光盘设计基础：音频系统、电平和布局要求

本书需要的主题内容：

i）激光性质（本书第6和7章）

ii）半导体激光器（本书第7章）

iii）菲涅尔反射（本书第2章）

iv）光学干涉（本书第2章）

v）衍射（本书第2章）

vi）材料色散（本书第4章）

vii）光探测技术（本书第7章）

下一个光子学实例是绝大多数读者非常熟悉的一种系统，因为在最近几年，不断地改进质量，并且在家中就可以方便地进行音乐再现（或复制），因此制造得非常紧凑小巧。这种改进使其爱好者完全使用音频光盘（Compact Disk，CD），从而代替了其他音乐再现方法（黑胶碟（或塑料盘），磁带）。

音频光盘系统非常适合于本章选题，除此还展示出一些重要原理。

为了理解光盘系统的工作原理，必须首先理解数码电子包含的基本思想。这些知识完全是纯电子学内容（相对于光子学）。尽管如此，对于理解相关内容还是非常有用的，并且相当直截了当。

所包含的基本思想是，在两点间借助于一系列的“yes”或“no”回答问题，从而达到传输信息的目的。这就使人想起众所周知的室内游戏“二十个问题”，要求小组只能用yes或no确切地回答20个问题，以确认预先选定的目标。室内游戏与数码电子的区别在于：在游戏中，可以在5min内询问20个问题；而在电子学，1s内就需要询问多达10¹¹个问题。

一个普通的模拟信号可以是一个随时间变化的电压（见图10.10），在目前情况中，对应着一个随时间变化的声波振幅，再通过话筒转换成电信号。该电压信号需要放大、滤波，与启动扬声器的阻抗匹配，因而重新生成声波。所有这些过程都会增加噪声，造成信噪比下降和音质恶化。

图10.10　一种模拟信号的数字编码

然而，假设使话筒发出的模拟电压信号立即数字化，从而意味着，在一定的时间间隔内对模拟波形进行抽样（事实是，如果波形是精确再现的，那么一定是在信号中最大频率两倍的抽样频率点进行抽样。根据抽样定律可以得出该结论，见附录IX）；然后，对每个抽样点的电平“数字化”（其值作为一系列脉冲，表示成数字编码）。在这一系列编码中，脉冲的有或无对应地代表一个特定幂级数2的有或无。例如，在1个3bit（bit为二元数字）系统中，脉冲顺序011应当等效于0×2⁰+1×2¹+1×2²=6，该抽样等级是6，范围从0（即000）到7（即111），因此总的包括8（即2³）个电平。再如，1个10bit系统有2¹⁰或1024个电平，因此可以使模拟振幅确定得优于0.1%。

这种方法的主要优点是，一个探测器系统现在要做的事情就是识别：在一个特定的时间间隔内是否有一个脉冲？有，答案是yes；没有，答案就是no。脉冲的振幅并不重要，只要高于阈值即可，其值足够大，以便清楚地与噪声区别。

数字系统对噪声要求较宽松，其缺点是需要更多时间确定电平，这意味着需要更大带宽（即单位时间内（脉冲）更大变化）。具有大带宽（约10¹¹bit/s）的光学系统完全消除了与带宽有关的所有问题。因此，为了充分利用信噪比的优点，几乎所有的光学通信干线系统都是数字系统。此外，信号是数字形式时，容易采用一些非常巧妙的带宽压缩技术。

现在重新讨论声波。正如前面所述，该波可以数字化，转换成脉冲系列。在这种情况中，如何利用光学技术？为了在选定时间内再现声波，必须将脉冲序列存储在可以随时“读出”的介质上，以便再现该音乐（如果是音乐）。该介质能够在一个小空间（一定“非常紧凑”）内存储大量的bit（脉冲）；并且可以以比较方便的方式读出，并不会使信息恶化。为了确保后者，比较理想的是采用非接触方式（在黑胶唱片中，唱针要接触唱片，造成损坏；若是磁带，磁头同样会造成损伤），光学可以以“光盘”的形式满足该要求。这是一种包含有脉冲序列的盘，在从最外开始螺旋向内的一条盘道上，这种脉冲序列作为一系列坑或“平地”（没有坑）存在。该光盘是一片塑料板，利用母盘预先将这些坑“冲击”（或压制）在塑料盘上（见图10.11）。无须机械接触，输入一束光就可以阅读磁盘，利用的光学系统如图10.12所示。

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图10.11　光盘的结构

图10.12　光盘读出系统的布局

对光学系统的设计要求是什么？

第一，光点必须包括尽可能多的光能量，以便提供一个优良的强阅读信号；第二，光点尺寸尽可能小，便于读出小坑：坑越小，冲制在信号盘上的数量就越大，存储在光盘上的信息量也就越大，因此需要一个小的强光点，为此很自然地将注意力转向激光光源。此外，为做到小巧紧凑、坚固耐用和低工作电压，特别青睐半导体激光器。这种光源可以发射很强的准直性很好的准单色光，并入射到一块平板分束镜上，通过选择角度（约45°）形成一定量的菲涅耳反射，从而保证50%的光束通过聚焦透镜后面的准直透镜。该准直透镜的作用是使聚焦过程与两块透镜的间距无关，因而与振动和温度扰动无关。聚焦透镜将激光束聚焦成一个小直径光斑，其尺寸受限于光源的波长范围和透镜的数值孔径。下面就讨论这些问题。

首先，透镜材料具有光学色散（见本书4.3节）。也就是说，折射率将随波长变化，因此焦距也随波长变化。对于一个非常好的光斑，要求有小的波长范围，激光就恰好满足该需求。

其次，透镜孔径会造成衍射，将再次约束光斑尺寸。讨论该问题的最佳方法是将光束的传播方向颠倒一下，以此讨论正在向透镜衍射的光斑。如果光斑直径为d，（具有良好的成像质量）波长为λ，那么（根据本书2.10节）光斑将衍射成半角为λ/d的一束光束。如果所有光都由该透镜会聚，则相对于光斑位置（即光盘表面）的半张角约等于λ/d。若D为透镜直径，s为到光盘的距离，则有：

式中，NA为数值孔径。现在计算d的典型值：令λ=850nm（GaAs半导体激光器），D=s（NA=0.5）。若此，则d=1.7μm。

显然，现在需要在光盘上有一个与激光光斑尺寸相同的坑，以便激光束清晰地“阅读”光盘。如果坑有同样的尺寸（1.7μm），那么在一个光盘上可以冲制出多少此类的坑？对于直径120mm的光盘，答案是[（120×10^-3）/（1.7×10^-6）]²≈5×10⁹。本书内容的数字编码文件大小约为5×10⁶bit（约10⁶个字母、空格和冲制出的标志符号等，每个字母需要5bit（2⁵=32）），因此在一张光盘上很容易记录下1000本这样的书。

显然，如果聚焦光斑入射到一块抛光后的“平面”处，则光会经过准直透镜系统，非常好地向后反射到探测器透镜系统和光电探测器（见图10.12b）。探测系统的设计使得光斑-聚焦系统的任何错位都会产生一个误差信号，并反馈到步进电动机上，再利用这些信号校正上述错位。如果光斑入射到坑内，必须保证有尽可能少的光后向反射，所以很容易区别“0”和“1”。通过执行下面程序实现上述目的：

i）坑的深度约为。由于相位反向，所以如此安排就使得坑底部反射的光与盘上平面的反射光形成相消干涉；

ii）坑的直径约为λ，这样，衍射效应将使光大角度扩散到坑的侧壁及准直透镜的数值孔径之外。从而要求坑的深度约0.2μm。

因此，光盘上坑-平面（0-1）信息在光电探测器上将以光脉冲流形式出现，然后准确地转换成电脉冲流。通过电阻，又转换成初始已经数字化的电压脉冲，最后，通过数字-模拟转换装置（Digital-to-Analogue Converter，D-AC）再转回到模拟信号。在传播到扬声器之前，为了转换成声波，这些信号是经过放大的。现在的声波就是原始声音非常准确的无噪声再现。

用图示方法将整个系统如图10.13所示。从光学角度看，这是一个相当简单的系统。然而，该图的确非常清楚地解释了激光光学的基本特性（非接触、高分辨率和良好的信噪比），以及可以满足物理概念（光板尺寸、高密度信息、色散、干涉、衍射和反馈控制等）的基本光学工程内容。

图10.13　完整的光盘读出系统

此外，它还诠释了如何利用光子学提高对音乐的欣赏能力，从而改善生活质量。