制器被构造为控制至少所述第一光源、所述第一成像系统、所述第二光 源、以及所述第二成像系统，以用从所述第一光源发射的第一所选强度的光学辐射并且用 从所述第二光源发射的第二所选强度的光学辐射同时照射保持在所述托架中的记录介质 的所选区域，以将数据选择性地记录到所述记录介质或从所述记录介质选择性地读取数 据。12. 根据权利要求11所述的设备，其中，所述第一成像系统包括:调制器，所述调制器可 控制为选择性地控制由所述第一束对所述记录介质的照射。13. 根据权利要求11所述的设备，其中，所述控制器被构造为控制至少所述第一光束的 强度以在所述记录和再现设备的写入操作和读取操作之间进行选择。14. 根据权利要求11所述的设备，其中，所述第一成像系统和所述第二成像系统被构造 为产生多个平行光束。15. 根据权利要求14所述的设备，其中，所述第一成像系统和所述第二成像系统均包括 空间调制器，所述空间调制器被定位成使得能够选择性地形成所述多个平行光束。16. 根据权利要求11所述的设备，其中，指示变化后性质的所述材料响应是宽带光学辐 射/磷光，并且所述设备还包括光检测器，所述光检测器被构造为在由所述第一束和所述第 二束照射所述记录介质期间和/或之后检测所发射辐射/磷光的存在。17. -种光学数据存储系统，所述光学数据存储系统包括： 根据权利要求11所述的多个光学数据记录和再现设备； 多个记录媒体，所述多个记录媒体与每个光学数据记录和再现设备相关联，每个记录 介质能够选择性地被装载到所关联的光学数据记录和再现设备的托架；以及 存储控制器，所述存储控制器被构造为接收用于记录和获取所述存储系统内的数据的 请求，识别所述系统内的完成所接收的请求所要求的记录介质，使得所要求的记录媒体被 装载到每个关联的光学数据记录和再现设备，并且使得所关联的光学数据记录和再现设备 完成用于完成所接收的请求所要求的记录和/或获取操作。18. -种包括多层的记录介质，其中，至少一层包括外保护层，并且至少一个其它层包 括能够在存在具有第一特性的光学辐射时诱导所述介质的性质变化并且产生指示变化后 性质的材料响应的光学活性材料，并且其中，所述性质变化和指示变化后性质的所述响应 能够由具有第二特性的光学辐射来抑制。19. 根据权利要求18所述的记录介质，所述记录介质包括圆盘。20. 根据权利要求18所述的记录介质，其中，所述光学活性材料包括转变能够由具有所 述第一特性的光学辐射诱导的第一激发状态，并且其中，所述记录介质的所述性质变化由 当处于所述第一激发状态时具有所述第一特性的光学辐射的吸收导致。21. 根据权利要求20所述的记录介质，其中，所述光学活性材料具有以下性质：使得具 有所述第二特性的光学辐射的存在诱导从所述第一激发状态的快速转变，从而抑制所述介 质的性质变化。22. 根据权利要求18所述的记录介质，其中，指示变化后性质的所述材料响应是由第一 激发状态到基态的衰减导致的宽带光学辐射/磷光。23. 根据权利要求18所述的记录介质，其中，所述光学活性材料层的厚度足以允许多个 信息存储内部层。24. 根据权利要求18所述的记录介质，所述记录介质包括具有径向设置的可检测追踪 元件的追踪层。25. 根据权利要求24所述的记录介质，其中，所述追踪元件包括以下中的一个或更多 个:磁追踪元件;光学追踪元件;金属追踪元件；以及物理追踪元件。
【文档编号】G11B7/0065GK105993045SQ201380081891
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2013年11月28日
【发明人】顾敏, 李向平, 曹耀宇
【申请人】斯威本科技大学