魔法光碟–隨身攜帶的多媒體資料庫
94/03/03
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田仲豪｜
交通大學光電工程學系
謝漢萍｜
交通大學光電工程學系
記錄媒體儲存資料的方式從傳統的磁性裝置到以光學儲存，發展至今種類繁多。傳統的影音消費性儲存媒體主要是以磁性記錄為主，到了七○年代末期，兼儲存與播放影像的錄影帶推出市場。隨著家用視頻系統（video home system, VHS）與BETA系統的競爭而擴大市場接受度，使得錄放影裝置快速發展。
一九八二年飛利浦和新力公司聯手推出雷射數位光學唱片（compact disc, CD），消費性記錄媒體從此由類比轉變成數位時代。由於數位化記錄方式具有許多傳統類比式記錄媒體所沒有的優點，如雜音低、音質逼真、保存年限久遠等，而廣受消費市場歡迎。在風行十餘年後，從一九九三年起業界陸續把影像處理加上MPEG-1（moving picture experts group 1）數位壓縮技術納入CD內，至一九九四年由於不斷改善影像品質以及個人電腦的普及，造就目前市面上相當流行的數位影音光碟（video CD, VCD）。
但由於傳統CD系列產品容量僅能達650百萬位元組（megabytes, MB），且MPEG 1壓縮格式會產生畫質劣化現象，加上容量不足以記錄一部電影影片等因素，終究無法充分滿足多媒體時代高畫質、高音質與多功能軟體所需要的記錄容量需求，因此在消費市場、電影業者與電腦業者三方面推動下，配合光學記錄技術、半導體雷射技術、光碟製造技術進步等因素，推出滿足現階段消費需求，且被喻為跨世紀與跨業界的新一代光學記憶媒體「數位多功能光碟」（digital versatile disc, DVD）。
不過它在發展上遭遇劇烈的主導權競爭，日本各大公司無法坐視飛利浦和新力獨享CD以及其衍生產品的利益優勢，於是成立了DVD論壇（Forum），制定了以MPEG-2壓縮的規範。可容納133分鐘影片的DVD video 為其第一項DVD產品。並於一九九六年九月由松下電器與東芝同時在日本市場推出全球第一臺DVD播放機。
從CD到DVD產品的演化歷經了將近二十年（1982- 2002），除了發展更高密度的碟片系統，另一方面為了使光儲存有更高的移動性和便利性，所以也希望產品越小越好。為了達到這項要求，各種技術不斷地提出，並設計成不同的產品。在本文中，會對光儲存技術以及未來微小化的儲存技術，目前發展的狀況做一番介紹。
光資訊儲存
目前光資訊儲存中最常見的記錄方式，是以光碟片為記錄媒體，根據不同的記錄功能，包括唯讀型（read only memory，如CD、DVD）、可寫一次型（write-once read-many, WORM，如CD-R），以及可擦拭型（rewritable，如CD-RW、MO）。唯讀型光碟片如CD或DVD的資料，是以光碟片上壓模所產生的凹洞儲存的，經由聚焦雷射光掃描，有凹洞（代表1）與沒凹洞（代表0）會產生反射率的差異，因而把數位資料讀出。傳統CD播放機的光學架構相當簡單，因為光碟機光路設計的唯一功能是讀取光碟片上的資訊。
相對於此，可寫一次型光碟機在記錄資料時，把CD-R上的染料層做永久性的破壞，讀取時再經由較弱的聚焦雷射光掃描，藉由反射率的差異以取回信號。同樣的道理也應用在擦拭型光碟片上。
在磁光碟片中，最常用來當磁光記錄物質的是TbFeCo，它的垂直磁矩的方向隨著外部的磁場與熱能可立即轉向。在室溫下，磁矩的方向是非常不容易旋轉的，所以可確保資料正確。當碟片藉由會聚的雷射光束加熱到居禮溫度（約攝氏200度）時，外加一磁場來決定磁矩的方向，用這來記錄資訊。而藉著柯爾（Kerr）效應所造成的磁化旋轉角度，來界定1或是0。
在相變化碟片中，則使用GeTe-Sb2Te3-Sb擬三元合金，以在晶態和非結晶態的不同反射率來界定1或是0。使用相變化光碟前，須用初始的晶態做為還沒記錄的狀態。用短而集中的雷射脈衝，材質可被快速加熱至高溫並且達到非晶態而成為記錄點。在擦拭的過程中，物質可藉連續的低能量雷射而緩慢地變為晶態。
因光學儲存媒介中寫錄標記的尺寸約1.0 μm2，這較一般塵粒污染的尺寸小得多。因此在無外加的保護下會有兩明顯的情況發生，不是刮痕或指紋擾亂入射波，就是大的塵粒遮蔽入射光束（振幅衰減）。為避開這些問題，因而使用基板，讓在基板上的光點大小比塵粒大得多，使塵粒不會影響讀出的訊號。
光碟片的傾斜會導致光學品質的降低，降低幅度則與tNA3成正比，其中t是基板厚度，NA代表透鏡聚焦能力的數值孔徑，越大表示可以聚的光點越小。在增加寫錄密度上，越薄的基板厚度t與越高的NA是可行的。然而基於力學剛性上的考量，基板不可過薄。因此新發展的DVD格式定義基板厚度是1.2 mm，但分為兩層而緊貼，因此讀出點的實際基板厚度減少為0.6 mm，可使碟片的剛性和CD類似，降低因光碟片傾斜所造成的影響。
在之後的光碟規格中，因要達到高密度及快速存取，會使用具高數值孔徑物鏡的光學讀寫頭。除此之外，為了降低塵粒對於信號讀取的影響，未來可能會將光碟片加裝卡匣，以保持表面的清潔。
光學架構
在一般光碟機的光學架構中，雷射光由半導體雷射發出，經過準直鏡把發散的光變成準直的光，因為半導體雷射發出來的光是橢圓光，並非我們想要的圓形光，所以使用稜鏡對把橢圓光變成圓形光。
分光鏡的功能是使由下方來的光穿過，而上方來的光可以反射。這裡使用的是相位分光器，會依照相位不同來判斷要如何做，而四分之一波片是用來翻轉相位的。利用物鏡把光束聚焦到碟片上，再利用聚焦鏡把光聚焦到資料和伺服偵測器，來得知碟片上的資料和伺服所需要的資訊。
物鏡 在光碟機中，透過物鏡可以把雷射光束聚焦至記錄媒體上，傳統上，物鏡是由玻璃和塑膠材料所做成的。物鏡的數值孔徑和雷射的波長（λ）決定了在記錄層上聚焦後的光點大小，可用Δx = λ／NA 表示，光點越小可以使記錄資料的密度越高。因此，提高物鏡的數值孔徑可以使光點縮小。雷射光聚焦後，並不會完美地聚到一個無限小的點，而是只會聚到某一個程度的光點，在光點都是最小的範圍內就定義是焦深，而焦深可以表示成ΔZ = λ／NA2，所以增加NA會減少焦深。
DVD／CD系統的相容問題 要達到最小光點的必要條件是，盡可能地使透鏡系統的各種光學品質提高。然而，因為DVD和CD的基底厚度及記錄密度不同，所以要用單一物鏡達到兩者的聚焦位置和聚焦大小是不容易的。根據CD的標準，是用波長780 nm的光源和一個NA 0.45的物鏡產生1.7 μm的光點。而根據DVD的標準，則是用波長650 nm的光源和一個NA 0.6的物鏡，產生0.5 μm的光點。
讀取兩種碟片的唯讀頭，有兩種方法可以製作。第一種是用兩個不同的光路。原本可以用兩個雷射光源，但因價格和大小的考量，目前都用一個雷射光源（λ ＝ 635 nm），並使用兩組物鏡，一組是用在CD，另一是用在DVD。在CD系統中，波長是 780 nm，在DVD系統中，波長則是635 nm。因需要達到各自所需要的光點大小，因此如果選波長為780 nm，則在用於DVD時NA會過大而製造困難。所以選波長為635 nm，而用於CD中，則使用NA是0.35的物鏡，來達成相同大小的光點。
另一種方法是使用雙聚焦的物鏡，讓透過這物鏡的光，一半可以聚焦成CD系統所需的光點，另外一半聚焦成DVD系統所需的光點。
讀寫頭的微小化發展
未來讀寫頭改進的重點，包含微小化、積體化和平行處理光束的能力，期待這些裝置能夠縮減光碟機結構的花費、尺寸及重量，使得裝置在價格及實用性上更具有優勢。目前已有使用讓元件體積減少的全像光學元件，以及把雷射、分光元件和檢測元件製成單一封包的積體光學元件產品。
使用積體光學在把光導入和導出時，會產生相當大的能量損失，因此會影響到整體雷射功率的表現。現在，越來越多的人注意到用整合電子、機械和光學微機電系統的技術來做讀寫頭。這個整合不只藉由消除大的光學元件來減少組裝費用，而且可以提升元件的性能。
在這介紹三種新的讀寫頭，分別是全像體積化，平面光波導，和微機電系統。
全像體積化 把雷射二極體發出的光導引到光柵耦合器，使其聚焦到碟片上。光點大小經量測約2 μm，而理論的大小是1.4 μm，其中主要誤差是光學像差。
平面光波導 這是一種把平面光學及許多不同種類繞射結構的元件，整合在玻璃基座上的技術。玻璃基座的功用是光引導，光是順著 Z 字型的方向作光學的移動，這樣光線就會按照順序遇到具有聚焦或是其他特定特性的元件，以達成我們想要完成的情況。當波長是λ ＝ 0.63 μm時，焦點長度是1.0 μm，這值相當接近理論值0.98 μm。
微機電系統 在矽基板上，以半導體製程製作三維的光學元件，定位器及校準器等器件。這種製作的方式和傳統的讀寫頭完全一樣，唯一的不同在於這種方式是把它縮小在極小的地方製成。其中微菲涅耳鏡是用來取代傳統的透鏡功能，它的NA測量值大概是0.17。
雖然這些微小化的方法目前並不能完全符合現今的光碟規格，可是隨著未來更大密度的光碟出現，所需要的精確度也會大大提升，而這些方法可提供的精確度是相當高的，在不久的將來應該可以整合於現今的讀寫頭中。
