超高记录容量近场光碟片技术简介

hx0999 · 发表于 2007-6-21 18:29:20

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自70年代起光碟片产品问世之后，更有了LD（Laser Disc）、CD（Compact Disc）、MD（Mini Disc）、DVD（Digital Versatile Disc）等规格的光碟片相继出现。伴随着计算机﹑通讯技术的迅速发展，资讯储存媒体的进步也一日千里。在光学储存媒体方面，光碟片的储存容量也自CD的650MB，提升到DVD的4.7GB,但是业界追求更大容量光蝶片的努力一直在继续。

目前一般的光学储存媒体，如CD, DVD等，是将光源经由透镜聚焦后照射于记录层上来进行光学读或写的作用，算是一种远场光学的储存技术，而其可辨识出之记录点的大小会受到绕射极限(Diffraction Limit)的限制，因此若要有效地缩小记录点大小以提升记录密度，必须(1)使用短波长的光源；(2)使用高折射系数的介质；(3)是提升透镜的NA值。但无论如何，远场的光学记录方式仍会受到绕涉极限的限制。为了追求更高的光碟记录密度，首先必需解决光的绕射界限障碍，因此利用近场光学原理的超级镜片完成所谓的新一代超高密度光碟目的成为关键技术门槛。

一、何为近场光学

一般而言人类的眼睛所感受到的光称为远视野光（far-field），具体而言，它是光线飞越至远处触及物体反射或折射后的光，当光触及物体时物体表面会形成一层近场光（near-field）的光衣，然而近场光只存在物体表面肉眼却无法辨识，必须使用特定检测器并贴近物体表面才可检测出它的存在。这类检测器以80年代的近场光显微镜（SNOM）较具代表性。

近场光有如水龙头的水流，当我们打开开关时水便快速出，若将手置于水流下方便可感受水的存在，这好比是人眼可辨识普通光；反之若关闭水龙头水便无法大量流出，而在出口处形成水珠，这便是光学上的近场光。此时若将手置于出口处仍无法辨识水的存在，除非用手直接触摸出口处的水珠；更重要的是一旦触摸水珠后水珠便会沿著手流动，近场光也具有这种特性。近场光是在90年代才被发现至今只有百年历史，由于它是一种特殊性质的光，因此实际应用尚不普遍。近场光记录与记录mark大小、光波长没有直接关系，它是受到产生近场光的开口大小所左右。目前近场光显微镜可作到20～30nm以下的开口径，并可检测、记录100nm以下的mark。理论上直径12cm的光碟片可记录1Tera（1012）位元组（Byte）的资料。

hx0999 · 发表于 2007-6-21 18:29:56

二、近场光碟片开发历程

光是一种波状物即使利用镜片收敛仍有它的极限无法将光线完全收敛成点状，它的收敛极限称为绕射界限（Diffaction Limit）。例如将一片平板钻一小孔让光线从一端射入，如果孔径比光的波长更短时，光线无法在反侧产生漏溢，如此一来人们便无法从反射光来判断孔穴的存在。将同样原理运用在光碟片时，记录mark若变小且mark间的间距极窄，长波长激光便无法逐一读取信号，因此才会有人打算利用短波长蓝色半导体雷射来改善此问题，不过即使是短波蓝色雷射仍存有100nm的绕射界限，无法根本解决上述问题，为了突破此界限，业界才将焦点转移到所谓的近场光学技术上来。

92年美国AT&T及贝尔研究所曾利用近场光成功完成首次的光记录，之后更以近场光显微镜在MO光碟片上制作60nm的mark。不过此阶段的近场光记录存有许多缺点，其中一项是记录与检测速度极为缓慢，严重时一分钟只能读取一个mark，这大约是DVD的100万倍，而音乐与影像再生时每秒需读取100万到1000万个mark，此外为了制作近场光，开口触与记录体的间距为10～50nm，换言之稍许的振动都会造成碰撞，几乎无法加以商品化。为解决此问题日本产业技术综合研究所将光碟技术与近场光学显微镜加以整合，开发出高密度光Super RENS（Super Resolytion Near-filed Stracture）。它的结构是在产生近场光的再生层设置锑膜，记录mark的记录层则为锗锑碲合金膜，上述两者之间及碟片上下面再覆盖诱电体层（氮化矽），锑膜在常温时反射率极高，当雷射光束照射再生层时其中心高温部的锑会由结晶状转变成非结晶状（溶融状），而形成高穿透率微细开口（穿透型开口），藉由开口的形成近场光在诱电体依10nm的间距直达记录层制作mark，然而实际上因为开口极为微小，因此再生信号的近场光也变的相当微弱。

有监于此90年代后期才利用氧化银及Nano Explosion特性进行改良，它的动作原理是利用氧化银膜在160°C时银与氧分离所产生的奈米级爆炸，使基板产生变化达成强化近场光的效果。

氧化银反射率低而穿透率高，当雷射光束照射至氧化银膜时它的中心高温部会分解成银和氧，由于银的反射率较高因此形成微细的光散乱体，它的周围则产生近场光同时通过诱电体层达记录层形成mark。碟片回旋带动雷射光束转移照射点进而造成上述被照射层温度下降，再生层再度结合成氧化银。分解后的微少银粒子会在记录层发生一种称为「表面Plasmo」的增效近场光，因此可获得比穿透型更强大的再生信号。

由于双重的氧化银膜再生结构使得解析度因Antenna效应大幅提高，利用光散乱体作为记录与再生的技术称为散乱型Super Lens。实验上即使是红色半导体雷射（波长635nm）上述两种Super Lens都能读取100nm的mark。

近期，由于台湾业界的努力，应用近场光学技术的光碟片已经开发出样品，而且可以相容于现有设备制程与读取装置，其开发进度领先于欧美日等国，因此近场光碟片技术再次成为业界嘱目的焦点。

hx0999 · 发表于 2007-6-21 18:32:35

三、近场光碟片的发展将引发光储存革命

目前开发出的近场光碟片样品的规格与既有的DVD碟片相同，使用的激光波长介于635至650奈米之间，读写功率为1至8mW，最小记录点长度可小于一百奈米，使得碟片单片单层的容量可以高达100GB以上，可以应用在DVD-RAM、RW和R等不同规格的碟片上。

这项技术与目前业界刚刚发表的蓝光DVD相比，蓝光DVD的容量仅7GB，而且必须更换光碟机读写头，实际生产及应用有诸多不方便；与多层光盘“FMD”技术相比，其最大的优势是仅单层容量即可达到100GB以上。而且近场光碟可利用现有设备即生产，量产过程不会比DVD-RAM复杂，近场光学作用层可以是各种金属或化合物的奈米材料，在成本上也并不会提升多少，量产之后的价格仍可在一般大众所能接受的程度。

据悉，近场光学的技术研究成果，除了可用来制造近场光碟片外，还可以应用到半导体及生医产业，应用前景相当广泛。

业界预计该项技术一般在5、6年后可完成其实用划技术开发，随后10年内可推广运用于DVD等领域。因此未来三、四年中，应是最适合的准备量产上市时机。

近场光学技术在光碟片产品中的应用虽然刚刚开始，距离商品实用化还有许多问题有待克服。但由于其是利用既有的DVD读写头技术为基础，加上具有超高记录密度的特徵，因此未来的发展比将对光储存技术产生革命性的震撼。

超高记录容量近场光碟片技术简介

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