激光具有高度的单色性、方向性和相干性，经聚焦后可在记录介质中形成极微小的光照微区(直径为光波长的线度，即1μm以下)，使光照部分发生物理和化学变化，从而使光照微区的某种光学性质(反射率、折射率、偏振特性等)与周围介质有较大反衬度，可以实现信息的存储。这就是光盘存储的原理。在信息的“写入”过程中，通常使写入激光束的强度被待存储信息(模拟量或数字量)所调制，而记录介质上有无理化性质的变化则代表了信息的有无。在信息的“读出”过程中，用低强度的稳定激光束扫描信息轨道，随着光盘的高速旋转，介质表面的反射光强度(或其它性质)随存储的信息位而变化。用光电探测器检测反射光信号并加以解调，便可取出所需要的信息。光盘是在衬盘上淀积了记录介质及其保护膜的盘片，在记录介质表面沿螺旋形轨道以记录斑的形式写入大量的信息位(图27)，因此光盘是按位存储的二维存储介质。记录轨道的密度可高达1000道/mm以上，这种类似光栅的结构使光盘在白光照明下呈现绚丽的色彩。
光盘存储除了具有存储密度高、抗电磁干扰、存储寿命长、非接触式读／写信息，以及信息位价格低廉等优点外，还具有信息载噪比(CNR)高的突出优点。CNR是载波电平与噪声电平之比，以分贝(dB)表示。光盘CNR均在50dB以上，且多次读写后不降低。因此，光盘多次读出的音质和图像清晰度是磁带和磁盘所无法比拟的。另外，光盘的信息传输速率也比较高。现有的光盘每一通道数据速率可达50Mbit/s以上，通过改进光学系统和选择适当的激光波长，可以提高数据速率。
1.光盘的类型
作为计算机系统外部设备的数字光盘存储技术，按其功能划分主要有四种：
(1)只读存储光盘(ROM)
只读式存储光盘的记录介质主要是光刻胶，记录方式多数采用经声光调制的聚焦氪离子激光，将信息刻录在介质上制成母盘，然后进行大量模压复Nooa-Ⅲ作工艺和设备的限制，这种光盘只能用来播放已经记录在盘片上的信息，用户不能自行写入。CD只读、CD音像和Lv都属此类。配备了CD—ROM驱动器的微机，也可读取大量光盘中存储的软件和多媒体信息。
(2)一次写入光盘WORM，或称DRAW
一次写入光盘都利用聚焦激光在介质的徽区产生不可逆的物理和化学变化写入信息。这类光盘具有写、读两种功能，用户以自行一次写入，写完即可读，但信息一经写入便不可擦除，也不能反复使用。它特别适合于文档和图像的存储和检索。
为了保证光盘能被用户写入，实现写后即读(DRAW)，记录的数据能够实时加以检验，一次写入光盘上应有的地址码(信号、扇区号及同步信号等)都以标准格式预先刻录并复制在光盘的衬盘上。光盘的存储介质应当是不须经过中间处理的类型。除了高分辨率、高对比度、抗缺陷性能强等对光盘存储介质的共同要求外，一次写入光盘对介质还有以下基本要求：①较高的记录灵敏度。②较好的记录阈值。③存储介质的力学、热学及光学性能应与预格式化衬盘相匹配，以保证轨道跟踪的顺利进行，并能实现在任一轨道任一扇区进行信息的写与读。
一次写入光盘主要是利用激光的热效应，其记录方式有很多种，例如：①烧蚀型：存储介质可以是金属、半导体合金，例如低熔点碲合金、金属氧化物或有机染料。利用激光的热效应使介质的微区熔化、蒸发，以形成信息坑孔。
②起泡型：存储介质由染料聚合物一高熔点金属两层薄膜组成。激光照射使染料聚合物分解排出气体，两层问形成的气泡使上层薄膜隆起，与周围介质形成反射率的差异，从而实现信息的记录。
③熔绒型：存储介质为经离子刻蚀的硅，表面呈现绒面结构。激光光斑使照射部分的绒面熔成镜面，实现反差记录。
④合金型：用Pt-si，Rh-si或Au-si制成双层结构，激光加热的微区熔成合金，形成反差记录。
⑤相变型：存储介质多用硫属化合物或金属合金制成薄膜，利用激光的热效应和光效应使被照微区发生相变。这种相变可以是从一个非晶相变到另一个非晶相，从一个晶相变到另一个晶相，或是从非晶相变到晶相。为了提高一次写入光盘的性能，要严格选择记录介质的厚度，通过增加反射层、热障层等来提高光能利用率和热效率。目前一次写入光盘已经实现商品化。
(3)可擦重写光盘(EDAW)
这类光盘除用来写、读信息外，还可将已经记录在光盘上的；信息擦去，然后再写入新的信息。但写、擦是分开的两个过程，需要两束不同的激光和先后两个动作才能完成，即先用擦激光将某一信道上的信息擦除，然后再用写激光将新的信息写入。这种先擦后写的两步过程限制了数据的存取时间和传输速率，因而尚未应用到计算机系统的主内存，即随机存取存储器(RAM)。但是用这类光盘代替磁带，用在海量脱机存储和图像数字存储方面已成定局。
可擦重写光盘是利用记录介质在两个稳定态之间的可逆变化来实现反复的写与擦。光盘可擦重写技术的关键是解决新的存储介质材料。经过多年的努力，已在磁光型(热磁反转型)存储材料上得到突破而获得实用化。磁光型存储介质的必要条件是具有磁各向异性，在垂直于薄膜表面方向有一易磁化轴，产生垂直磁记录磁畴。在写入信息之前，用一定强度的磁场H。对介质进行初始磁化，使各磁畴单元具有相同的磁化方向。
写入图28(a)：磁光读写头的脉冲激光聚焦到介质表面，光照微区温度升至居里温度(Tc)或补偿温度(Tcomp)时，净磁化强度为0(退磁)。此时，通过读写头中的线圈施加一反偏磁场，使微斑反向磁化。而介质中无光照的相邻磁畴，磁化方向保持原来的方向，从而实现磁化方向相反的反差记录。
读出图28(b)：利用磁光克尔效应来检测微区磁畴的磁化方向，从而实现信息的读出。磁光克尔效应是Kerr在1877年发现的。当线偏振光入射到磁性介质时，反射光束的偏振面会发生旋转，这个旋转角称为克尔角。若用线偏振光扫描录有信息的信道，光束经过磁化方向向上的微斑的反射，反射光的偏振方向会绕反射线右旋一个角度θk。反之，若扫到磁化方向向下的微斑，反射光的偏振方向则左旋一个θk，以-θk表示。实际读出时，将检偏器调整到使与巩对应的偏振光为消光位置，来自下磁化微斑的反射光不能通过检偏器到达探测器，而从上磁化微斑反射的光束则可通过sin(2θk)的分量，探测器便有效地读出了已写入的信号。
擦除图28(c)：擦除时，用原来的写入光束扫描信息道，并施加与初始H。方向相同的偏置磁场，则微区磁畴的磁化方向又会恢复原状，从而擦除了原有的信息。由于磁畴磁化方向翻转的速率有限，故磁光光盘一般需要两次操作来写入信息，第一次是擦除原有轨道上的信息，第二次是写入新信息。
(3)直接重写光盘
前面介绍的可擦重写磁光盘，在记录信息时往往需要两次动作，即先将信道上原有的信息擦除，然后再写入新的信息。这可以用一束激光的两次动作完成，也可用擦除光束和随后的写入光束配合完成。无论采取哪种方式，都将限制光盘数据传输速率的提高。光盘存储技术目前的研究热点，一是提高可擦重写光盘的性能，二是研究直接重写光盘。直接重写光盘可用一束激光、一次动作录入信息，也就是在写入新信息的同时自动擦除原有信息，无需两次动作。显然这种光盘能够有效地提高数据传输率，有希望应用到计算机系统的随机存取存储器。
实现直接重写的可能途径之一，是利用激光束的粒子作用，在极短的时间内使介质完成快速晶化。这种光致晶化的可逆相变过程和相变型可擦重写光盘的热致晶化的相变过程有不同的机制。当光致晶化过程非常快以致擦除激光脉宽与写入激光脉宽(20～50×10-9)相当时，相变光盘可进行直接重写，从而大大缩短了数据的存取时间。近年来，国内外的大量研究工作都围绕着降低擦除时间(加快晶化速度)、提高晶态和非晶态的反衬度及多次擦除中材料稳定性等方面进行。
2．光盘存储器
光盘存储器是在光盘已经设计定型、各项性能参数都已确定的情况下，特定盘片的驱动器。光盘读取和检索信息的功能要靠光盘驱动器实现。实用的光盘驱动器虽然小巧紧凑，却是光、机、电相结合的高技术产物。它包括提供高质量读出光束和引导检索出的光信号的精密光学系统，产生信息读出信号、再现盘片格式化地址信号和检测光盘聚焦误差信号及跟踪误差信号的电子学电路，以及实现光束高精度跟踪的伺服控制系统。这里简要介绍光盘存储器的光学系统。
各类光盘存储器的光学系统大体相似，都采用半导体激光器作光源，光学头及光学系统或采用一束激光及一套光路进行信息的写读(如只读存储器及一次写入存储器)，或用两个独立的光源及配置的两套光路，一套用来读写，另一套用来擦除(如可擦重写存储器)。直接重写式相变光盘存储器，在信息写入的同时自动擦除原有信息，因而也只需一束激光、一套光路完成全部读、写、擦功能，故可以和一次写入存储器兼容，以便制成多功能相变光盘存储器。
光学系统是围绕着以下几方面配置的：从半导体激光器发出的激光一般都有较大的发散角，为了更有效地利用光能量，首先要求半导体激光器中发出的发散光束准直成平行光束。半导体激光束的截面为椭圆，需要经过整形变成圆光束，才能最后在光盘上聚焦成圆光斑，以满足读、写的要求。要采取措施使沿同一光路传播的入射到光盘的光束和从光盘反射回来的光束不致发生干涉。要采取措施防止光盘表面的反射光进入到激光器，否则会显著增加激光输出中的噪音。由于写／读光束和攘除光束都是由同一物镜聚焦在光盘上，因此，要高效地将经过准直以后的写／读光束和擦除光束耦合到同一光路中。
根据光盘存储介质的不同，其光学系统大致可分为单光束光学系统和双光束光学系统。
(1)单光束光学系统
单光束光学系统适合于只读光盘和一次写入光盘，具备信息的写、读功能。对于直接重写相变光盘原则上也可使用，只是激光器的功率及脉冲要求不同，因而激光器的驱动电路也不相同。
(2)双光束光学系统
双光束光学系统用于可擦重写光盘(图29)。器件1～8，10～13构成写/读光路，器件13～19，5～8，20～21构成擦除光路。一些关键器件的作用如下：二向色反射镜5为一干涉滤光镜，只反射特定波长的入射光；刀口11将从光盘反射回来的激光分割为两部分，分别进入探测器12和13，得到读出和聚焦、跟踪误差信号；18和19分别为正、负柱面透镜，改变光束为椭圆截面，以利擦除；17为偏振分束器；1为写、读激光器(波长0.83μm)；13为擦除激光器(波长0.78μm)。
我国近20多年来在光盘技术和产业领域中也有了长足的发展。例如，成都电子科技大学和北京航空航天大学分别研制成功的可擦重写磁光盘、直接重写相变光盘等都已进入实用阶段。近年来，中国科学院上海冶金研究所国家光存储研究中心已建成各类光盘的母盘生产线；清华大学国家光盘工程研究中心致力于改进光盘驱动器及其关键部件，提高其性能和存储容量，减少搜寻时间，改进数据速率和存储数据的可靠性，同时进行新一代多功能光盘驱动器的开发，研制适合于各种无机和有机的一次写入和可擦除介质的双激光束多功能光学头。
3.光盘存储技术的进展
尽管光盘存储技术发展迅速，磁盘存储仍然是其强大的竞争对手。目前从总体上说，光盘的存储密度优于磁盘，主要由于磁盘的道距(约10μm)比光盘的道距(约1μm)大得多。但是磁盘技术也在不断发展。据Data storage1998年2月报道。IBM已有突破存储密度10Git/in2(1in=25.3mm)大关的实验室样机。至于在数据传输速率方面，光盘的性能仍然不及磁盘。光盘必须不断保持和提高在存储密度方面的优势，同时在数据速率方面赶上和超过磁盘，才能在计算机系统使用中站稳脚跟。
为了提高只读光盘的存储容量，可以采取的主要方法有：
①采用短波长激光读写。存储密度与使用的光波长的平方成反比，如激光波长由目前的0.8μm缩短到0.3μm，记录的面密度可提高3倍。近年来，随着短波长激光二极管的商品化，采用短波长激光读写已经可行。
②提高道密度和线密度。使用光道密度加倍法，不仅在预刻槽台上记录，而且在槽内记录，相当于光道密度增加1倍，从而使信息存储密度增加1倍。使用区域比特记录法，在光盘的任何径向位置都使沿光道方向的数据位等间隔地配置，又能使光盘总的线密度提高1倍。
③向空问要容量，开发多数据层的光盘。为了提高数据速率，除了提高读写激光功率，改进编码和信号处理方法外，还可以采取所谓多光道并行存取技术，在多条平行轨道上同时存取数据。例如，一种双光学头的设计，采用16个激光二极管阵列并行存取，可使数据速率达到100Mbit/s。直接存取技术也可以进一步缩短光盘的存取时间。
目前正在开发超高容量双面多数据层ROM。例如，日本日立公司等研制的双面双数据层ROM，采用0.33μm的最小光斑尺寸和每层0.73μm宽的道距，实现总数据容量为17GB。他们也研究了双面多数据层ROM盘结构。研究表明，利用双面三数据层结构(总共包括6个数据层)，有可能实现2.5GB的超高容量。
当前先进的相变光盘技术已经达到成熟的产品级水平。在直接重写光盘中实现高数据率是当前研究的热点，关键在于提高盘面转速和记录位密度。采用红光波长已在120mm可重写光盘中实现了3.0GB的用户容量。增大径向和切向的密度可以进一步扩大存储容量。据估计，采用平台/槽道记录，道距可减小到0.7μm，可接受的记录容差的最小位长度是0.32μm。二者相结合，平台/槽道记录应可达到0.3Gbit/cm2的面密度和3.5GB的用户容量。Yamada估计了在最近的将来可能达到的数据传输率。将典型的相变材料Ge-sb-Te与一个“热平衡结构”相结合，可望对红光很快实现每秒数十兆位的数据率，如用蓝激光将可超过100Mbit/s。
