Исследование и оптимизация методов формирования и обработки сигналов в устройствах магнитооптической памяти тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Филимоненко, Ирина Владимировна

• Филимоненко, Ирина Владимировна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Филимоненко, Ирина Владимировна

Введение

Глава I. Сигнал и шум в тракте чтения устройств магнитооптической памяти

§1.1. Магнитооптический эффект Керра. Соотношения, связывающие параметры среды и отраженного света.

§1.2. Способы формирования магнитооптического сигнала и сигналов слежения за фокусом и дорожкой

§1.3. Основные источники и основные характеристики шумов в устройствах магнитооптической памяти

Глава II. Анализ поляризационно-чувствительного фотодетектора для сигналов от магнитооптического диска

§2.1. Сигнал, шум и отношение сигнал-шум как функции угла поворота плоскости поляризации света, отраженного носителем информации

§2.2. Определение оптимальных углов между направлением поляризации оптического сигнала и осью анализатора при учете только дробового шума

§2.3. Фоновые шумы устройства и их влияние на отношение сигнал-шум. Определение оптимальных углов между направлением поляризации 26 оптического сигнала и осью анализатора

Глава III. Оптимизация канала чтения устройств магнитооптической памяти

§3.1. Сигнал, шум и отношение сигнал-шум на выходе одноканальной схемы

§3.2. Анализ на экстремум отношения сигнал-шум и определение оптимальных параметров головки для случая, когда фоновый шум отсутствует

§3.3. Анализ на экстремум отношения сигнал-шум и определение оптимальных параметров головки при учете фонового шума

§3.4. Отношение сигнал-шум в дифференциальной схеме фото детектирования. Зависимости отношения сигнал-шум и оптимальных параметров головки от величины фонового шума

§3.5. Анализ влияния деполяризации света, отраженного от магнитооптического слоя на отношение сигнал-шум

§3.6. Оптимизация элементов оптического канала записи-чтения для магнитооптического накопителя с разделенными каналами

Глава IV. Оптимизация электронной части канала чтения устройств магнитооптической памяти

§4.1. Модель магнитооптического сигнала

§ 4.2. Способы аналого-импульсного преобразования магнитооптических сигналов

§ 4.3. Оценка ошибок аналого-импульсного преобразования сигналов

§ 4.4. Оптимальная фильтрация сигналов магнитооптической диска по критерию минимума фазовой ошибки

§ 4.5. Квазиоптимальный фильтр для выделения информационных сигналов от магнитооптического диска

Глава V. Экспериментальный образец магнитооптического накопителя и результаты его исследований

§ 5.1. Структурно-функциональная схема МО накопителя

§ 5.2. Описание тракта чтения-записи

§ 5.3. Результаты экспериментального исследования фотоприемного тракта МОН

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и оптимизация методов формирования и обработки сигналов в устройствах магнитооптической памяти»

Возможность создания магнитооптических запоминающих устройств (МОЗУ) на протяжении последних лет привлекала особое внимание исследователей и разработчиков. Это связано с тем, что оптические методы записи позволяют получить существенно более высокую плотность размещения информации на диске, а особенности взаимодействия оптического излучения с намагниченными средами дают возможность реализовать не только запись и чтение информации, но и ее стирание с последующей перезаписью [1-4]. Предполагается, что реверсивная магнитооптическая память (МОП) явится преемником традиционных накопителей на жестких магнитных дисках и магнитных лентах благодаря существенным преимуществам магнитооптических дисков (МОД) не только по плотности записи, но и по длительности хранения информации и надежности работы, так как головки записи и чтения располагаются на расстоянии примерно 1 мм от поверхности диска, что гарантирует защиту как головок, так и диска от каких-либо механических повреждений.

Запись информации на оптические диски, покрытые тонкой пленкой регистрирующего ферромагнитного материала (ТЬБе, вёТеРе), производится с помощью оптического квантового генератора, способного сконцентрировать на поверхности диска большую энергию когерентного излучения в течение коротких интервалов времени (рис.В.1.). При нагревании малого участка пленки до точки Кюри или точки компенсации в присутствии перемагничивающего поля происходит быстрое ее перемагничивание.

Источниками излучения могут являться как газовые, так и полупроводниковые лазеры, удовлетворяющие ряду необходимых требований: свет должен обладать высокой пространственной и временной когерентностью, чтобы реализовать возможность острой фокусировки луча до минимальных размеров пятна, обеспечив тем самым высокую плотность записи информации. Для получения минимальных размеров пятна необходимо, как известно, полностью заполнить светом апертуру линзы. Тогда в фокальной плоскости оптической системы образуется дифракционно-ограниченное распределение яркости излучения, при котором

Луч лазера

Рис.В.1. Принцип записи информации на магнитооптические диски примерно 84% световой энергии сосредоточено в центральном светлом пятне, так называемом диске Эйри, диаметр <1 которого определяется длиной волны излучения лазера X и числовой апертурой оптической системы (ЫА): с1 2ЫА. Этот минимальный размер определяется явлениями дифракции на апертуре объектива. Таким образом, для уменьшения диаметра центрального пятна необходимо выбирать лазер с меньшей длиной волны и объектив с большей цифровой апертурой.

Вторым требованием является необходимость малых размеров и веса источника излучения для установки его в оптическую головку. Этому требованию в полной отвечают полупроводниковые лазеры.

В-третьих, мощность лазерного излучения должна быть достаточной для нагрева пленки при записи информации термомагнитным способом. Расчеты показывают, что лазеры мощностью 30-40 мВт полностью удовлетворяют требованиям записи и стирания. Такие полупроводниковые лазеры были по Техническому заданию ИАиЭ СО РАН разработаны на ПО "Север" (г. Новосибирск) в 1993г [5].

В качестве регистрирующей среды могут быть использованы материалы, удовлетворяющие следующим требованиям [6,7]:

-регистрирующая среда должна обладать одноосной магнитной анизотропией для того, чтобы вектор намагниченности был ориентирован нормально к поверхности пленки;

- чтобы минимизировать требуемую мощность записи-стирания, среда должна иметь низкую теплопроводность как в плоскости пленки, так и по ее толщине; этому требованию в большей степени удовлетворяют аморфные материалы;

- предпочтительны материалы с высоким оптическим поглощением, что позволяет существенно снизить мощность записывающего лазера;

-для стабильного существования доменов и подавления влияния внешних полей необходима достаточно высокая коэрцитивная сила;

- материал должен иметь достаточно высокое значение угла Керровского вращения и коэффициента отражения Я. Считывание информации производится ослабленным поляризованным излучением того же лазера. Отраженный от диска свет вследствие эффекта Керра претерпевает поворот плоскости поляризации на небольшой угол, который позволяет воспроизвести записанную информацию. Обнаружение поворота плоскости поляризации отраженного света производится при помощи анализатора и фотоприемника. Таким образом, отраженный от диска свет проходит оптический канал накопителя, попадает на фотоприемник, преобразующий его в электрический сигнал, и, далее, электронный канал, осуществляющий аналого-импульсное преобразование сигнала, его декодирование и преобразование в параллельный цифровой код. Искажения воспроизводимого сигнала на любом этапе его прохождения, шумы диска и электронного канала могут привести к существенным ошибкам считывания.

Как следует из этого краткого введения, магнитооптический накопитель представляет собой сложное оптико-электронное устройство, вобравшее в себя новейшие достижения квантовой электроники и оптоэлектроники. Естественно, что его надежная работа может быть обеспечена только путем серьезной научной проработки принципов построения и тщательной оптимизации основных узлов. В устройствах магнитооптической памяти из-за малости углов Керровского вращения и ограничений, накладываемых на мощность лазерного излучения, отношение сигнал/шум (с/ш) получается весьма низким. Вследствие этого чрезвычайную актуальность приобретают вопросы оптимизации оптико-электронного канала магнитооптического накопителя. Важность задачи оптимизации устройств магнитооптической памяти, естественно, потребовала усилий многих исследователей и специалистов. В [8-10,22] успешно решена задача оптимизации слоистой структуры диска (найдена оптимальная слоистая структура), в [11-13] исследовались вопросы, связанные с повышением эффективности магнитооптической головки. В [14,15] решены частные вопросы оптимизации отдельных узлов. Однако, отсутствует полный анализ и оптимизация в целом. Диссертационная работа относится к этой области знаний и посвящена исследованию возможных структур оптической и электронной частей устройств магнитооптической памяти и их оптимизации по критерию максимума отношения сигнал-шум как основного фактора, определяющего достоверность записи-чтения информации с помощью устройств магнитооптической памяти.

Целью диссертационной работы является исследование и оптимизация методов формирования и обработки оптических и электрических сигналов в устройствах магнитооптической памяти по критерию максимума отношения сигнал-шум и разработка рекомендаций по их инженерному проектированию. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- анализа основных источников помех в МОЗУ и определения их статистических характеристик;

- разработки математических моделей оптического и электронного сигналов МОЗУ;

- разработки методик оптимизации оптической и электронной подчастей МОЗУ по критериям максимума отношения сигнал-шум.

-разработки структурных схем оптической и электронной подсистем МОЗУ и определения требований к их элементам;

- разработки метода и средств контроля параметров магнитооптических структур, основанных на использовании эффекта Керра.

Для решения поставленных задач использовались методы матричного анализа оптических систем и статистической теории сигналов, математическое моделирование и физический эксперимент.

Исследования по теме диссертации выполнялись в соответствии с планами НИР ИАиЭ СО РАН в рамках Государственной научно-технической программы "Перспективные информационные технологии" (1989-1992 гг.) и программы СО РАН "Развитие научных основ квантовой оптики и квантовой электроники. Разработка новых направлений их применения." Работы были поддержаны Фондом технологического развития Министерства науки РФ (контракт №95, 1996г.) и Минатомом РФ (в связи с актуальностью задач текущего архивирования данных о работе агрегатов АЭС в целях прогнозирования нештатных ситуаций).

Результаты работы опубликованы в 6 статьях [16,45-47,50,51], докладывались на 3 отечественных [17-19] и 2 международных конференциях [20,21] и реализованы в виде:

- конкретных рекомендаций по инженерному проектированию оптической и электронной частей магнитооптического накопителя;

- действующих образцов МОЗУ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- Впервые поставлена и решена задача оптимизации оптико-электронного канала МОЗУ с позиций получения наибольшего отношения сигнал-шум;

- предложен метод оптимальной идентификации магнитооптического сигнала по критерию минимума фазовой ошибки, путем его дифференцирования;

- разработана новая методика оценки основных параметров магнитооптических структур, основанная на использовании эффекта Керра.

Практическая ценность и реализация результатов работы: разработана инженерная методика оптимизации структуры и элементов устройств магнитооптической памяти. Полученные соотношения и графики позволяют при заданных параметрах магнитооптических сред найти оптимальные конфигурации оптико-электронной части МОЗУ и параметры ее элементов по критерию максимума отношения сигнал-шум. На этой основе созданы экспериментальные образцы МОЗУ, характеристики которых отвечают требованиям Международного стандарта ISO DIS IESC-10089. Научно-техническая документация по МОЗУ и методики переданы во Всесоюзный НИИ автоматики Минатома РФ (г. Москва), как основа для выполнения ОКР;

Разработанная в процессе выполнения диссертации методика контроля качества магнитооптических дисков передана в Подольский технологический институт Минатома РФ (г. Подольск Московской обл.).

Автор выносит на защиту:

- Результаты оптимизации оптической части МОЗУ, полученные путем решения многопараметрической задачи поиска экстремума отношения сигнал-шум в виде рекомендаций по выбору конфигурации оптической схемы и определению параметров ее элементов в зависимости от заданного угла Керровского вращения регистрирующей среды;

- математическая модель магнитооптического сигнала и методика оптимизации электронной части МОЗУ по критерию минимума фазовой ошибки, а также рекомендации по ее проектированию;

- структура и методика расчета оптимального фильтра для выделения МО сигнала;

- новая методика оценки параметров петли гистерезиса и угла Керровского вращения регистрирующего слоя магнитооптических дисков.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.т.н. Соболеву B.C. за постоянное внимание и помощь в проведении работы, а также соавтору по опубликованным работам Кащеевой Г.А.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Филимоненко, Ирина Владимировна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации поставлена, обоснована и решена важная научно-техническая задача оптимизации оптической и электронной систем магнитооптических запоминающих устройств по критерию максимума отношения сигнал-шум. Получены следующие результаты:

1. Методом матриц Джонса выполнен анализ оптической системы МОЗУ и найдена его передаточная функция. Построена математическая модель магнитооптического сигнала и сопровождающего его шума. Это позволило поставить и решить задачу многопараметрической оптимизации структуры оптической головки МОЗУ на основе критерия максимума отношения сигнал-шум. Получены соотношения и графики, позволяющие для конкретных условий (угол Керровского вращения магнитооптических сред, их коэффициент отражения, фоновый шум, шум лазера, шум диска) определить оптимальные значения параметров каждого из элементов оптической головки. Установлено, что: каждому заданному углу Керровского вращения МО среды должен соответствовать вполне определенный угол смещения оси анализатора; оптимальной (с точки зрения максимума отношения сигнал-шум и к.п.д.) является схема оптической головки с использованием частично поляризующего кубика (ЧПК) с амплитудными коэффициентами пропускания по Р- компоненте к Опт=0.67, по Б-компоненте Шопх=0; при наличии шумов диска и лазера, существенно превышающих уровень дробового шума, следует в качестве поляризационно-чувствительного детектора использовать дифференциальный фотоприемник [45,46].

2. Получена математическая модель выходного электрического сигнала МОЗУ; и проведен анализ возможных способов аналого-импульсного преобразования сигналов по критерию минимума фазовой ошибки, как основной помехи при идентификации сигналов, кодированных стандартными канальными кодами. Показано, что наиболее помехоустойчивым является метод преобразования, основанный на дифференцировании электрического сигнала с последующей настройкой компаратора на нули получаемого сигнала; для обработки магнитооптического сигнала

100 необходимо использовать оптимальный фильтр, согласованный с формой производной сигнала [47].

3. На основе полученных результатов предложена и реализована структура электронной части МОЗУ, представляющая собой оптимальный по крутизне линейный фильтр Бесселя 2-ого порядка, дифференцирующую цепь и компаратор с "нулевым" порогом, на выходе которого включен декодер ШХ(2,7) [50].

4. Предложен, обоснован и апробирован новый оптический метод измерения характеристик петли гистерезиса, основанный на явлении Керра. Особенностью метода является то, что он позволяет оперативно и без разрушения материала определять основные параметры качества магнитооптических дисков.

5. Получены совместные максимально правдоподобные оценки параметров магнитооптических сигналов (в том числе важного для устройств магнитооптической памяти момента прихода импульса) [16,51].

Задачи, решенные в диссертационной работе, относятся к вопросам анализа и синтеза широкого класса поляризационно-чувствительных устройств и в этом плане представляют общенаучный интерес; что касается устройств магнитооптической памяти, то результаты, полученные в диссертации, являясь теоретической основой оптимальных способов построения оптической и электронной частей магнитооптического накопителя, будут полезны разработчикам независимо от прогресса технологии оптоэлектроники.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Филимоненко, Ирина Владимировна, 2000 год

1. Chen D. Magnetic materials for optical recording // Appl.Opt.-1974.-13(4).-P.767.

2. Звездин A.K., Котов B.A. Магнитооптика тонких пленок.-М.: Наука,1988

3. Волков В.Г., Дуб А.Д., Жмудь A.M., Фромичев В.В. Полупроводниковый инжекционный лазерный излучатель для магнитооптических накопителей // Автометрия.-1994.- №5.- сс.70-75

4. P.G. van Engen, K.H.J. Buschow, R. Jongebreur, etc. PtMnSb, a Material with a Very High Magneto-optical Kerr Effect // Appl.Opt.Lett.-1983.-V.42.-p.202.

5. Balasubramanian K.Materials and design issues of multilayer magneto-optical thin film media for optical recirdind // Opt. Eng.-1992.-31, №12.

6. Tomita Y., Yoshino T. Optimum design of multilayer-medium structures in magnetooptical readout systems // JOSA A.-1984.-1, №8.

7. Jiu-Yao Tang, Jin-Fa Tang. Optimum design and preparation of multilayered magnetooptic recording media // Appl. Opt.-1990.-29, №17.

8. Masahiro Ojima, Atsushi Saito e.a. Compact magnetooptical disk for coded data storage //Appl. Opt.-1986.-25, №4.-P.483.

9. Tanabe T.,Tanaka Y., Arai R. Simple analysis of readout waveform for elliptical mark // Appl.Opt.-1993 .-Vol.32.-№20.

10. Самуцевич C.O. Запоминающие устройства на оптических дисках // Радиоэлетроника (состояние и тенденция развития).-М.:НИИЭИР. 1985.-Тетр.11.

11. V.S. Sobolev, G.A. Kashcheeva, I.V. Filimonenko. Joint Maximum Likelihood Estimators of Optical Signal Parameters // Pattern Recognition and Image Analysis. -1999. Vol. 9.- No.2. - pp.320-323.

12. Соболев B.C., Филимоненко И.В. Оптимизация отношений сигнал/шум устройств магнитооптической памяти // Всесоюзная НТ конференция "Проектирование ВЗУ на магнитных носителях": Тезисы докладов г. Пенза, 1988г., - С.19.

13. Соболев B.C., Филимоненко И.В. Характеристики сигнала и шума отечественных МО дисков // Тезисы докладов XIX Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений. Ташкент. - 1991.

14. Соболев B.C., Щербаченко A.M., Кащеева Г.А., Столповский А.А., Филимоненко И.В., Харин A.M. Образцы магнитооптического накопителя на отечественной элементной базе // Научная сессия-96 ИАиЭ СО РАН: Тезисы докладов. -Новосибирск, 1996. С.26.

15. Соболев B.C., Филимоненко И.В. Оптимизация тракта чтения по критерию максимума отношения сигнал/шум // IV Международная НТ конференция "ДЗУ-90": тезисы доклада. г. Костенец (Болгария).

16. Sobolev V.S., Filimonenko I.V. Analysis of signal-to-noise ratio in readout system of MO memory // SPIE. 1990. - V.1230 (International Conference on Optoelectronic Science and Engineering, Beijing, 1990).

17. Tomita Y., Yoshino T. Optimum design of multilayer-medium structures in aa magneto-optical readout recording // Appl. Opt.-1988.-27, №4.-P.703.

18. Mansuripar M., Connole G.A.N. Signal and noise in magneto-optical readout // J.Appl.Phys.-1982.-Vol.53.-№6.-p.4485.24 .G J. Sprokel. Reflectivity, Rotation and Ellipticity of Magnetooptic Film Structures // Appl.Opt.-1984.- Vol.23-p.3983.

19. D. Treves, D. Bloomberg. Signal, Noise and Codes in Optical Memories // Opt.Eng.-1986.-Vol. 25.-p.881.

20. A.G. Dewey. Measurement and modeling of Optical Disk Noise // Proc.Soc.Opt.Instrum.Eng.-1986.-V.695 .-p. 1086.

21. Finkelstein Blair I., Williams W.C. Noise sources in magnetooptic recording // Appl. Opt.-1988.-№4.

22. D.E. Call, B.I. Finkelstein. Dependence of laser-feedback noise on optical-path length // SPIE.-1989, Vol.1078.-p.272.

23. A.G.Dewey. Optimizing the noise performance of a magneto-optic read channel// SPIE.-1989.-Vol.1078.-p.279.

24. Treves D. Magneto-optic of high-density recordings // J.Appl.Phys.-1967.-38, №3.-P.1192.

25. Майклджон У.М. Магнитооптическая запись // ТИИЭР.-1986.-74, №11.

26. Kryder M.H. Magneto-optic recording technology // Ibid.-1985.-57, №1.-P.3913.

27. Шерклифф У. Поляризованный свет.-М.: Мир, 1965.

28. W. A. Challener, Т.А. Rinehart. Jones matrix analysis of magnetooptical meedia and read-back systems // Appl. Opt.-1987.-26, №18.-P.3974

29. T. Iwanaga et.al. Effect of Compensation Plate for Magnetooptical Head. // J.Appl.Phys.-1986.-Vol.47.-p.82.

30. T. Iwanaga, S. Sugaya, H. Inada, etc. Magnetooptic recording readout performance improvement // Appl. Opt.-1988.-Vol.27.-№4.-p.717.

31. Г. Боухьюз, Дж. Браат и др. Оптические дисковые системы. Перевод с англ. под редакцией М.Ф.Стельмаха. М.: "Радио и связь", 1991.

32. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений М.: "Физматгиз", 1963

33. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: "Сов. радио", 1966

34. В.И.Тихонов. Оптимальный прием сигналов. М.: "Радио и связь", 1983

35. INTERNATIONAL STANDARD ISO/IEC-10089 : 1991. Information technology -130 mm rewritable optical disk cartridge for information interchange.

36. Лезин Ю.С. Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов. М.: "Сов. радио", 1969

37. А.А.Харкевич. Спектры и анализ. М.: "Физматгиз", 1962.

38. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника.-М.: "Мир", 1982.

39. Соболев B.C., Филимоненко И.В. Оптимизация фотоприемного тракта магнитооптической памяти // Автометрия.-1989.-№2.-сс.68-73.104

40. Соболев B.C., Филимоненко И.В. Оптимизация тракта чтения магнитооптической памяти по критерию максимума отношения сигнал-шум // Автометрия,-1991.-№5.-сс.17-27.

41. Соболев B.C., Кащеева Г.А., Филимоненко И.В. Оптимальное преобразование магнитооптических сигналов по критерию минимума фазовой ошибки // Автометрия.-199.-№5 .-сс.32-44.

42. Щербаченко A.M. Система быстрого позиционирования магнитооптического накопителя // Автометрия.-1994.-№5.-сс.48-52.

43. Соболев B.C., Белкин A.M., Несин В.И. и др. Магнитооптический накопитель в Международном стандарте // Автометрия. 1994.- №5.-сс.З-15.

44. Филимоненко И.В. Квазиоптимальный фильтр для выделения информационных сигналов от магнитооптического диска // Автометрия.- 1994.-№5.-сс.45-47.

45. Соболев B.C., Кащеева Г.А., Филимоненко И.В. Максимально правдоподобные совместные оценки параметров оптических сигналов // Автометрия.-1999.-№1.-сс. 12-20.

46. Shapiro J.H., Saplakoglu G., Но S.-T. et al. Theory of light detection in the presence of feedback // JOSA B. 1987. 4, №10.

47. Лоудон P. Квантовая теория света. M.: Мир, 1976.