光存储，打开了另一扇窗户

五、光存储，打开了另一扇窗户

光能存储信息吗？光盘上的数据是如何记录下来的呢？

在这里，我们很容易犯一个错误，也就是说，不少人认为既然磁存储是数据记录在磁性介质中，那么光存储一定是数据记录在光介质中。

光存储的概念可不是严格意义上的光记录，而是通过机械或光的热效应完成数据记录的过程。而光记录的原理则包括了形变、磁化、晶相、成孔、发泡、热塑等等多种方式，而这些方法可不是我们这本小小的书能够谈清楚的啊，我们只需要了解光存储的概念和它给信息世界带来的巨大好处。

应当说目前的光存储器系统中数据记录与存储的实际介质并不是光，而是利用光的特性，如反射、透射、聚焦、热聚等来完成记录数据和读取数据的一个过程。而记录数据的直接物质，仍然是另外一些物理介质。光记录是指存储介质单元的某种性质可以用某种方法改变，以表示被存储的数据，而这种性质可以用光的方法检测出来。目前，几乎所有光存储数据的检测都采用反射光检测，根据光盘驱动部件中的光电传感器检测到数据记录点所反射出的光的强度来读出数据信号的。

所以，光存储并不是说将数据记录到光里，只是借助光来辅助记录和读取。我们知道，放大镜（凸面镜）可以把太阳光会聚成一束，集中到一个小点上，这个会聚点产生的热量足以熔化某些物质。这也就是光盘数据记录的基础原理。

那么，这里的光是什么呢？读者一定会说是“激光”。是的，激光这个词并不是陌生的，它的英文名为laser，曾经被翻译成“莱塞”，很多过去的科技书中还仍然保留着“莱塞光”的说法。可是，激光对数据存储有什么作用呢？在这里，激光技术是利用激光来“刻录”和“读出”数据，有了激光技术才有激光盘，盘上数据的记录密度是随着激光波长的缩短而大幅度提高的。所以，短波长的激光技术是光盘发展的核心技术之一。

光盘上的数据的记录是通过光头（我们称为光聚集器）产生和形成激光束，通过光头发出的聚集激光束（照射）产生的热敏作用，使某种物理介质表面发生某种变化，包括形状变化或者相位变化等物理特性变化，例如：在一片塑料平板上产生凹槽或凹点等，这样就把数据记录下来了。物理介质上的一个“凹”点可以记录二进制的一个数位，由于激光会聚点非常小，因此，数据记录的密度也非常高，光盘的记录容量当然就很大了。

然而，又怎样把“记录”在“凹”点里的数据读出来呢？这又得利用光的反射、折射等特性。我们知道，当光照射到凸凹不平的物体表面的时候，不同的凸凹面会反射回不同的光线。由于记录数据的“凹”点是根据控制激光束而“烧“成的，它也会对光头发出的读取光束产生反射。这个点能够影响并确定读出器光线的相位、密度、极性或反射率，这样，该光线就会被光度头上的光检测器检测出来。获得的反射信号通过光电转换、放大，去掉干扰信号（噪声）后，送到电子线路中，并还原组合成数据，就将所记录的数据读出来了。

平常我们谈到的光盘仅仅是存储数据的一片介质，把这个存储介质盘片和一个称为驱动部件的、包括激光光头、旋转机械、控制机械在内的机械部件结合在一起，就被叫做光存储系统。在这里，光头起到了一个发出激光束、定位光盘上存储“凹“点的位置的作用，它则需要借用微型机械控制技术来完成装配。

通常，光盘片预先都被格式化成凹槽和轨道，以便能够由光学信号采集器或录制磁头来定位，并存取光盘片上的信息。光盘片的旋转和光信号采集器的移动位置都是由驱动马达和伺服系统来确定和控制的。在定位的过程中，还需要以类似磁盘上的轨道作为参照，数据的控制、获取以及编码/解码还需要借助其他的外围电子器件来进行。

早在20世纪60年代，科学技术工作者就开始了光盘存储器的研究。1972年，Philips公司就开发出了用于播放电视节目的光盘系统，并于1978年投入市场。这种类型的光盘系统被称为激光视盘（Laser Video Disc）系统，我们平时把它们称为大激光视盘，也有人把它们叫做LCD。这种光盘直径较大，有12英寸，类似早年唱针唱机用的硬木唱片一样大。

到了1982年，Philips和Sony两家又共同开发了一种记录音乐的数字式激光唱盘CD-DA，它的盘片直径缩小为120mm，可记录74分钟的音乐，很受使用者欢迎。在CD-DA系统取得成功以后，这两家公司很自然地想到利用CD-DA作为计算机的大容量存储器。但是，音乐数据的记录与播放格式与计算机能够读写的光盘的数据结构是不一样的。而且，用于计算机信息存储数据出错的机会（即误码率）必须要非常小，至少要从CD-DA光盘的10⁻⁹降低到10⁻¹²以下。也就是说，计算机使用的光盘上的数据是以数据块的形式来组织的，而且，每一块都要有自己的地址，这样，盘上的数据就能从几百兆字节的存储空间上被迅速找到。1985年后，这类光盘应用到计算机中记录文件和数据，成为今天风行的只读数据光盘CD-ROM。这种光盘所记录的文件结构格式被列为一种标准，1988年由国际标准化组织（ISO）发布，从而为CD-ROM在数据交换领域的应用打下了牢固的基础。

图3-16　可读写光盘存储产品CD-R

在计算机CD的家族中，有三个最强盛的家庭，它们就是只读光盘（CD-ROM）、可擦写光盘（CD-RW）和利用“染料”作存储介质的“一写多读”光盘（CD-R）。CD-R光盘是在1971年研制成功的，但当时因为光盘驱动器价格昂贵，一般用户根本无缘涉及，没有在市场上形成气候。直到1992年，随着CD-ROM驱动器的普及，日本Sony和Philips公司提出了利用CD-ROM读写格式的CD-R标准，就使得用户自己刻写的数据光盘能够在CD-ROM机上读出。这对那些想自己制作个人数据光盘和备份个人数据资料的用户是天大的好事。而且，CD-R盘片成本低，在塑料基板上涂上一种特殊涂料，用激光束在其上“烧灼”成凹坑以记录数据，因此很受欢迎。直到现在也经久不衰。

目前，与我们生活中密切相关的光存储部件既包括了计算机系统中的光盘存储器（CD家族），也包括了我们家庭生活中使用的光盘放像机、摄像机和录像机，最直接的就是VCD和DVD。

VCD在技术上被称为“激光视听光盘”（Video-CD），它是利用一种成为MPEG-1的数据压缩编码技术和CD光盘的记录格式和其他配套的软硬件设备，如：机芯、驱动和控制部件的光存储部件。记录在VCD光盘上的数据则是经过压缩的活动图像和声音，用来播放VCD光盘的播放机是一种激光视听两用机，平时我们就简称它为VCD机。

VCD光盘的数据记录容量比较小，它的图形图像的清晰度也比较差，一张VCD光盘连一部电影的内容都还记录不下，所以，人们进一步对其进行探索和研究。到了1994年，世界上有两大阵营对垒，对数字视频技术进行研究开发，一大阵营是以日本索尼（Sony）和荷兰飞利浦（Philips）两家公司为代表的技术阵营，另一大阵营是以日本东芝（Toshiba）和日立（Hitachi）等为代表的技术阵营。前者提出了一种称为MCD的多媒体光盘（Multimedia Compact Disk）标准，后者则对应提出了称为超密度视频光盘（Super Density Video Disk）标准，都采用MPEG-2数据压缩编码技术，但具有不同的记录格式。两大阵营针锋相对，谁也不让谁。经过了长达一年有余的争论，最后，信息界的“老大”们开始介入，并充当调停人。在微软（Microsoft）、IBM、康柏（Compaq）和惠普（HP）等公司的呼吁下，两大阵营终于和解，并在1995年达成协议，统一标准，并把这种标准命名为DVD，也就是数字多功能光盘（Digital Versatile Disk）的缩写，也称为数字视频光盘（Digital Video Disk）。

不论是VCD还是DVD只是两种光盘类型的总称，它们各自还分为若干类型，如：带-V字的图像光盘、带-A字的音乐光盘、带-ROM字的计算机用数据光盘、带-R字的只能写一次的数据光盘和带-RAM字的可以反复记录和读写的光盘。前两种适用于电视设备，后三种主要用于计算机设备。此外，DVD还有十几种不同的物理格式，每种物理格式都有它们各自的优缺点，光盘的大小、规格也不同，有直径80mm（3英寸）和120mm（5英寸）的。它们的数据记录方式也分为单面单层、单面双层、双面单层、双面双层等多种。

光存储还有很多新的技术，例如：高密度记录技术、LSI技术、高效编码技术等等。高密度记录技术的目标是利用较小的材料介质记录更长、更多的信息，提高数据的记录密度和容量。而LSI技术是采用大规模和超大规模集成电路技术来设计电路，通过它们进行光电的转换、传输、处理和控制等。高效编码技术则是一种对存储的数据进行编码、解码和压缩的技术，它为多媒体数据（比如：图文声像数据）的存储和传输节省了空间和时间。当然，对这些技术的学习和理解需要一个较长的过程，涉及较深的技术知识和物理材料知识，我们这里不作深入讨论，读者可以查阅相关的技术书籍，进一步了解。

光存储技术为我们打开了另一扇窗，那绮丽的风景引领着我们走进另一个世界！光的存储、光的计算、光计算机都是非常吸引人的未来技术，愿青年人投身其中，成为将大自然之光带给人类世界的新人！

另一类光存储技术是分别利用光和磁彼此的特性来进行的，磁介质用于记录数据（热磁效应），光媒介用于读写过程，它被称为磁光存储。

20世纪80年代中期，磁光盘问世了！

磁光盘的应用也分别走着自己的路，一路走向了计算机存储，即通常的MO（Magneto Optical Disc）光盘；另一路走向了家庭音响和随身听设备，这就是MD（Mini Disc）。

图3-17　电子科技大学生产的磁光盘

磁光盘（无论MO还是MD）和相变光盘CD的工作原理是不同的，它是基于磁光记录技术，它的理论基础是：在高温下磁介质会发生变换，并且在冷却之后一直保持这种变化（数据记录过程），如果再次加热，又可以将其恢复到原来的状态（数据擦除过程）。

磁光盘利用介质的磁性能，在磁光头产生的激光束照射下，会将照射点的材料加热，当这个热量超过材料的“居里点”（也称为“居里温度”，即把某种物质磁化的一个特定温度区域）的时候，利用一个小小的磁场就可以改变这种材料的磁化状态。磁光盘采用的盘片材料的“居里温度”是180摄氏度，同时记录磁头用正极或者负极信号把数据纪录（磁化）到磁光盘的加热点上，随着磁光盘不停转动，新的数据源源不断写入，当加热点逐渐冷却下来，就保持了加热时被磁化的磁信号。在磁光纪录的整个过程中，激光头、盘片和纪录磁头三者之间没有任何的物理接触，所以，即使反复的读取、擦写，磁光盘也不会像CD或者磁带那样逐渐磨损和损耗。

可见，磁光盘的数据写入需要磁场和激光同时作用，先采用激光束加热材料表面，待达到一定热量后，再利用磁效应对材料的记录点磁化，这就是所谓的热磁效应。这样，数据就以磁化的方式记录到了存储介质上了。当然，读出数据的过程则可以通过磁光头对材料磁化点的磁感应，再通过电子转换，得到数据。

不仅计算机采用磁光盘作为数据存储设备，我们的家庭生活中也离不开磁光盘。从它的别名MiniDisc我们就知道，它小巧玲珑。它的直径只有64毫米，厚度为1.2毫米，用一个硬塑料保护套保护着，看起来与计算机使用的3.5英寸的软盘差不多，但它比软盘还要小。

MD在1992年就由日本索尼公司开发出来了，作为一种专为唱片出版行业设计的磁光存储盘片，用于录音、放音。1993年，又生产出了它们的孪生兄弟MD-DD（MDDataDrive）用到电脑上存储数据，这就和MO差不多了。

当时，MD可以储存74分钟（立体声）或148分钟（单声道）的音乐，相当于MO的140MB容量的电脑数据存储，虽然并不很高，但一张MD可记录255段歌曲。而且，MD重复写入的次数据称有一百万次，够了吧？也就是说理论上一张MD你可以一直用下去，不管如何听、洗掉、再录，如此重复，数据可以保留很长时间，这是磁带不可能做到的。而且录音品质很好，这可是发烧友所期待的啊！

现在我们已经可以看到，磁光盘的工作需要磁、光、电三者，它们一个也不能少，它们谁也离不开谁！

无论多大容量的光盘存储系统，在信息世界里面对浩若烟海的数据和信息都是不够的。人们常常为数据的存储和信息的备份（防止突发的灾难）而发愁，继而冥思苦想，继而探索发现。光盘刚问世时，它的存储容量就已经引人注目，其单片存储容量甚至超过了当时的硬盘，达到600～700MB。后来，当DVD光盘问世后，存储容量更是大大提高。不过，信息世界中的数据存放是永无止境的，大型计算机系统每天要访问的信息也不是靠一张两张光盘替换来工作的。于是，人们想到为什么我们不能向磁盘阵列一样，把光盘也集中到一起，装在一个框架中而形成“光盘阵列”呢？人们去做了，也成功了！这种光盘也称光盘塔或光盘库，它可以作为一个独立的计算机服务器，也不依靠和占用网络中的文件服务器，它还可以直接上网，网络上的用户也可以直接访问这个光盘阵列存储装置。光盘阵列可以自动取换光盘盘片，利用精密机械手从光盘柜中选出一张光盘送到驱动器进行续写，当然，机械结构是比较复杂的。盘片库可以存放几十片甚至上百片光盘片，容量大，对图书馆、气象部门等需要大容量数据联机存取的信息检索中心是非常有用的。目前已经设计了堆叠式的、即插即用或热插拔式的、可以连接多台外置CD-ROM光盘驱动器的光盘阵列。一个光盘阵列既可以由一台计算机作为海量存储装置使用，也可以连接到网络中作为网络用户共享的网络共同存储装置。人们扩大存储记忆的梦想又一次实现了！

你听说过纸做的光盘吗？

把纸做得像镜子一样！这是人类的理想。用纸来做光盘！这是环保的希望。

纸能记录数据吗？人们会毫不犹豫地回答：是！

纸能存储数据吗？人们往往会惊讶地反问：存储和记录不是一回事吗？

我们来看看纸、造纸术与光盘，这三者在现代信息世界中的关系？让纸来做光盘！

图3-18　光盘阵列

没有纸就没有事物记录的创新！没有造纸术就没有世界文明的创新！在纸上记录文字的历史已经上千年，在纸上记录图片也已经延续了上百年，现在人们又一次用纸来存储数字信息，存储图、文、声、像这些多媒体数据。

你知道纸是怎样造出来的吗？中国古代有一本奇书，叫做《天工开物》，其中详细记载了从登山砍竹到造出竹纸的全过程。

公元2世纪，造纸术在中国各地推广，使用逐渐增大，到了公元3～4世纪，纸已经基本上取代了绢帛、简牍而成为我国唯一的书写材料。

中国的造纸术在公元7世纪经过朝鲜传入日本，8世纪中叶经中亚传到阿拉伯，随后由阿拉伯传入欧洲。公元12世纪，西班牙和法国最先设立了纸厂，13世纪在意大利和德国也开始设厂造纸，到16世纪，纸张已经流行于全欧洲，终于彻底取代了传统的羊皮和埃及的莎草纸等。此后，纸逐渐流传到全世界，有力地推动了世界文明的进程。

纸张，在今天不仅仅是书写材料，它在工业上和在人们的日常生活中也占有重要的位置。纸历来就是记录信息的载体，纸制书籍、报纸、刊物、杂志等等都成为信息记录和传播的媒体，也被称作是第一代的新闻传播媒体。进入21世纪后，随着材料技术、电子技术、通信技术的发展，存储技术也不断地创新，今天，人们创造了一种新型的光盘：纸光盘！

我们知道，全世界光盘的供货量可是一个大数目啊！2003年就达到了年销量200亿张，仅CD-R光盘就超过了100亿张，2005年已经超过1000亿张。而且，CD-R型的光盘多被用于交换电脑数据，绝大多数用完就扔掉了。我们自己手里也有很多CD、VCD、DVD这样的光盘，当它们不能使用的时候，我们也会将它们扔进垃圾箱。

我们想到过会有什么问题吗？

现在使用的光盘的底板过去一直使用塑料材料，这些材料是被称为聚碳酸酯（PolycarbonateResin）的硬塑料。废弃的光盘一般进行焚烧或填埋，焚烧时必须要有高温加热设备，燃烧会产生有害物质，而填埋时废弃的CD盘片会有过半残留于土壤中，永远也不能分解，如果大量丢弃，就可能造成环境问题。如何将光盘变成一个没有环境问题的产品呢？

信息时代的一项新技术就是用纸来制造光盘！这可是一项颠覆常识的新技术啊，经过若干次失败的洗礼，日本的科学家们成功了！

新技术将塑料换成了纸和玉米材料，1个玉米棒能生产10张CD盘片，你信吗？这种光盘的记录容量和普通的蓝光光盘一样，仍为25GB，性能几乎没有任何差异。

这种技术采用生物降解树脂，即聚乳酸（PLA），一种来自于植物的树脂，其主要原料是玉米。通过使用生物降解树脂，就能够解决现有CD盘片废弃时对环境造成的污染。由于使用了植物性乳酸，与过去使用的聚碳酸树脂相比，焚烧时的燃料能量较低。而且，进行填埋处理后，2～5年即可降解完。

纸制光盘的特点有三个：其一，是它的天然性。光盘制造材料取自天然植物，如玉米等，制作的盘体能够当成纸类可燃物废弃。目前，纸在光盘的重量中占51％，最高可达60％，尽管没有达到饮料罐和牛奶盒的70％，但根据日本地方政府制定的垃圾回收标准，它属于“纸类”。不久的将来如果纸的比例进一步提高，还能够回收再利用，从环境保护的角度，它已经远胜于塑料光盘。

其二，是它的保密性。纸制光盘可以轻松地用普通的剪刀剪碎它。由于剪碎的光盘很难复原，这样就能防止信息泄漏，比过去消除塑料光盘时必须用切割器等划伤光盘，或者用锤子砸碎光盘等方法轻松、方便。

其三，是它的可设计性。纸光盘还可以通过印刷制作彩色设计，从而制作彩色光盘。目前，CD和DVD大多采用四色印刷，想要把照片等内容印到光盘上时，首先要将最下面印成白色，然后再进行凹版印刷，或者只能贴上彩色标签。而纸制光盘是白纸，那么就能像杂志一样直接进行凹版印刷。这样，光盘的设计性就会得到提高。

纸制光盘的技术，在硬度和成型方面没有问题，最具挑战性的是实现“镜面一样的纸”，即纸型表面必须非常平整和光滑。而且，目前的读写光头技术已经发展到采用蓝色激光光束，因此，“镜面”是根本的参数。

这种“蓝光”光盘由覆盖层和底板组成，光盘的整体厚度为1.2mm，其中约1.1mm为光盘底板，剩下的0.1mm是覆盖记录层的透明覆盖层。播放数据时，通过透明覆盖层照射激光，覆盖层的厚度仅为0.1mm，由记录数据的凹坑、使用银等金属制成的反射膜，及塑料保护膜组成。而底板的厚度则为1.1mm，采用纸来代替传统的塑料底板。为了用激光正确地读取数据，光盘底板必须像镜子一样平坦，如果纸型底版表面粗糙、易受潮或干燥后会变形的话，就不能使用。而且，如果纸扭曲变形，激光头与光盘记录面之间的距离就会因光盘上的不同位置而变化，从而就使得聚焦误差加大。因此“纸光盘”的开发难度很大，技术要求很高。

图3-19　可彩印的纸光盘（图片来源：日经BP）

2003年11月，日本先锋公司的采用玉米淀粉树脂为盘底版的纸光盘问世。采用玉米材料的纸光盘的最大的问题也是如何解决底板的“镜面”，开发人员通过调整玉米淀粉树脂中的添加物用量，最终使淀粉和添加物比例达到了80％和20％，又一次成功地解决了底板难题。

纸光盘盘体做出来了，那么，数据的存储与记录问题呢？

人们开始的想法与传统光盘制作一样，采用了名为Stamper的激光照射成形设备，直接在玉米淀粉树脂上刻制记录数据的点，但淀粉树脂却被烧煳了。失败使人们的思维再一次创新，什么东西“烧不糊”啊！人们最后决定在玉米树脂底板表面上形成一种紫外线硬化树脂薄膜，然后再利用Stamper技术转印沟道，从而成功完成了数据的记录。

图3-20　纸光盘结构　资料来源：日经BP

人就是这样产生着一个一个的新的思维，一步一步突破着技术的限制。

纸光盘制作的成功，扩大了信息存储的领域，也为世界环保问题提供了极有价值的参考。目前，无论是纸制光盘、玉米光盘，还需要解决可靠性的问题。目前玉米光盘存储的时间一长，会发生轻微的变形，但这是致命的。因此仍要进行进一步的耐久试验。

纸光盘的实用化即将到来，首先，纸光盘的应用将以书籍、报纸、刊物附录以及数据发布等一次性方面的用途为主。这种环保型的光盘虽说仍有诸多课题需要解决，但它的出现对于日益扩大的光盘市场却具有很大的先导作用，也再一次体现了人在与自然和谐相处之中的又一次创新！从思想到行动！