CD-R光盘制作最优刻录功率的研究 /

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1.CD-R光盘的结构与刻录原理

 

图1 CD-R盘片的结构

如图1所示,从CD-R盘片的结构上看,CD-R盘片主要有盘基,染料层,反射层和保护层构成(对于商品盘片在保护层外一般要有一印刷层)。其中盘基和一般的CD盘片相同都是聚碳酸酯(PC)材料而保护层也同为UV保护漆。而有机染料层和反射层的材料选择的不同将很大程度上决定了盘片的性能和质量。目前CD-R中的常用染料包括花菁(cynanine)、酞菁(phthalocyanine)和偶氮(Azo-metal Complex)三大类。由于铝在刻录时的高温条件下无法保持稳定,所以反射层材料一般选择金或银。

CD-R有机染料数字光存储中,写入信息时记录介质产生不可逆的物理化学变化,形成永久性的记录。写入时10mW左右的激光束在记录介质膜层上聚焦成直径约1mm的微光斑,能量密度达106W/cm2, 在不到1ms的时间内把光照微区内的膜层温度升高到数百度,使膜面性质发生改变或完全破坏,形成稳定的记录信息点。

写一次型光盘的记录是光热效应记录,即记录激光束的光能转化为热能对记录介质起作用,形成记录信息符。一般认为,激光诱导的有机光盘染料介质的写入包括以下三个阶段:

1、 染料吸收激光光子,跃迁到各个激发态。

2、 在纳秒的时间内,吸收的光子能量通过辐射(荧光和磷光)转化为光能或通过内转换等非辐射途径转换为热能。由此可见,为使记录层具有较好的写入性能,一般要选择那些具有较高的非辐射跃迁效率以及极低的荧光和磷光量子产率的染料。一些热转换效率接近于1的染料常被用于光盘介质。

3、 吸收的热量使得记录层的温度在短时间内达到数百度(如250℃以上),由此引发了记录层染料的漂白和鼓泡或基片的熔化、流动、变形和烧蚀等过程。

在以上三个阶段之后,有关CD-R盘片变化机理尚没有统一认识。一种看法是:染料层在激光的作用下迅速熔化、变形、气化、分解,盘基和反射层之间形成一个类似于CD的信号坑(约1mm)(如图2所示)。由于信号的读出是根据凹坑处反射率降低来实现的,这种反射率的降低可以认为是由于凹坑处本身的反射率降低引起。另一种解释认为被反射层和基片所密封的染料层中不可能出 现具有空隙的凹坑,在激光照射处的染料层发生了流动,使得染料层渗透的PC基片中形成一个深度为dbulge=80 nm左右的鼓包,在金反射层表面也形成约dpit=7nm左右的凹坑,同时在该处的染料层被流回的聚碳酸酯所稀释。如果读出光斑的直径大于凹坑的直 径, CD-R的读出原理就同样可用干涉的原理来解 释,假定在780 nm处染料的折射率ndye?2.8,基片的折射率为n pc=1.57,则其光程差:

<![endif]> (1)

加上染料被稀释所引起的约100nm的光程差,总的光程差为341nm,与CD的光程差相似。这就解释了两者兼容的原因。


图2 CD-R光盘的“鼓包”写入原理示意图

虽然CD-R盘片的存储本质机理尚在研究之中,但其基本原理就是有一定强度的激光束使染料层发生物理或化学的变化,实现二值存储。这种刻录过程是与激光强度密切相关的,因此刻录功率是个非常重要的参数。由于只读类光盘没有此参数,而在CD-R光盘标准中并未对这个参数进行规定,使得这一参数常常被忽视。文节将对这一参数进行实验分析。

 

2. CD-R光盘最优刻录功率的校准


由于刻录用光学头的功率在不同的使用环境,不同的使用寿命的情况下是不同,同时不同的CD-R盘片在不同的刻录速度下所需的最优刻录功率也是不同的,因此只依据CD-R光盘盘片上CD-R光盘上的参考刻录功率是无法实现最优刻录的。所以目前CD-R光盘刻录前通常要先进行最优功率的校准然后采完成整张盘片的刻录过程。CD-R盘片的数据结构如图3所示,与只读类型CD不同在CD-R盘片的的导入区之前有两区域称为功率校准区域(PCA,Power Calibration Area)和节目存储区(PMA,Program Memory Area)。PCA区域中包括两个区域,一个是试验区,CD-R刻录机在这个区域内进行功率校准和优化,以获取此盘片的最佳刻录功率。该区有100个分格,每个分格有15ATIP帧长。另一个是计数区,其中可以读出试验区的每个分格,该区也有100个分格,每格有1ATIP的长度。PMA区包括了光盘上记录的信息。信息是用Q-通道的字码载入。刻录机正是在PCA区中对CD-R光盘最优功率的校准。

 

图3 CD-R盘片的区域

在校准最优刻录功率的过程中主要依据是所谓的b值。所谓b值,实际上输出信号的非对称性的另一种表示方式。使用不对称性作为优化功率的判断依据是非常明显和直观的。图4为不同烧蚀状况与光盘驱动器读取的HF信号的对称性之间的关系,左侧为刻录示意图而右侧为实际测量图。从图中可见,当刻录激光功率小于优化功率时,信号中的高频量(较短的刻录周期)无法完全烧蚀记录染料,出现欠烧蚀(a),这样读出信号中的高频分量的平均值就要高于低频分量,此时信号的不对称性为正值。反之,当刻录激光功率大于优化功率时,信号中的高频量(较短的刻录周期)过分烧蚀记录染料,出现过烧蚀(c),这样读出信号中的高频分量的平均值就要低于低频分量,此时信号的不对称性为负值。只有当激光功率处于最优刻录功率的时候,不同分量都得到了适当的烧录,这样信号的不对称性为0,如图4(b)所示。可见通过不对称性可以判断刻录的优化功率。

 

图4 不同烧蚀状况与HF信号对称性

(a) 欠烧蚀 (b) 最优刻录 (c) 过烧蚀

(b) 

图5 b值的示意图


虽然不对称性可以作为最优刻录功率的标志,但由红皮书定义了不对称性的测量方法比较复杂,这样将导致刻录机中的电路变得复杂。这样在橘皮书中对于不对称性给出了一个简便的表征不对称性的参数,这个参数就是b值。b值的测量是基于均衡前的经过交流耦合的HF信号。如图5所示,信号的上下峰值为A1和A2(A1和A2都带有符号,A1为正值而A2为负值),b值则是这两个峰值的差(A1+A2)被信号的峰峰值(A1-A2)归一的结果,具体的定义式为:

<![endif]> (2)

从上面的b定义式来看,b具有与不对称性相同的表征含义,当不对称性为0时b值也为0。所不同的是在欠烧蚀和过烧蚀的情况下,不对称性与b值的符号不同。欠烧蚀时,b值为负,而过烧蚀时b值为正。由于,b值的测量要比不对称性的测量容易得多,所以目前CD-R刻录机中的优化功率过程都是以b值作为标准的。这里需要指出的是,虽然理论上讲,b为0时是最优刻录功率,但实践表明b值为0.04左右时的记录信号最优,因此b=0.04作为最优刻录功率P0的判据。同时,考虑到刻录完成后与只读光盘的兼容性,刻录完成的HF信号的b值的标准为0<b<8%。这样,就要求在完成功率优化过程中,要保证b值的变动幅度小于±0.4%。


2.CD-R光盘最优刻录功率的测试


为了分析各种CD-R光盘的最优刻录功率特性,我们从市场上选择了不同品牌的各种6中CD-R光盘进行优化刻录功率的测试。这六张盘中光盘中,有两种光盘采用的是花菁染料(俗称绿盘)而另外4种光盘采用的是酞菁染料(俗称金盘)。由于本文并不是对于产品进行评价,且选取的品牌完全是随机的,故对所测试的6种品牌的光盘进行了编号。测试选用Expert Magnetics 公司的CD-R/RW可变功率刻录测试仪CDT-58。此测试仪完成变功率刻录,测试和再生HF信号,此测试仪选用的是TEAC 58X的CD-R/RW驱动器最为核心驱动器,其主要参数如表1所示:


表1 CDT-58 CD-R/RW刻录测试仪的主要参量

参量
参量值

激光器波长
782~785nm

透镜的数值孔径(NA)
0.53

焦距
3.9mm

偏振态
线偏振光

刻录最大功率
22.7mW

刻录功率间隔
0.1mW

刻录功率精度
0.01mW

 

这六种光盘分别在CDT58测试仪中,对于1X,4X和8X三种倍速下进行最优功率的测试。最优功率的判定标准为刻录后读出信号的b值为0.04。其结果如表2所示。


表5-2市场主要CD--R光盘盘片的优化功率测试结果

染料类型
花菁(绿盘)
酞菁(金盘)

CD-R编号
A
B
C
D
E
F

1X
7.14
7.85
8.42
8.07
8.84
8.40

4X
12.33
13.78
13.68
14.14
14.71
14.78

8X
18.38
20.47
--
20.82
--
--*


*注:在最大功率处仍找找不到最佳功率,故此盘不适于在8X下刻录。

从测试结果来看,我们可以得到如下结论:

1. 相同的盘片在不同的转速下最优刻录功率不同,转速越高所需功率越大。都因为在转速提高时单位面积的曝光时间就会减少,为了保证相同的曝光量,就必需加大入射光功率。而且其增长的间隔近似为线性间隔。

2. 染料不同,盘片的优化功率不同。从实验结果上来看,由花菁染料制成的CD-R光盘的优化功率较之由酞菁制成的CD-R光盘的优化功率要低。这主要是由于花菁染料的灵敏度通常要高于酞菁染料。

3. 不同的盘片,虽然使用相同的染料类型,但由于染料配置,旋涂工艺不同,使得染料层的灵敏度不同。这使得在相同的转速下,优化功率不相同。

4. 由于目前光学头的输出功率最大通常在20mW左右,因此在CDT58的最大功率22.7mW的条件下无法找到最优功率或最优功率超过20mW的CD-R光盘,将不适于在目前CD-R刻录机上以该速度刻录,即使该刻录机支持8X刻录。


虽然,标准中并未对光盘的优化功率作出规定,但从实际使用情况来看,刻录优化功率是CD-R光盘染料灵敏度的一个重要标准,并进而影响刻录的功率和速度以及刻录后的质量。因此,刻录优化功率是CD-R光盘的重要指标之一。一般来说,CD-R染料的灵敏度越高,刻录的优化功率也就越高。这样在相同刻录速度下,所需要的刻录功率就越小,而相同刻录功率下,刻录速度就越高。但是,并不是刻录功率越低越好,当刻录功率过低,会造成刻录后的CD-R光盘上数据保存的可靠性下降。由于,刻录完成后的CD-R光盘将会在只读驱动器中被反复读取,或被作为存档文件而长期保存。考虑到只读光盘驱动器光学头的输出功率一般在0.3mW左右,并且CD-R染料的低于优化功率不太多的情况下同样会引起反应,为此要保证数据的可靠性,应使1X的刻录优化功率不低于4mW。另外,对于光盘染料来说,虽然对于广泛的刻录速度来说都可以找到优化刻录功率,往往对于某一特定速度下的刻录效果要好于其它刻录速度。所以控制CD-R光盘染料的灵敏度,调整好各个刻录速度下的优化值和刻录质量将是CD-R光盘盘片生产的目标之一。

4 变功率刻录测试结果及分析
为了进一步考察刻录功率对于刻录质量和读出信号的影响,选用了两张CD-R光盘(编号为T1和T2)进行了变功率刻录测试。首先,测试两张CD--R盘片的最佳刻录功率,其结果如表3所示。从表中可以看出从表中可以看出,在相同转速条件下,T1盘的优化功率小于T2盘,表征T1盘的染料层灵敏度高于T2盘。由于,激光功率的限制,对于灵敏度高的盘片不能大到很高在转速,如T2盘在CDT-58测试仪光学头的功率范围能没有最佳功率。


表3 盘片的最佳刻录功率测试结果

倍数
T1
T2

1X
6.63mW
8.40mW

4X
11.68mW
14.78mW

8X
16.53mW
--*


*注:在最大功率处仍找找不到最佳功率,故此盘不适于在8X下刻录。


为了获取不同功率下的光盘信号,对两张CD-R盘片进行分区以不同功率进行刻录,每个刻录区域长度选为4分钟(320s),具体的刻录范围,刻录功率和刻录和测试的转速如表4所示。


表4 盘片的实验所选用的刻录区域,刻录功率及刻录和测试的转速

编号
区域范围
刻录功率
刻录转速
测试转速

1
1m00s-5m00s
4mW
1X
1X

2
6m00s-10m00s
5mW
1X
1X

3
11m00s-15m00s
6mW
1X
1X

4
16m00s-20m00s
7mW
1X
1X

5
21m00s-25m00s
8mW
1X
1X

6
26m00s-30m00s
10mW
1X
1X

7
31m00s-35m00s
11mW
1X
1X

8
36m00s-40m00s
12mW
1X
1X

9
41m00s-45m00s
13mW
1X
1X

10
46m00s-50m00s
14mW
1X
1X

 

对于这两张测试盘片各个刻录区域进行标准测试,测试结果如表5和表6所示。主要的测试项为信号的分辨度(I3/I11),信号的不对称性(Asymm),3T信号和11T信号的抖晃,C1和C2解码器的错误标志数。其中分辨度,和信号的不对称性是HF信号的基本特征,它是盘片质量,播放器光通道质量的反映。抖晃是指某一信号分量的长度分布,这里选用两个极端分量的抖晃来表征。C1和C2是CD系统中交叉交错里德-索罗门编解码系统中的两级解码器。其中,C1是一级解码器,它的错误标志是盘片原始误码率的表征,C2为二级解码器,它的错误表征是系统无法纠正的错误。


表5 T1盘的测试结果

区域
I3/I11
Asymm
Jitter(3T)
Jitter(11T)
C1
C2

1
--*
--
--
--
--
--

2
0.522
0.117
45.5
45.7
6476
332

3
0.677
0.005
23.8
26.7
475
0

4
0.690
-0.036
19.8
22
373
0

5
0.648
-0.1
17.3
17.9
264
0

6
0.512
-0.176
21.5
19.3
351
0

7
0.455
-0.203
26.4
22.4
1074
0

8
0.406
-0.231
32.7
26
19806
0

9
0.344
-0.254
40
38.8
290998
779

10
0.300
-0.271
45.4
52
1010283
1215


*注: -- 表示由于误码过高,无法测试


表6 T2盘测试结果 

区域
I3/I11
Asymm
Jitter(3T)
Jitter(11T)
C1
C2

1
--*
--
--
--
--
--

2
--
--
--
--
--
--

3
0.522
0.158
43.5
66.8
64967
35

4
0.726
0.048
28.6
51.1
4425
1

5
0.773
-0.014
24.7
46.2
4227
0

6
0.721
-0.101
21.5
36.7
3762
0

7
0.667
-0.136
21.9
34.1
3917
0

8
0.618
-0.163
23.4
31.8
3933
0

9
0.556
-0.182
25.4
31.1
4350
0

10
0.508
-0.204
27
30.6
7573
0


*注: -- 表示由于误码过高,无法测试


从以上的测试结果中可以看出,不同功率刻录下,光盘的读出信号的质量参数将发生变化。从以上测试结果可以看出HF信号中的不对称性是随着刻录功率的提高而单调降低,在优化刻录功率附近不对称性约为0,即读出信号高频分量与低频分量具有相同的中值。当刻录功率低于最优功率时,高频分量均值高于低频分量,此时不对称性为正值,而当高于最优功率的时候,高频分量均值则低于低频分量,此时不对称性为负值。这说明以b值作为最优刻录功率标志,可以起到与不对称性相同的作用。此外从结果上来看,随着刻录功率的升高,信号的分辨度逐渐升高,到达最优刻录功率后,分辨度随功率的升高而降低。分辨度是信号高频分量相对于低频分量的幅值特性,这个值越大,其高频分量特性越好,则信号中的信噪比也就越高。可见,在最优功率下,信号的分辨度最好。表征信号扫描长度分布的抖晃则在优化功率附近取到最小值,两边离开优化功率越远抖晃值越大。由于原始误码率与抖晃直接相关,所以C1误差标志的趋势与抖晃相同。由此可见,当CD-R光盘以最优功率刻录后,其读出信号的质量,从分辨度,抖晃到误码率,都是最佳的。在实验结果中可以看出,虽然偏离最优刻录功率后,读出信号的误码率会急剧上升,但由于纠检码的存在,在一定的范围内,C2解码器的错误标志都为0,这说明在小范围偏离最优刻录功率的情况下,光盘的播放系统是可以有效的对其进行纠错而输出正确的数据。且当刻录功率大于最优刻录功率的情况下,信号恶化的程度要小于刻录功率小于最优刻录功率,特别是当刻录功率过小时,则无法获取同步信号以致无法完成测试。所以,考虑到实际刻录功率的上的波动和盘片整盘的波动,所以选择刻录功率时,通常选择略微偏低一些。这也就是优化时选择b=0.04而不是b=0的原因。另外通过对两个测试CD-R光盘的对比,可以看出,既使各自都在最优刻录功率下刻录,两张光盘的读出信号的质量也是有差别的。这一方面表征了盘片之间的质量差别,另一方面光学头的波长分布与染料之间的匹配等方面有关。

总之,通过实验测试可以看出,刻录功率是影响最终刻录结果的重要影响因素。因此,从盘片生成到刻录机的生产都应该重视这一参数并力争使刻录时能在相应的最优刻录功率下完成。


5 小结
本文对CD-R光盘的最优功率进行了分析和研究,对不同品牌CD-R盘片的刻录特性和刻录后的盘片质量进行了实验。通过实验可以发现,不同的CD-R光盘盘片在不同转速下的最优刻录功率是不同的,这种不同主要是受CD-R光盘染料种类和配置工艺等因素影响。同时,通过实验可以得出在偏离优化功率的情况下,光盘读出信号的分辨度,抖晃值和误码率都会偏离理想值。由此,一张光盘是否能在优化功率下刻录,成为刻录完成后的CD-R光盘质量的重要影响因素。由于刻录机只在刻录前,通过对CD-R光盘内圈的PCA进行最优刻录功率的测试和校准,所以对于CD-R光盘来说能否提供稳定的PCA区并且PCA区内的盘基和染料的光学特性与CD-R光盘其它区域的一致性将影响到CD-R驱动器能否获取到这个光盘的优化功率。由此可见,与只读光盘不同,CD-R光盘的导入区之前的内圈区域质量对于最终的CD-R光盘刻录影响非常大。

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