运维教程-大话光存储(2)神秘的激光头及蓝光技术

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大话光存储(2)神秘的激光头及蓝光技术

书接上文。《大话光存储(1)光存储基本原理》

【激光头的秘密】

一个小小的激光头是如何能够检测出如此精密的光反射样式,以及如何知道当前光头所处的位置,以及聚焦是否到位、是否处于光道正中央呢?激光头上有4个正方形排列的精密感光二极管。其作用非常精妙。如下图所示,当激光点未聚焦准确时,不管是离盘面过近还是过远,其反射光的光斑都会是椭圆形,这样的话A和C产生的光电流之和(A+C)会与(B+D)不相等,仅当聚焦准确时,二者才相等,这样就可以通过负反馈电路反馈到控制光头聚焦的电路上重新聚焦,从而最终稳定聚焦。

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当需要跳跃到对应轨道上时,光头径向移动,通过检测下方所越过的轨道沟槽数量从而精确算出目标轨道的所剩距离,从而负反馈到控制光头移动的电路模块,最终达到目标轨道上方。但是依然无法定位精准到轨道正中央。此时光头的4个感光二极管再次发挥精妙的作用。如下图所示:

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如果光斑偏左,则A二极管总是超前D二极管率先检测到信号,因为D在A的下方。同理,如果光盘偏右,则B的信号相位会超前C。所以,用于检测聚焦的电路一样可以用来寻轨。只要(A+C)的相位=(B+D)的相位,才意味着光头处于轨道正中央。

上述的负反馈系统,被称为“伺服系统”,其本质上是负反馈控制,基于连续变化的模拟线号。

当读取信息时,电路检测的则是光电流A+B+C+D,因为此时检测是光斑的整体上的强弱,来判断1和0。

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然而,社会以及IT的发展实在是太快了,各种玩法层出不穷,眼花缭乱。冬瓜哥自从05年大学毕业之后,光盘基本就从日常生活中消失了。给PC安装OS也都是从U盘启动安装。平时的一些珍贵内容的归档,也基本放在了移动硬盘里。一张CDROM,700MB内容,DVD格式4.7GB。而一个U盘/tf卡动辄32G,而且速度比光盘快得多,用起来也方便的多。再加上互联网大提速的影响,用光盘来传递大容量数据的方式也逐渐被网络下载所取代。这样看来光盘似乎不占什么优势了?还得看场景,用于承载数据的贩卖零售,或者在线业务肯定是不合适的。但是如果用于离线保存、归档,DVD这种低容量的制式在这个大数据时代又显得比较鸡肋了。

但是,目前最新的商用光存储制式——蓝光光盘,其容量可以做到单碟200GB,普及版的也能做到单碟25GB,碟片成本不过2块人民币左右。这似乎非常适合于离线或者近线存储系统。蓝光光盘将会是离线存储市场上全面取代磁带系统的极具潜力的挑战者。

【蓝光光盘简介】

顾名思义,蓝光光盘就是采用蓝色激光系统刻录、或者预录模具冲压的光盘。其波长低至405nm,也就意味着其能够在相同面积上存储更多数据。单面单层可达25GB,目前商用蓝光盘最高容量达到了双面每面4层,而主流为双面每面3层,其容量共200GB,而其制造成本不过2块人民币,当然光驱还是比较贵的。

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下图中可以明显看到蓝光光盘的沟槽密度很高,而且也可以看到沟槽的波浪线,如前一篇文章所述,这个波形实际上是调制了一些控制信息进去的。

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蓝光光盘采用的是STW技术来编排波形以及解调。STW 是一种地址调制技术, STW 的全称 SawTooth Wobble (锯齿抖动),也就是上述的通过轨道边缘的锯齿方向来表示地址信息一种技术。

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早期的 STW 设计,由 36 个方向一致的抖动锯齿合成一 bit 的数据,完整的地址信息由 51bit 组成,在 BD 的规范中,改为使用 56 个抖动锯齿合成一 bit 的数据。在这 56 个抖动中,利用 MSK)(一种调制方式,最小频移键控) 和 STW 两种方式来嵌入上述的 1 位地址信息。 56 个抖动可分为利用 MSK 方式调制的区域和利用 STW 方式调制的区域,前者通过 MSK 方式调制来确定抖动位置、后者则是利用 STW 方式的“锯齿”方向来判断“ 0 ”、“ 1 ”信息。

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STW 的检测原理,轨道的抖动形状由一个正弦波形和一个方波形组成,在方波形区所回馈的检测的频率是正弦波形区的 10 倍(这里的频率是指将方波展开正弦波之后最高的频率,理解不了的话可以看一下傅里叶的波的叠加理论),带通扫描信号频率与正弦波形的抖动频率一致,这样在通过方波形区时,就会行成回馈信号的差异,从而可以来判断锯齿的方向,并依此获得 0/1 信息。

蓝光BD可以制造成单面单层、单面双层和双面双层的:

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由于蓝光光盘对激光的精准度要求更高了,所以其对覆盖在表面的保护层的要求变得相当高。其需要比较薄,厚度仅有0.1毫米。另外其要求必须非常平整,因为细微的凸起就会改变激光束的路径,产生误差。如果按照CD、DVD的制作工艺,表面会有大概60微米左右的上下起伏误差范围,而蓝光则要求不超过3微米。位于广东的紫晶存储生产的蓝光光盘采用了改良后的旋转涂布技术攻克了这一难题。

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蓝光盘的综合性价比目前最高。在相同的产量水平上,每张蓝光光盘的生产成本比DVD光盘约高10%。但是,由于光盘表面涂料干凝的时间更少,蓝光光盘生产线的单位时间平均产量却更高,这样能够提高生产效率,也就降低了每张光盘的生产成本。

【蓝光光盘的分类】

大家熟知的PS3/PS4游戏机用的就是蓝光盘+蓝光光驱。在企业应用场景下,蓝光光盘被广泛用于档案归档场景。档案级蓝光盘相比消费级的区别是需要采用更高质量的材料以及更抗腐蚀的保护层。档案级蓝光盘目前主要分为4个档次:

  • 永久档案级蓝光光盘 PABD PermanentAchival Blue-ray Disc,永久保存
  • 长定期档案级蓝光光盘 LABD Longevity Achival Blue-ray Disc, 30年以上保存
  • 短定期档案级蓝光光盘 NABD NormalAchival Blue-ray Disc ,10年以上保存
  • 超长定期档案级蓝光光盘 ULABD UltraLongevity Achival Blue-ray Disc,50年以上保存
  • 其中ULABD级档案盘使用最为广泛。

【国内蓝光存储行业生态】

通过上面的介绍,大家可以看到光盘的制造生产是个技术含量非常高的行业,其复杂度是可以与芯片制造相提并论的。事实上,有些步骤也颇为类似。比如模具的生产环节。芯片的制造其实也是先制作掩膜,然后感光、洗胶、蚀刻等步骤,只不过其精密度更高,达到了纳米级别,而光盘的每个凹坑还是微米级别。

冬瓜哥之前对光存储了解甚少,直到最近才知道,相比芯片制造而言,蓝光产业在国内的发展其实已经可以说是瓜熟落地了,而且达到了国际领先水平。紫晶存储(http://amethystum.com/)是国内唯一拥有自助知识产权的专业蓝光存储介质技术和生产能力的高新技术企业,是国家光盘行业标准的起草单位,也是国家出版产品质量监督检测中心“蓝光检测实验室”的承办和运行管理单位。其主要产品有:蓝光光盘生产线全套设备(全自研)、各类蓝光刻录盘以及蓝光存储系统。

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图中的SAMLINK是紫晶旗下的商标。图示为一个刻生产单/双层蓝光可刻录光盘的系统,为掌握自主知识产权的自研产品。主要技术指标:

·       生产周期:    BD-R SL ≤4.5 秒, BD-R DL ≤5.0 秒

·       涂覆层厚度:  BD-R SL 100μm    BD-R DL 25+75μm

·       涂覆层均匀度:BD-R SL: ±1.5μm  BD-R DL: ±1μm

·       供电电源:    3相/PE/380V/50HZ

·       耗电量:      30.8KW

     曾经参70 年代早期光盘存储技术设计的弗尔斯不久前接受采访时说:“我们当初设计光盘的时候计划其能有 150 年的极限寿命,谁想到目前看也就 30 年”。可以看到,大自然的腐蚀性是远远超过人们所预料的。为了增强档案级蓝光盘的抗腐蚀性,紫晶存储的ULABD档案级蓝光盘的应对措施是:

1. 高稳定性记录层材料(专利号:201110006297.9),采用纯硅与含贵金属——铂金的铜合金结合。

2. 高可靠性的反射层材料(专利号:201110326322.1),采用的是银合金。

3. 高性能的保护层,溅镀上一层或多层较厚的三氧化二铝保护层;

4. 新增的工艺环节,强化防潮抗霉耐磨的性能(旋涂专利号:201110326040.1;溅镀专利号201110326039.9)。

5. 强化腐蚀老化测试,包括温湿度,紫外线,耐磨,盐雾四种老化测试。

在下一篇中,冬瓜哥将为大家介绍逼格甚高的蓝光光盘库系统的原理、玩法。其中还会有实际操作的视频分享,敬请期待!

作者:冬瓜哥

文章出处:大话存储

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本文固定链接: http://kua0.com/2019/01/03/运维教程-大话光存储(2)神秘的激光头及蓝光技术/

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