|
| |
 |
Главная » Мануалы 1 ... 9 10 11 12 13 14 15 ... 22 Следует отметить, что максимальный считанный сигнал будет лри 10 = л/4. Оптимизируя Л/ выбором толщины пленки и учиты-вания, что Фф =ф hn, получаем /1опт = l/our. Тогда ДУопт = V /о е- sin29 г/ф/а^г- При использовании эффекта Керра для считывания с учетом ФкД сигнал на выходе фотоприемника д/-27/о^ лФкЗш9, где ?пл - коэффициент отражения излучения от поверхности пленки. Из анализа видно, что сигнал считывания в зависимости от применяемого эффекта прямо пропорционален показателю качества 2Fф/aш. или /плФк используемого материала. 3.3, ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ ДЛЯ МАГНИТООПТИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ Анализ физических эффектов и разработанных на его основе светочувствительных материалов для реверсивной записи производится с точки зрения совместимости их свойств со специфическими требованиями различного назначения лазерных устройств. Чувствительность материала должна быть высокой в области Я = 0,78 ... 0,83 мкм, в которой излучают полупроводниковые лазеры, используемые для записи. Скорость перемещения материала относительно лазерного пучка в различных устройствах измеряется от 1 до 30 м/с, что соответствует врамени взаимодействия лазерного излучения со средой при диаметре пучка около 1 мкм от 1 мкс до 30 не. Из-за возможных потерь в оптической системе, мощность, необходимая для записи, должна быть не более 10 мВт. Тогда минимальная чувствительность, рассчитанная по формуле должна быть не хуже 6,4-lO Дж/мм для скоростей и~1 м/с и 2,Ы0-* Дж/мм2 для и 30 м/с. Время перехода материала из одного состояния в другое при этом должно быть не меньше времени взаимодействия лазерного излучения со средой, т. е. больше 30 НС. Экспозиционная характеристика материала должна быть близкой к абсолютной нелинейной, что позволяет достигнуть максимального разрешения, определяемого лишь параметрами применяемой оптики. Если при этом скорость нарастания сигнала при считывании будет максимальной, то будет обеспечена меньшая вероятность ошибки из-за шумов и минимальное влияние помех на длительность импульсов в считанном сигнале. Отношение сигнал-шум определяется разрешением среды, измеренным на максимально записываемой частоте в полосе 30 кГц. От этого отношения зависит вероятность ошибки в считываемом импульсном потоке. Соотношение между отношением сигнал-шум и вероятность ошибки из-за несовершенства записывающей среды зависит от используемого метода кодирования. Максимально допустимая вероятность ошибки, вызванная нарушениями в среде определяется максимально допустимой вероятностью ошибки устройстве записи и вероятностью ошибок, обусловленных други ми источниками. Принимается, что из-за дефектов среды отношение сигнал-шум должно быть не менее 50... 55 дБ для получения вероятности ошибки не более 10~... 10 . При использовании кода EFM разрешение среды должно обеспечивать точность положения края пита в пределах ±40 нм от номинального. Так как-устройство записи считывания должно быть максимально компактным и простым, то светочувствительный материал должен позволять производить считывание на отражение. Для обеспечения уверенного считывания, приемлемого отношения сигнал-шум и надежной работы систем автоматического регулирования минимальная мощность считывания должна быть не менее 0,5 мВт при коэффициенте отражения диска не менее 10%-Поскольку длина волны излучения считывающего лазера находится в той же спектральной области, что и длина волны записывающего лазера, то нелинейность должна быть достаточно высокой для обеспечения считывания без нарушения записанной информации. Число циклов записи-стирания для устройства ре-, версивной записи должно быть не менее 500. Для оптических ЗУ требуется более 10 циклов со временем хранения информации более года и общим временем использования дисков не менее 10 лет. Более долговременное хранение информации должно производиться на дисках архивной памяти. Материал должен быть дешевым и обеспечивать простоту и технологичность изготовления дисков - звуковых размером до 120 мм и оптических ЗУ до 356 мм в диаметре. Свойства материала должны обеспечивать возможность локального стирания записанной информации в пределах одной дорожки. Наиболее распространенными материалами, используемыми-j при изготовлении дисков для разрабатываемых устройств памя- ти, являются магнитооптические материалы и материалы, в кото.! рых запись осуществляется в результате перехода вещества и , кристаллического состояния в аморфное при воздействии лазерного излучения. Это связано с тем, что такие материалы наибо-i лее полно удовлетворяют перечисленным выше требованиям. Для записи информации лазерным пучком на магнитооптическую пленку диска можно использовать следующие термомагнит* ные явления в материалах: температурную зависимость спонтанной намагниченности ма-., териала пленки вблизи точки Кюри; температурную зависимость коэрцитивной силы при 180°-но переключении намагниченности пленки с одноосной анизотро пней; температурную зависимость коэрцитивной силы ферромагнетика вблизи точки компенсации; зависимость остаточной намагниченности от температуры и внешнего поля; зависимость одноосной анизотропии от термоупругих напряжений в пленке; температурную зависимость коэрцитивности пленки с вращающейся анизотропией при перемагничивании ее во вращающем поле. При записи на магнитную пленку в точке Кюри ячейка целиком намагничивается в одном направлении. Запись в точке Кюри состоит в том, что ячейка памяти нагревается импульсным излучением до температуры, превышающей точку Кюри, и теряет свою намагниченность. После этого, охлаждаясь до прежней гемпературы в магнитном поле, облученный участок пленки приобретает намагниченность нужного знака. Магнитный замкнутый поток, как и внешнее поле, эффективно определяет направление намагниченности нагретой ячейки во время остывания. В тонкой пленке с осью легкого намагничивания, перпендикулярной поверхности пленки, нужен замкнутый магнитный поток, противо-ллоложный первоначальному направлению намагниченности. В данном случае запись не требует внешнего поля. Процесс стирания использует внешнее поле, при этом размагничивающее поле противодействует полю в записанной ячейке. Следует учитывать, что вблизи точки Кюри процесс восстановления спонтанной намагниченности заторможен и регистрация сигналов становится невозможной. Кроме того, оптическое считывание вблизи температуры Кюри затрудняется из-за уменьшения магнитооптических свойств материала. Поэтому для надежного считывания следует выбирать рабочую температуру пленки по возможности дальше от точки Кюри. Для записи информации на пленке с температурной зависимостью коэрцитивной силы представляют интерес ферромагнитные пленки, у которых коэрцитивная сила Яс значительно понижается задолго до достижения точки Кюри. В этом случае нагрев может быть меньше, чем при записи в точке Кюри. В то же время магнитооптическое считывание вдали от точки Кюри не ухудшается даже при значительном нагреве пленки считывающим пучком. К таким материалам относится кобальт с добавками фосфора. При температуре выше 150° С Яс уменьшается в 3 раза по сравнению с Яс при 20° С. Поэтому переключение намагниченности может происходить при наложении внешнего магнитного поля и одновременном нагреве локальной области диска лазерным пучком. Подобными свойствами обладают двуслойные пленки, такие как сплав палладий - кобальт и пермаллоевые. Коэрцитивная сила двуслойной пленки Яе = (Яе1 Ml hi Ч- Яе2 М, h,)/{Mi hi + М, h,), тде Яс1 и Яс2 - коэрцитивные силы соответственно верхней нижней пленок в двуслойной структуре; Mi я М2 - намагнич ность пленок; hi и Лг - толщины пленок. Температура Кюри верхней пленки больше, чем нижней (Гк1 >7к2)- Когда температура увеличивается до величины Т, ле щей в диапазоне 7ki>7>7k2, намагниченность М2 стремится к и Не уменьшается до Ясь Процесс записи следующий. Повер ность записывающего материала имеет температуру меньше Т Магнитное поле нужного направления прикладывается пара лельно оси легкого намагничивания величиной, меньшей Не, большей Ясь Когда сфокусированный лазерный пучок новые температуру материала до Тк2, намагниченность нагретой обл сти переключается. При записи на ферромагнитных пленках в точке компенсац можно использовать такие кристаллы, как ферригранат гадол ния. В этом кристалле при температуре ниже точки Кюри (287° существует спонтанная намагниченность подрешеток Fe и Аморфные ферромагнитные пленки представляют собой сил вы редкоземельного и переходного материалов. Материалы ти GdCo2, GdFe, TbFe имеют две антиферромагнитно-соединенн подрешетки. В таких сплавах магнитный момент редкоземельн автоматов (Gd или ТЬ) направлен антипараллельно магнитно моменту переходного материала (Со или Fe). Так как темпер турная зависимость намагничивания редкоземельного и перехо ного металлов различна, можно изготовить сплавы, которые им ют температуру компенсации. При температуре компенсации ма нитные моменты подрешеток равны и противоположны по н правлению, так что общая намагниченность М стремится к нул Корцитивная сила имеет в точке компенсации резкий максиму При температурах ниже точки компенсации преобладает ма нитный момент редкоземельного металла, а при температуре в ше компенсационной - магнитный момент переходного металл Обычно используют материалы с точкой компенсации немного н же комнатной температуры. При отклонении на несколько град сов от точки компенсации коэрцитивность падает и переключ ние намагниченности становится легко осуществимым. Такова о' нова механизма записи, использующего температуру компенс ции. Переключающее поле прикладывается одновременно с н гревающим импульсом лазерного излучения. Температура в мат риале повышается, коэрцитивность его становится меньше коэрц тивности переключающего поля. Переключение нагретой облас может быть в любом направлении в зависимости от приклад ваемого поля. При термостатическом способе записи производимые измен ния ниже температуры Кюри. Остаточная намагниченность после цикла такого термического нагрева обычно меньше нас щения Ms. Под влиянием внешнего поля М может быть любой Пределах +Ms ... -Ms. При использовании этого эффекта д я18 цифровой записи минимальный размер домена должен быть намного меньше размера минимально записываемой области, чтобы строго определенные Мн могли ожидаться для каждой записи и стирания. Благодаря Мн существует статистически средний ансамбль положительных и отрицательных доменов в нагретой области. Этот способ дает возможность аналоговой записи, так как Mr сильно зависит от пика температуры и напряженности приложенного поля во время остывания. В этом методе могут быть использованы такие материалы, как СгОг и MnBi. При термострукционном способе записи информации на пер-маллоевую пленку используется свойство тонких пленок FeNi менять направление оси легкого намагничивания под влиянием упругого напряжения, приложенного в плоскости пленки под углом к этой оси. Одновременно неоднородный нагрев лазерным лучком обеспечивает значительные направленные напряжения в-пленке. При соответствующем магнитном поле небольшой поворот оси легкого намагничивания может привести к 180° переключению намагниченности. Термострикционную запись следует производить на свободную пленку, так как жесткая связь пленки с подложкой совершенно меняет характер термоупругих искажений, делая их практически изотропными. Этот крупный недостаток системы, по-видимому, не позволит использовать ее при изготовления дисков. При записи на ферромагнитные пленки с полосовыми доменами используют пленки с полосовой доменной структурой. Основной недостаток таких пленок в том, что они обладают достаточно линейной экспозиционной характеристикой. Ось легкого намагничивания, остаточная намагниченность и полосовые домены устанавливаются в плоскости пленки в направлении поля, в котором пленка была намагничена до насыщения. В отсутствие по-тя ось легкого намагничивания сохраняет приданное ей направление в пленке. Таким образом, пленка имеет непрерывный ряд \стойчивых состояний. При совместном воздействии нагрева и вращающего магнитного поля углы вращения полосовых доменоа зависят от интенсивности излучения. В пленках данного типа ячейки памяти не однодоменны, а имеют периодическую доменную структуру в виде узких доменов-страйпов. Дифракционные свойства этой регулярной структуры могут использоваться при считывании. Требования к материалам для магнитооптической записи мо-!ут быть сформулированы в следующем виде применительно к^ ермомагнитному и магнитооптическому эффектам. Требования к оптическим свойствам. 1. Толщина среды с точки зрения уменьшения энергии, требуемой для записи, должна* быть малой. С точки зрения считывания методом, использующим-эффект Фарадея, оптимальная толщина материала йопт = 1/апг. Обычно толщину пленки выбирают порядка несколько сотен Ангстрем. 2. Коэффициент поглощения можно вычислить, зная требу мую максимальную толщину материала. При термомагнитной з писи, чтобы эффективно использовать имеющуюся энергию л зерного пучка, необходимо апгйпл=1-2. Для толстой среды, есл кпл = 1 мкм, требуется коэффициент поглощения аш.= 10 см-для тонких пленок, где йпл^0,1 мкм, нужно aiir=10 см-. Эт требования выполняются для многих магнитных пленок в видимо диапазоне длин волн. Шум среды определяет соотношение сигнал-шум. Хорошей м тодики оценки шума в настоящий период нет. Возможные источ ники шума среды: стенки доменов и границы зерен, рассеиваю щие свет, магнитные и металлургические неоднородности в мате риале, вызывающие флуктуации считываемого сигнала. Можн произвести оценку шума по флуктуациям угла вращения Фараде или Керра. Измерения следует проводить в исходной среде поел магнитного насыщения. Пороговая интенсивность в записывающем пучке определяете распределением интенсивности в записывающем и считывающе пучках и имеет вид кривой Гаусса. Поэтому важно, чтобы пр считывании только часть пучка попадала на записанную область поскольку из-за порогового процесса записи и стирания централь пая часть пучка эффективно записывает и стирает. При считывании, использующем эффект Фарадея, магнитооп тический показатель качества 2/ф/апг должен быть таким, чтоб получить требуемый воспроизведенный сигнал. Обычно должн быть 2/ф/ пг1°. Учитывая требования к апг, получаем, чт удельное вращение Фарадея для среды толщиной /1пл = 1 мк должно быть РфШ град/см, а для тонких пленок FIO град/см. Так как во всех материалах Рф и апг зависят от темпера туры и длины волны излучения, важно, чтобы требуемые величи ны Рф и апг достигались при комнатной температуре для излуче ния полупроводникового лазера. При считывании, использующе эффект Керра, показатель качества равен Фкпл, поэтому в данно случае следует требовать увеличения отражения. Требования к магнитным свойствам материала. Порог записи стирания, если пренебречь тепловым рассеянием, зависит от об ема Уб минимальной области записи, теплоемкости С и требуем го температурного увеличения АГ. Пороговая температура термомагнитной записи должна быть низкой. Это требовани обычно выполняется для материалов, имеющих температуру ко пенсации. С другой стороны, запись в точке Кюри обычно требу ет нагревания на сотни градусов. При использовании металлич ских сплавов толщина среды составляет несколько сотен анг стрем, так что Уб мал. Практически все материалы, предлагаемы для магнитооптической записи, требуют энергии записи не мен 0,1 мДж/бит. Ориентация направления оси легкого намагничивания требуе чтобы ось легкого намагничивания была перпендикулярна плоек 120 сти среды. Так как толщина магнитооптической среды должна быть меньше 1 мкм, поле анизотропии формы 4nMs стремится пметь ось легкого намагничивания параллельно плоскости среды. Для уверенного перпендикулярного направления намагничивания поле одноосевой анизотропии 2Ka/Ms, перпендикулярное плоскости среды, должно препятствовать анизотропии формы, т. е. должно быть Ка>2лМе. Здссь Ка - энсргия знизотропии. Псрпендикуляр-ная ориентация намагничивания обусловливает меньший размер доменов, а значит, более высокую плотность записи. Размер домена определяется двумя факторами: с одной стороны, образование магнитной стенки домена, разделяющей области с противоположной намагниченностью, требует увеличения энергии стенки; с другой стороны, присутствие реверсивного домена уменьшает магнитостатическую энергию. Для случая, когда домены цилиндрические и намагниченность перпендикулярна плоскости среды, общая энергия может быть выражена следующим образом: где d -диаметр домена; h - толщина стенки; ад - энергия на единицу стенки домена; д-магнитостатическая энергия домена. Стабильность обеспечивается при условии дЕобш./д{ё/2) = 0. Поэтому а„= -2[dEJd(d/2)y2nh, где общ - сложная функция от d/2. Общая нормализованная сила на единицу поверхности стенки домена с учетом коэрцитивности Ф„ = о„/4я Mlh + (Яе - Яе J й/8л + Ф id/h), где Яс - коэрцитивность стенки домена; Яем - напряженность внешнего магнитного поля; Ясм - намагниченность насыщения; Ф (d/ft) - комплексная функция, описывающая нормализованную силу размагничивающих эффектов на единицу поверхности доменной стенки. Чтобы найти оптимальный размер стабильного домена, обозначим критический диаметр do, ниже которого фд<0, в результате чего домен будет разрушаться силами энергии стенки и приложенного поля. Минимальный размер домена do определяется яри фд = 0. Чтобы решить уравнение аналитически, проведем аппроксимацию. Большинство металлов, используемых для термомагнитной записи, применяют в виде пленок с d i>l. При этом {djh) можно считать постоянной и минимальный размер стабильного домена определяется как do = Од/М, (Яе - Яе J - 4я M,h Ф [{d!h > 1)]/(Я, - Яем). Большинство используемых материалов для термомагнитной записи, особенно имеющих точку компенсации, близкую к ком- яатной температуре, имеют небольшую Ms. Поэтому первый чле 3 последнем выражении преобладает и можно записать: do olMs {Ha - HJ. Стабильность гарантируется, если коэрцитивная сила препят. ствует движению стенок из-за влияния внешнего поля. С точк зрения уменьшения диаметра домена желательно использоват материалы с большей коэрцитивной силой по сравнению с при кладываемыми полями. Если общее поле, действующее на стен ку домена, Яобщ>,0, то на нее действуют внутренние силы, кото рые противодействуют стабильному размеру домена, стремясь уменьшению его диаметра. И наоборот, если Яобщ<0, домен рас ширяется. Если пленка имеет коэрцитивную силу стенки Яс, влия ние магнитного поля делится на три категории: 1) уменьшени домена при Яобщ>Яс; 2) домен стабилен при Яобщ=Яс; 3) до мен расширяется, если Яобщ<Яс. Абсолютные значения общего поля Яобщ увеличиваются с уве' личением толщины пленки и уменьшением диаметра домена. По этому для удержания небольших доменов в толстых стенках тре буется более высокая коэрцитивная сила стенки. Общее поле мо жет быть изменено приложенным магнитным полем. Если прило, женное поле противоположно намагниченности домена, общее по ле уменьшается. На рис. 3.3 дана зависимость Яобщ от диаметра домена d от толщины пленки в отсутствие внешнего поля Ясм для плено JVlnBi. Стабильные домены получаются при полях -400... 400 э  S00- Рис. 3.3. Зависимость общего по--ля, действующего иа доменную стенку, от диаметра домеиа 1000 - еоо воо т о
Рис. 3.4. Зависимость общего по ля, действующего на доменн стеику, и коэрцитивности стен от толщины магнитной пленки , Пересечение кривых с абсциссой Яс дает минимальный размер-домена. На рис. 3.4 показаны зависимости общего поля Яобщ для раз-1,ых диаметров домена и коэрцитивности стенок Яс от толщины г ленки для MnBi. Видно, что минимальный стабильный размер -омена, определяемый в точках пересечения кривых Яобщ с пря-.:ой Яс, становится больше с увеличением толщины пленки. Из графика можно определить критическую толщину пленки для анного минимального стабильного диаметра домена. Например, домен d=l,5 мкм может быть стабилен в пленках тоньше 850° А. Поле, требуемое для записи и стирания, определяется как эффективное общее поле, действующее на область среды во время, записи или стирания общ - см> , j,e Яр - размагничивающее поле. Знаки + или - применяется ,.ля случая записи или стирания соответственно. Для того чтобы иметь эффективное отрицательное поле во время стирания, Ясм ,JOЛЖHO быть больше Яр. Если ось легкого намагничивания перпендикулярна плоскости среды и домены имеют цилиндрическую форму с диаметром d в толщине среды йпл, причем dhnn, то в центре записываемой области Hp = inMsidfhan). Для легкого стирания это поле должно быть малым. Прикладывать поле только к поверхности записанной области нецелесообразно, поэтому обычно переключающее поле покрывает много большую поверх-юсть, а одномикронная область записи получается благодаря нагреванию пленки лазерным пучком. Переключающее поле требует меньше коэрцитивной силы среды Яс, чтобы в пленке вокруг саписываемой области не происходило переключения намагниченности. Для тонкой пленки Яс обратно пропорционально толщине среды, поэтому тонкие пленки предпочтительнее. При записи в точке компенсации или с температурной зависимостью коэрцитивной чилы приходится принимать компромиссное решение между требуемым полем и пороговой энергией записи. Магнитная среда должна иметь квадратную форму петли гистерезиса. В противном случае остаточная намагниченность может ыть нарушена присутствием внешнего поля, даже если оно не февышает Яс. Так как магнитное поле присутствует не только i записываемых или стираемых, но и в соседних областях, это по- е может вызвать смещение в отрицательный участок петли гис--ерезиса на ненагретых участках. На практике такие смещения -едут к размагничиванию и к значительному уменьшению считы-ьаемого сигнала. Если среда имеет петлю гистерезиса квадратной формы и постоянную намагниченность меньше Яс, не завися-иую от приложенного поля, то потери остаточного намагничива-ия не будет. Это гарантирует полный считываемый сигнал зарегистрированной информации. Среды, приближающиеся к удов- етворению указанных выше требований и пригодные для изго- Таблица 3.1. Значения Фк и для различных материалов Материал Метод записи ные
TbFeO Поликри- CoFe204 сталличе- YGalG Bi SmFr Ga IG Г„400 С 7 120°C Гн140°С
Примечания , Низкий шум среды Могут быть готовлены пле ки большой площади i Для метода Укомп долж быть однород^ ной по состав Кристаллизуе ся в диапазо 350 ... 500° С Требует отжи Шум сседы . Лс,ит = 1000 >.счит=700 н ?ючит = 750 и Небольшой должен быт компенсиров толщиной пл ки, высокое ОСШ Пленки с бо шой поверхн тью трудно п извести Для считыв ния лазеро лазер позвол ет получить Ф =1,7° п Ф„ = 0,03 ( вер трудно пользовать) 1 ... 9 10 11 12 13 14 15 ... 22 |