Структура дисков и принцип записи

CD-ROM – представляет собой наиболее простой вариант исполнения, но и имеет наименьшее число возможностей. Состоит из трех основных слоев: нижний - прозрачный слой пластика (поликарбонат); отражающий слой – алюминий, золото или серебро; защитный слой лака, на который может быть нанесена наклейка.

Процесс создания диска. На специальном оборудовании изготавливают мастер диск - стеклянный диск с нанесенным на его поверхность фотореактивом. Этот диск подвергают облучению, в результате чего получают фотошаблон будущего диска. Затем фотошаблон проецируют на металлический диск, который также покрыт фотореактивом, в результате чего на его поверхности формируется негативное изображение будущих дисков. Обрабатывая металлическую заготовку раствором кислот, на его поверхности получают выемки необходимой глубины. После соответствующей обработки получают, так называемую, форму или матрицу. Далее, для получения компакт-диска, данную форму помещают в пресс, в который подают разогретый поликарбонат. Застывая, он сохраняет полученный образ диска на одной стороне. На следующем этапе на эту сторону напыляют алюминий или другой отражающий слой (золото, серебро), для защиты которого используется защитный слой.

CD-R - состоит из пластиковой основы и записывающего слоя, представляющего собой слой органического красителя (цианин, фталоцианин) и отражающий слой из серебра, его сплава или золота. Отражающий слой покрывается защитным лаком. Чистый CD-R не является полностью пустым, на нем имеется служебная дорожка с сервометками АТ1Р –Absolute Time In Pregroove - абсолютное время в служебной дорожке. Эта служебная дорожка нужна для системы слежения, которая удерживает луч лазера при записи на дорожке и следит за скоростью записи. Помимо функций синхронизации служебная дорожка также содержит информацию об изготовителе этого диска, сведения о материале записывающего слоя, длине дорожки для записи и т.п. Служебная дорожка не разрушается при записи данных на диск. При записи CD-R данные наносятся на диск лучом лазера повышенной мощности, чтобы физически "прожечь" органический краситель записывающего слоя. Когда краситель нагревается выше определенной температуры, он разрушается и меняет отражательные свойства (темнеет). Управляя мощностью лазера, на записывающем слое можно получить чередование темных и светлых пятен, которые при чтении интерпретируются как питы. При чтении лазер имеет значительно меньшую мощность, чем при записи, и не разрушает краситель записывающего слоя. Отраженный от слоя серебра луч попадает на фотодиод; если же луч падает на темный ("прожженный") участок, то почти не проходит через него до отражающего слоя и фотодиод регистрирует ослабление светового потока. Прожигание записывающего слоя является необратимым химическим процессом, т.е. однократным, поэтому записанную на СD-R информацию нельзя стереть.

CD-RW. В отличие от органических красителей, используемых для формирования активного слоя в дисках в CD-R, в CD-RW активным слоем является специальный поликристаллический сплав (серебро – индий - сурьма – теллур), который переходит в жидкое состояние при сильном (500-600 ^оС) нагреве лазером. При последующем быстром остывании жидких участков они остаются в аморфном состоянии, поэтому их отражательная способность отличается от поликристаллических участков. Возврат аморфных участков в кристаллическое состояние осуществляется путем более слабого нагрева ниже точки плавления, но выше точки кристаллизации (примерно 200 ^оС). Выше и ниже активного слоя располагают два слоя диэлектрика (обычно двуокиси кремния), отводящих от активного слоя излишнее тепло в процессе записи. Сверху все покрыто отражающим слоем. Весь “сендвич” нанесен на поликарбонатную основу, в которой впрессованы спиральные углубления, необходимые для точного позиционирования головки и несущие адресную и временную информацию.

В накопителе CD-RW используют три режима работы лазера, отличающиеся мощностью: режим записи (максимальная мощность, обеспечивающая переход активного слоя в не отражающее аморфное состояние), режим стирания (возвращает активный слой в отражающее кристаллическое состояние), режим чтения (самая низкая мощность, не влияющая на состояние активного слоя).

DVD. В вертикальном срезе DVD диски имеют структуру, аналогичную структуре CD. Отличие имеют двухслойные и двухсторонние диски. Для производства двухслойного одностороннего диска создают полупрозрачный слой, который отражает 18-30% лазерного излучения. Эти диски содержат два информационных слоя. Лазерный луч, фокусируясь на разной глубине, имеет доступ к обоим слоям. Двусторонние диски представляют собой два диска склеенные между собой нерабочими поверхностями, с соответствующей коррекцией толщины пластика. Механизм записи на DVD аналогичен CD.

HD DVD и Blu Ray.

В технологии Blu Ray используется синий лазер с длиной волны 405 нм. Такое уменьшение позволило сузить дорожку в два раза больше, чем у обычного DVD диска до 0,32 мкм, и увеличить плотность записи. Уменьшение толщины защитного слоя в шесть раз (0,1 мм вместо 0,6 мм) предоставило возможность проведения более качественного и корректного течения операций чтения/записи. Помимо этого у приводов увеличено значение числовой апертуры линзы с 0,6 до 0,85. Новый формат обеспечивает рекордную скорость передачи данных 36 Mbps, при общей емкости диска 23,3 Гб/ 25 Гб/ 27Гб (при геометрических размерах обычного CD -120 мм в диаметре).

HD DVD (High Definition – DVD высокой четкости) – технология записи от Toshiba (в содружестве с компаниями NEC и Sanyo). HD DVD подобен соперничающей технологии Blu Ray Disc, которая также использует диски стандартного размера (120 мм в диаметре) и синий лазер с длиной волны 405 нм. Однослойный HD DVD имеет емкость 15 Гб, двухслойный – 30 Гб. Тоshiba также анонсировала трехслойный диск, который будет хранить 45 Гб данных. Это меньше, чем у Blu Ray (25Гб на один слой и 100 Гб на четыре слоя). Кроме того Blu Ray поддерживает до восьми слоев. Единственный недостаток по сравнению с HD DVD – это более высокая стоимость.

Ученые планируют выпустить гибридный диск вместо гибридных вариантов устройства чтения. Этот вариант предложен компанией Warner. Гибридный диск будет читаться и DVD и Blu Ray и даже плеерами HD DVD плеерами. Технология довольно проста – самый глубокий слой Blu Ray (с длиной пита 0,1 мм) будет находиться вверху, под ним будет HD DVD (длина пита 0,6 мм). А слой DVD будет с обратной стороны диска. Это попытка привести к завершению войны форматов. Но пока выигрывает только DVD из-за низкой стоимости дисков.

Голографические диски

Технология хранения данных при помощи голографии была предложена еще в 1963 году, но до последнего времени ее коммерческая реализация была невозможна. В 2000 году фирмой Lucent Technologies была основана компания InPhase, которая смогла при помощи современных материалов реализовать возможности голографии на принципиально новом техническом уровне.

Специалисты InPhase разработали особый технологический процесс ZeroWave, обеспечивающий производство плоских оптических носителей при минимальных затратах.

Первой телевизионной сетью, которая дала в эфир видиозапись с голографического диска, разработанного InPhase Technologies, стала американская компания Turner Network Television. В октябре 2005 года инженеры обеих фирм записали на диск, изготовленный Hitachi Maxell, рекламное объявление технологии. Реклама была в электронном виде была считана и перенесена на сервер Turner Network Television, после чего выдана в эфир в строго запланированное время. Первая публичная демонстрация голографических дисков в Японии состоялась на Международной выставке вещательного оборудования (InterBEE). Продуманная технология, использование в голографических приводах уже выпускающихся комплектующих и выдающаяся плотность записи – на порядок выше, чем у DVD последующего поколения – свидетельствует о хороших перспективах голографической технологии хранения данных.

Новая реализация голографической технологии позволяет записывать на диск 300 Гбайт информации примерно в 10 раз быстрее, чем современные устройства записи на DVD – заявленная скорость записи достигает 160 Мбит/с. Теоретически данная технология дает возможность записать на диск 1,6 Тбайта данных, а скорость записи и считывания до 960 Мбит/с. По оценкам специалистов на диск можно записать свыше 240 часов видео в телевизионном качестве, более 18 месяцев радиопередач, до 1,6 млн. цифровых фотографий или 780 млн. страниц формата А4 с текстом, что сравнимо с библиотекой, состоящей из четырех миллионов томов.

Диаметр дисков применяемых для голографической записи составляет 13,3 см (5,25 дюйма). Кроме того новые диски немного толще обычных дисков DVD. Голографические диски помещаются в защитный пластмассовый картридж – запись (рисунок 8.1) и воспроизведение производится без извлечения носителей из этих картриджей.

Рисунок 8.1 – Голографический диск

Принцип записи на голографический диск, по данным InPhase Technologies, заключается в следующем. На рисунке 8.2 изображена схема записи информации. Свет лазерного луча разделяется на два потока: сигнальный, который, собственно, и передает информацию, и опорный, выполняющий служебные функции. На записываемом носителе, в месте, где потоки пересекаются, формируется голограмма.

Рисунок 8.2 - Cхема записи информации

Кодирование данных в сигнальном потоке осуществляется при помощи пространственного светового модулятора (SLM), который преобразует данные двоичного кода, состоящего из нулей и единиц в оптическую матрицу из светлых и темных пикселей. Данные объединены в массивы или страницы объемом порядка миллиона бит, точное число которых определяется модулятором.

В месте пересечения опорного и сигнального потоков формируется голограмма, регистрируемая в светочувствительном слое носителя: в тех местах, куда проецируются светлые пиксели оптической матрицы, происходит химическая реакция, в результате чего и осуществляется запись голограммы. Изменяя угол опорного потока, длину волны или положение носителя, на одном и том же участке светочувствительного материала можно записать множество различных голограмм. Плотность записи при таком способе “мультиплексной ” записи при использовании синего лазера с длиной волны 407 нм составляет свыше 250 Гбайт на квадратный дюйм.

На рисунке 8.3 изображена схема структуры диска. На диске имеется отражающий форматированный слой (дихроидное зеркало), который позволяет разделить плоскости отражения опорного и кодируемого лучей.

Рисунок 8.3 - Схема оптической структуры диска и системы коллинеарной голографической записи

При считывании (рисунок 8.4) опорный луч, направленный на носитель, отражается от голограммы и реконструирует записанную информацию, которая проецируется на массив датчиков, способный параллельно считывать данные с нескольких голограмм. В использовании параллельного считывания и кроется секрет высокой скорости передачи данных.

В роли пространственных световых модуляторов играют цифровые микрозеркальные и ферроэлектрические модуляторы, применяемые в цифровых телевизорах и видеопроекторах.

Рисунок 8.4 - Схема считывания информации

Главной проблемой, стоящей перед разработчиками был поиск подходящего материала для хранения информации. Результатом поисков ученых стал материал с фирменным названием Tapestry, отличающийся высокой светочувствительностью, широким динамическим диапазоном, оптической прозрачностью, стабильностью пространственных и тепловых характеристик. Недостатком полимерных материалов является сжатие или уплотнение, ограничивающее объем данных, который можно поместить на каждый кубический сантиметр. В материале Tapestry эту проблему обошли, создали фотополимер, состоящий из смеси двух совместимых, но независимо полимеризующихся химических компонентов. Диски формируются путем естественной полимеризации одного из компонентов, в результате создается молекулярная решетка, выступающая как поддерживающая среда. Другой, светочувствительный компонент не проходит стадию полимеризации и растворяется в этой решетке, благодаря чему достигается геометрическая стабильность при записи данных и долговечность.

Голографическая технология обеспечивает принципиально новый уровень защиты информации на цифровом носителе: хранение данных по всей глубине регистрирующего слоя усложняет пиратское тиражирование дисков, а для проверки подлинности диска с фильмом или компьютерной игрой могут использоваться голографические “водяные знаки”.

Голографические диски позволяют записывать, редактировать, хранить и распространять видео на одних и тех же носителях.

Магнитооптическая память

Прародителем магнитооптической технологии считается фирма IBM, которая начала ее развитие в 1972 году. Первые магнитооптические дисководы появились в начале 80-х. Они соединили в себе компактность гибких дисков и накопителя Bernoulli Box, скорость среднего жесткого диска, надежность стандартного компакт диска, но не получили широкого признания из-за высокой стоимости и сложности в работе. Магнитооптическая технология сделала скачек весной 1997 г с выпуском устройства DW260 фирмы Plasmon, которое использовало технологию Limdow для достижения значительно лучших результатов, чем предшествующие МО устройства.

Магнитооптический (МО) диск - представляет собой многослойную структуру (рисунок 9.1). Многослойные структуры, как правило, предназначены для увеличения уровня поглощения света активным слоем. Изготавливаются носители на подложках из прозрачного поликарбоната.

Отражающий слой (алюминий, золото или серебро) играет роль и светоотражателя, и теплопоглотителя, чтобы минимизировать побочное нагревание активного слоя. МО диск покрыт защитным слоем лака, чтобы полностью защитить от контактов с внешней средой и случайных повреждений.

Феррослой МО дисков представляет собой многослойное платино-кобальтовые Рt/Со или самарий-кобальтовые Sm/Со структуры (порядка 10 слоев общей толщиной около 10-20 нанометров), которые легко намагничиваются перпендикулярно поверхности феррослоя. Коэрцитивная сила МО покрытий колеблется от 1 до 5 килоэрстед. Столь высокая коэрцитивная сила обеспечивает высокую надежность записи (запись нельзя испортить внешними магнитными полями при обычной температуре).

Рисунок 9.1 - Структура четырехслойного МО-диска

Магнитооптические накопители записывают данные при помощи переменного магнитного поля (поля смещения) и луча лазера.

В более старых магнитооптических приводах запись осуществлялась в два прохода: в первый выполнялось стирание информации, а во второй - запись. Применяемый в современных МО накопителях метод LIMDOW (Light Intensity Modulation Direct Overwrite) позволяет осуществить стирание и запись за один проход. Суть метода состоит в том, что используется как внешнее поле смещения, так внутреннее поле, исходящее от дополнительных магнитных слоев носителя. Поэтому при записи направление внешнего магнитного поля не нужно переключать: при записи информации происходит намагничивание от внешнего поля (1), и стирание информации благодаря влиянию дополнительных магнитных слоев (0).Схема записи на МО-диск изображена на рисунке 9.2.

Рисунок 9.2 - Схема записи на МО-диск

МО диски являются устройствами с так называемой поперечной записью информации. Это значит, что намагничивание феррослоя осуществляется перпендикулярно поверхности слоя. Такой способ записи обеспечивает наивысшую плотность записи и широко используется сегодня как в МО системах, так и в системах с записью/считыванием посредством обычной магнитной головки. При этом, головка для поперечной записи/воспроизведения устроена несколько необычно. Она имеет тонкий "игольчатый" полюс для записи и широкий полюс для замыкания потока. В результате поле вблизи тонкого полюса велико и достаточно для перемагничивания пленки, а поле вблизи широкого полюса мало и феррослой под ним не перемагничивается.

При записи поле нужного знака (перпендикулярное поверхности феррослоя) создается подмагничивающим сердечником, размер которого сравним с размером ячейки записи (магнитным доменом). Одновременно в область, где осуществляется запись, фокусируется луч полупроводникового лазера. Луч нагревает пленку выше точки Кюри, при этом она размагничивается. При остывании пленка намагничивается в соответствии с направлением поля в подмагничивающей катушке. Перемагничивается область феррослоя, размер которой соответствует пятну, в которое сфокусирован свет лазера.

Обычно рабочая длина волны полупроводникового лазера для МО записи около 780 нанометров. Считая, что размер пятна 0,78x0,78 мкм получим предельную плотность записи порядка 150 Мб/см. На 3-дюймовой МО диске помещается примерно 360 Мбайт.

МО диск имеет физический желобок (рисунок 9.3). Данные записываются рядом с этой «дорожкой». Направление движения показано стрелкой.

Рисунок 9.3 - Желобок на поверхности МО диска

Считывание данных с носителя происходит также при помощи луча лазера, но уже меньшей мощности. Здесь используется эффект Фарадея, заключающийся в изменении плоскости поляризации отраженного луча в зависимости от направления магнитного поля.

При отражении от намагниченной пленки плоскость поляризации светового луча поворачивается (обычно менее чем на 0,5°). Использование в оптическом тракте поляризатора приводит к модуляции яркости отраженного лазерного луча и позволяет быстро считывать информацию

По сравнению с другими носителями МО диски обладают исключительной устойчивостью к механическим воздействиям, магнитным полям, жаре, влажности и солнечным лучам.