光盘记录器的基本原理及应用技术

一、光盘的作用及其信息的表示方式

在这里所指的光是激光，光盘为记录媒体（或称记录材料），光盘记录器是用光盘存储和读信息的设备，记录是指利用微小的激光束照射在光记录媒体上，使被照射部位发生热效应或光效应，从而改变媒体的光学（或光磁）性质，以此来记录信息。读取信息时，媒体表面的状态转变为反射光强或偏振光的偏转角变化，还原出记录的信息。

光盘一般由基片及在基片表面用真空蒸镀或其他方法形成记录膜构成，基片的材料有化学强化玻璃和丙烯酸树脂。此外，还有铝合金基片。根据光盘制造工艺的不同和记录信息内容的不同，有很多品种。根据记录内容的不同，有记录模拟信息（FM 调频信号）的光盘和记录数字编码信号的光盘。但是在光盘上表示信息的形式都相似。

光盘及其信息的表示方式如图6-14所示，一般来说，光盘表示信息的形式都是用光盘上螺旋形排列的一圈圈的坑槽来表示的。激光头读出的脉冲信号与光盘上的坑槽相对应。对于数字信号，激光头输出的脉冲相当于二进制数字信号的“0”或“1”。对于模拟信号，以记录声信号为例，激光头输出的脉冲信号中的频率分量与视频调频（FM）信号和音频调频（FM）信号相对应，即脉冲信号中包含视频和音频调频信号的分量；在读取时，只要施以相应的解调或解码处理方法，就能将光盘上的信息还原出来。

图6-14 光盘及信息表示方式

二、光盘记录器记录的基本原理

光盘记录有多种类型，但是除了磁光型以外，其记录和读取原理都大同小异，下面以CD光盘记录为例，简述光盘记录的信号处理过程。如图6-15所示，有两个声道的音频信号要录制到CD光盘上，左、右两个声道的模拟音频信号先分别经过低通滤波器和A/D变换器进行处理，转变成数字信号，然后，合成为一个数字信号，合成的信号又经过CIRC处理（即交叉交织处理的里德索罗门码），经交叉处理后再与控制信号合成，进行EFM 调制（即8到14位调制），然后与同步信号合成，使每一帧信号中都有用于进行同步控制的信号。经过三次合成以后的数字信号就成为了要记录到光盘上的信号。在光盘刻制机中用此信号控制刻制用的激光，使激光束的通断按照数字信号的规律变化，在光盘上连续不断刻录坑槽，表示被记录的数字信号。

图6-15 CD记录信号处理过程

三、光盘记录器读取的基本原理

激光在光盘上刻制的坑槽形成记录信息，若要从光盘上读取信息，也要用激光。下面以图6-16所示激光头的光路图为例，说明从CD光盘上读取信息的基本过程。半导体激光器发出的激光束经过光栅、半反射镜、1/4波长板、平行光镜、反射镜和物镜，照射到光盘的盘面上，然后经光盘再反射回来，又穿过物镜、反射镜、1/4波长板，经半反射镜折射后，通过柱面透镜照射到光电检测器上。检测器由光电二极管和相关的检测电路组成，光电二极管将反射激光的信号转换成电信号，该电信号就包含了被记录的图像和伴音信息，经相应的显示器即获得这些信息。

四、光盘记录器的特点

与磁记录器比较，光盘记录器有以下几个突出的特点：

（1）面密度高。由于光记录是以光束聚焦于记录媒体表面上的坑槽来进行读/写的，在一般情况下，与磁记录比较，其面密度略高一些，但如果考虑到短波长、多光束、多层媒体等光记录技术的出现和成熟，则面密度的提高更具发展前景。

图6-16 激光头的光路图

（2）位成本低。因光盘的容量大，盘片可更换，故每位信息存储的成本很低。

（3）可用一个光盘头实现多通道工作。相互独立的多激光束可通过透镜聚集在盘面的多个信道上，它能创造出高数据传输率的光盘系统。

（4）只读光盘可通过模压复制。通过模压复制的只读光盘有利于信息的交换和使用。

此外，与磁记录器比较，光盘记录器有原始误码率较高、存取速度较慢以及重写能力较差等缺点。

五、光盘记录器的分类

用非调制的激光束加热，在金属薄膜上实现写入的方法早在20世纪60年代中期就出现了，第一个被采用的媒体是Mn Bi薄膜媒体，它是磁光型光记录的雏形。而后，在70年代初出现了在金属薄膜上制作小孔的光记录，人们从物理上研究了用激光束烧蚀小孔的性质，它是“只写一次，读多次”光盘的技术基础。由于激光记录器具有道密度和面密度都很高的优点，故首先在影视领域引发了世界性的研究激光记录器和开发激光光盘存储器的浪潮，与此同时，人们希望将激光记录器（或光盘存储器）应用于各行各业，于是，近年来，光盘记录技术已在很多领域中迅速得到了广泛应用，展示出了激光记录器的广阔前景。(www.xing528.com)

当前，光盘记录器（或光盘存储器）按其性能可归并为三类，即只读光盘记录器（Read-only System）；写一次读多次光盘记录器（Write-once System）和可擦除光盘记录器（Erasable System）。

（1）只读光盘记录器。只读光盘包括许多品种，如CD唱机、CD-ROM、VCD、SVCD、DVD播放机等，它们只有读取光盘信息的功能。光盘上的信息在光盘出厂时已模压其上，其中CD-ROM 光盘用于计算机上，其记录格式与VCD、SVCD和DVD不同，CDROM 可用以存储各类软件产品，如系统软件、应用软件、专家系统、多媒体信息以及各种电子出版物等。

（2）写一次读多次光盘记录器。这类光盘记录器（或存储器）的媒体可为用户提供一次写人的记录空间。写后不能修改，但可多次读取。因为它有这些使用特点而称之为WORM（Write Once Read Many），它常用于存储文件、档案和资料等场合，也可用于制作CD-ROM 之前的暂存设备，俗称光盘刻录机（CD-R）。一种称为DRAW（Direct Read-After-Write）的追记型光盘存储器也有类似的功能。

（3）可擦除光盘记录器。这种光盘记录器具有可擦除原记录信息，重新写入新信息的功能，或者说具有实现重写覆盖的功能。按照媒体的物理性质的不同，可擦除光盘记录器可分为两种类型：一类称为相变型光盘记录器，它利用媒体在激光束照射后引起晶态到非晶态，或者相反的多相组织的转变，从而实现写入和擦除信息；另一类称为磁光型光盘记录器，它利用媒体在激光束照射后的热磁效应写入或擦除信息，而利用克尔效应和法拉第效应读出信息。

所谓克尔效应和法拉第效应，是法拉第于1848年和克尔于1867年先后发现的这样一种物理现象：在磁场作用下，偏振光的偏振面发生旋转，偏转角的大小和方向与磁场的大小和方向相同。偏振光在磁物质上反射所产生的偏振面旋转现象称为克尔（Kerr）效应，偏振光在磁场中透射产生的偏振面旋转现象称为法拉第（Faraday）效应。这两种磁光效应，特别是克尔效应，可用于检测纵向和垂直磁化状态，此外的偏振旋转称为纵向和极性克尔效应。同样，法拉第效应也可用于磁化翻转时的检测。

可擦除光盘记录器的存储容量很大，速度适中，是具有发展前景的一种存储设备。但由于它价格较昂贵（单台设备售价较高，但因媒体可更换，故单位信息存储的价格很低），故当前应用尚未普遍。

六、激光光源的选择原则

激光光源是光盘记录器的重要组成部分，不可忽视。光盘记录器使用半导体激光器作光源。它与常用二极管类似，其核心器件也是P-N结，故称之为激光二级管。选择激光光源时，应考虑以下因素：

（1）激光器的外形尺寸要小。通常可供光盘驱动器使用的激光器只有几百微米长。

（2）价格要低廉。

（3）应能调制激光的光强和光脉冲宽度，通常脉冲频率可达GHz级。

（4）效率要高。激光二极管的效率约为10％。

（5）电特性要好。要求光束输出强度与电流大小成线性关系，在低电压（1～2V）下能工作，不需特殊要求的电源。

（6）光波波长要短。目前使用的AiCaAs激光器工作波长为780nm，CaAs激光器工作波长为840nm，更短波长的半导体激光器正在研究开发中。

（7）功率应适当。一般半导体激光器的功率在3～15mW，用于读出的激光器的功率只有3～5mW。

（8）光束的准直线应较好。如果半导体激光器不太准直，则光束断面会呈椭圆形。

（9）适宜的像散。若有像散出现，则只需几微米的移位，光束质量便有差别。

（10）噪声要小。半导体激光器比其他品种（如气体激光器）的激光器噪声要大。

（11）耐用性要好。若激光器耐电流冲击的能力差，则在电流冲击下瞬时便导致损坏，故对于电源的设计与调整要细心。其正常寿命为105小时，高温（60℃）下寿命减少到只有额定值的10％。