藍光之後

Posted by Mr. D-Day

有很久一段時間沒有提筆了,拿起筆來,忽然覺得筆桿異常沉重,久久無法下筆。該寫些甚麼好呢?思考許久,終於在標題寫下了「藍光之後」四個大字。

藍光之後是什麼呢?當然不是紫光,我不是物理學家,對光譜沒什麼特別的研究。不過,我以前勉強算是對光碟有點研究,所以這篇我們就來聊聊,當你家的藍光播放機壞掉以後,你還能期待未來有可能買到什麼樣款式的播放機。(PS: 或許資料不是很新,而且有些技術甚至已經沒什麼發展了,就當我們來緬懷這些曾經“很先進”過的研究吧。)

為了怕有些人對於“光碟”的歷史不甚了解(我們讀者的年齡層有沒有八歲以下孩童的^^),在談談未來之前,我們先來聊聊過去好了。現在一般人稱呼的藍光,指的是 BD(Blu-ray Disc),但是更早在 2006 年的時候,東芝搶先發表的第一台「藍光播放機」卻是所謂的 HD-DVD 規格,而非現今流行的 BD。

《Toshiba 推出的第一部 HD-DVD 播放機》

當年,以 Toshiba 為首的前瞻光學儲存碟聯盟(Advanced Optical Disc, AOD)所提出的 HD-DVD 藍光規格在 DVD forum 的規格制定戰中獲得勝利,成為 DVD forum 的官方認可規格。由於 HD-DVD 的設計完全承襲自 DVD,很多物理及編碼設計都與 DVD 相容,這大大降地晶片供應商開發 HD-DVD 解碼晶片的難度及成本。而以 SONY 為首的 Blu-ray Disc 陣營(Blu-ray Disc Association),所提出的 BD 規格則幾乎是一個嶄新的規格,廠商所需投入的研發成本都相對高很多。

一份光碟規格大體上可以分為物理規格與邏輯規格兩部分。物理規格指的是「如何把資料儲存與讀取的方法」,這其中包含了光學頭、通道編碼、錯誤修正編碼、資料區塊定位等。邏輯規格指的是「如何把影音資料擺進光碟的方法」,這其中包含了音訊壓縮、視訊壓縮、字幕設計等。隨著光碟技術的演進,最重要的特色就是「如何增大容量」,不要告訴我把光碟片做一點就好了,難道你想要帶一片跟黑膠唱片一樣大的光碟給朋友嗎?

目前光碟的讀寫原理,基本上就是在光碟片打出一個一個的「坑洞」,當雷射點打在這些高低不同的坑洞上,反射回來的能量就會產生不同,進而可以解碼出 0 與 1 的訊號(對於可讀寫的光碟,坑洞代表改變碟片染料的反射率)。所以要在相同大小的碟片上做出更大的容量,最簡單的想法就是「把這些坑坑洞洞弄密一點」,也是就說雷射點的大小要越小越好。而光點的大小是由雷射波長與透鏡的數值孔徑所決定的(Numerical Aperture, NA),波長是越短越好,NA 則是越大越好。

《各種光碟規格的雷射波長與 NA 值》

現在問題來了,受到繞射極限(Diffraction-Limited)的影響,當光點越來越小以後,訊號的解析度就越來越差。想像一下有位近視 600 度的朋友,不戴眼鏡的做在電腦前面看著我這篇文章,嗯~我想他應該沒辦法讀到這裡。依照現有的光碟架構,藍光已經可以宣稱沒有後代了,因為訊號的品質已經幾乎到極限了!我想,這時候人類需要一點新的科技。

《各種光碟技術的容量比較》

近場光學技術(Near Field Optics)

當雷射光照射在碟片表面產生反射的時候,其實會有兩種光線,一種稱為「遠場光線」,指的是下圖中全反射後的光線;另一種稱為「近場光線」,指的是下圖中光線在產生反射時「溢出」到空氣介質裡的光線。

《遠場與近場光》

由於近場光線的溢出的距離比雷射光的波長還來的短,在這麼短的距離,光的波動特性還沒有顯現出來,這產生一個很重要的特性,那就是沒有繞射極限的限制。而近場儲存的技術就是希望能夠在這麼短的距離內去讀取這個光線,但是這麼短的距離(通常只有幾十個 nm)有很高的難度,這也導致近場儲存的技術多半淪為學術研究,能夠產品化的機會不高。反觀,另外一種全像儲存技術,卻已經有一些產品化的成果了。

《近場光學儲存原理》

全像光碟儲存技術(Holographic Data Storage)

全像術(Holographic)攝影的發展已經有數十年的歷史。如下圖,將一個參考用的平行光,與物體發射的光線用一個固定角度進行干涉(Interference)。然後,我們可以用一個有「厚度」的感光底片,把光波的強度與相位同時給記錄起來。

《全像術的記錄原理》

接著,在沒有物體光源的情形下,使用與記錄時相同的參考光源,以同樣的角度射向底片的同樣位置,就能夠重建原有的物體光線。全像攝影技術有一個很重要的特性,就是照射於物體的光線與參考光線必須是同調光,也就是說波長要必須要一樣而且穩定。

《全像術的重建原理》

要把全像攝影技術使用在資料儲存上,我們需要想個方法把「資料轉換成發光的物體」,這個東西就叫做 SLM(Spatial Light Modulator)。說白一點,它就是一個黑白的矩陣排列而成的光罩,白色的點光可以穿透,而黑色的點則不能穿透。我們只要透過編碼技術,把資料轉成一個個 SLM pattern,就能夠開始進行寫入了。

《全像儲存所需的 SLM》

如下圖,我們把雷射光線透過分光鏡,分成兩道光線,只要把 SLM 擺在其中一道光,再與另一道參考光進行干涉,然後一樣把具有相位與強度的干涉條紋給「儲存」起來,就完成了資料的「寫入動作」。

《全像儲存寫入原理》

如下圖,在讀取資料的時候,只要使用相同的參考光源,就能夠重現記錄當時的 SLM 內容,投射到 CMOS Sensor 來讀取資料。

《全像儲存讀取原理》

各位有沒有發現全像儲存的第一個特性?沒錯,就是「快速」。只要 SLM 做得夠大,全像儲存的讀取是一批資料一批資料的讀,與藍光技術一個一個點讀有很大的不同。那容量呢?這便是全像記錄的另一個特性「重複儲存」。前面提到,在全像術裡面記錄資料的“底片”必須具有一定的厚度,但是並非每次記錄都會把那一區的記錄材料給“用完”,剩下的材料事實上是可以重複拿來記錄的。

但是,我們當然不能直接換一個 SLM pattern,就把資料給重複記錄上去,這樣以後資料是會讀不出來的。請各位回想前面提到的讀取過程,需要的是「相同角度的參考光」與打在「記錄當時的相同位置」。嗯,兩個變數總要改變一個吧。下圖顯示其中的一種,改變參考光的角度。在記錄下一個 SLM 產生的編碼資料時,我們把參考光的入射角從 P1 換到了 P2。這樣在讀取的時候,就能夠用 P1 的角度讀取第一個 SLM pattern,用 P2 的角度讀取第二個 SLM pattern。

《利用角度的改變進行重覆儲存》

全像儲存的技術雖然優點很多,發展也日趨成熟,甚至也進入的規格制定的階段,但是卻有一個非常致命的缺點,就是大,大大的一台。讓我們看看 InPhase 展示的全像儲存光碟機,這是加長型禮車嗎?其中的原因除了光路設計以外,最重要的問題還是在雷射。由於全像儲存技術需要同調性很高(波長必須不隨著時間而改變,一般日光燈是非同調性光)的光源,像是固態或氣體雷射。這些雷射光源的體積都不小,目前藍光光碟機所採用的半導體雷射雖然是“小而美”,但是同調性不夠,還無法使用在全像儲存技術上。

《InPhase 所開發的全像儲存設備》

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