Флуоресцентные многослойные диски

FMD (Fluorescent Multilayer Disk)

На потребительском рынке обычного компакт-диска (640 Мб) уже давно не хватает. Возникла необходимость в принципиально новом способе хранения информации на съемных носителях, который, как и CD/DVD, был бы дешевым и позволял бы хранить значительные объемы информации. И вот компанией Constellation 3Dбыл продемонстрирован новый формат – FMD, который возможно станет лидером.

Первым поколением дисковых продуктов компании Constellation 3D станет семейство 120-миллиметровых многослойных FМ-дисков с вместимостью до 140 Гб и со скоростью чтения до 1 Гбит/с при десяти слоях. Это позволит, например, вмещать до 20 часов фильмов в формате HD TV. Как видно, FMD значительно превосходит DVD по емкости. В ближайших планах компании C3D есть желание увеличить число слоев до 100.

На рисунке 10.1 изображен FM-диск в разрезе. Диск состоит из нескольких пластиковых (поликарбонатных) слоев, соединенных между собой. Слой содержит поверхностные структуры (питы), которые заполняются флуоресцентным материалом.

Рисунок 10.1 - Структура FM-диска

На рисунке 10.2 представлен внешний вид FMD-ROM. Можно увидеть, что FMD – прозрачный. Данная технология не нуждается в присутствии, отражающего слоя.

Рисунок 10.2 – внешний вид FM диска

В носителях FMD не используется отраженный луч лазера, так как при воздействии лазерного луча на информационный слой последний сам начинает излучать. Принцип действия флуоресцентных дисков основан на явлении фотохромизма. Несколько лет назад российские химики открыли стойкий органический материал "стабильный фотохром", под воздействием лазерного луча приобретающего флуоресцентные свойства (флуоресцентное свечение).

Информационный элемент FМ-диска (фотохром) может менять свои физические свойства (такие как цвет или наличие флуоресценции) под воздействием лазера определенной мощности и длины волны. Изначально фотохром не обладает флуоресцентными свойствами. При воздействии лазера большой мощности происходит фотохимическая реакция, в результате которой и начинают проявляться флуоресцентные свойства.

При считывании данное вещество опять возбуждается, но посредством лазера меньшей мощности, и начинает флуоресцировать. Это свечение регистрируется фотоприемником и принимается как значение "1". Возбужденный фотохром излучает свет, сдвигая спектр падающего на него излучения в сторону красного цвета на определенную величину (в пределах 30-50 нм), что позволяет легко различить сигнал лазера и свет, излучаемый материалом диска. Стирание производиться лазером другой длины волны, под действием которого материал теряет флуоресцентные свойства.

Для однократно записываемых FM-дисков в настоящий момент существует два способа их создания. Первый предполагает применение в дисках материала, изначально обладающего флуоресцентными свойствами. В процессе записи участки, соответствующие логическому нулю, подвергаются термическому воздействию и теряют свои флуоресцентные свойства. Второй способ – химический. В этом случае питы приобретают флуоресцентные свойства под воздействием лазерного излучения. При этом мощность записывающего лазера значительно больше мощности считывающего.

Для возбуждения вещества достаточно маломощного лазера либо обычного светодиода (или светодиодной матрицы) При использовании светодиодной матрицы возможна одновременная запись целого массива информации.

Необходимо отметить, что данная технология позволяет обойти проблему множественной интерференции между слоями, которая может привести к потери луча в многослойном диске, так как излученный фотохромом свет не когерентен и хорошо контрастирует с отраженным лазером, свободно проходит сквозь слои и легко определяется фотодатчиком. В обычных оптических носителях (CD/DVD), при увеличении числа информационных слоев происходит качественное ухудшение сигнала. Это объясняется тем, что в данных технологиях используется отраженный от информационного слоя сигнал, то есть существует необходимость в зеркальных поверхностях.

Поэтому в технологии DVD при изготовлении двухслойных дисков внешний информационный слой делается полупрозрачным для того, чтобы дать возможность лазеру добраться до внутреннего слоя. При этом сигнал, проходящий через внешний слой, оставляет в нем часть энергии вследствие отражения. Причем отраженные от обоих слоев сигналы интерферируют (накладываются друг на друга или складываются) из-за их когерентности (совпадения частоты и постоянной во времени разности фаз), в результате чего происходят потери полезного сигнала. Увеличение количества слоев усугубляет эффект множественной интерференции между слоями, и усложняется процесс считывания. В случае флуоресцентных дисков такое качественное ухудшение сигнала при нарастании числа слоев происходит гораздо медленнее (рисунок 10.3).

Рисунок 10.3 – График зависимости изменения полезного сигнала от числа слоев на FMD и DVD

По заявлению разработчиков FMD-ROM, даже при количестве слоев больше сотни не будет происходить сильного искажения полезного сигнала, так как все слои диска прозрачны и однородны.

При использовании синего лазера (480 нм) возможно увеличение плотности записи до десятков терабайт на один FМ-диск. Другая интересная особенность данной технологии заключается в возможности параллельного считывания. Если записывать последовательность бит не вдоль дорожки, а вглубь по слоям, то можно значительно повысить скорость выборки данных. Вследствие этого разработчиками FMD, было предложено название своему детищу как "трехмерный диск".

FMD-технология совместима с CD и DVD форматами, поддерживая ту же систему распределения данных на каждом слое.

Достоинство данной технологии в том, что флуоресцентный материал намного более устойчив к фазовым преобразованиям, что позволит произвести намного больше циклов перезаписи.

Контрольные вопросы

1. Опишите принцип работы оптической схемы записи и считывания на оптические диски.

2. Назовите факторы, влияющие на плотность записи оптических дисков.

3.Чем обусловлена более низкая скорость доступа к данным в оптических дисках по сравнению с винчестерами?

4. Чему равен минимальный и максимальный размер пита (ленда)? Назовите факторы, определяющие минимальный и максимальный размер пита (ленда).

5. Сравните диски CD и DVD.

6. Как выполнено кодирование информации на оптических дисках?

7.Опишите принцип работы оптической схемы записи на магнитооптический диск.

8.Какой эффект используют при записи на магнитооптические диски? В чем он заключается?

9.Достоинства магнитооптических дисков по сравнению с другими носителями информации?

Датчики

Классификация датчиков

До начала 1970-х годов в качестве светочувствительных детекторов использовались: болометры, селеновые фотоэлементы, фотоэлементы, фотодиоды. Однако в 1971 году были изобретены так называемые матрицы ПЗС (CCD) в AT&T Bell Telephone Lab в США. Примерно в то же время были изобретены позиционно-чувствительные датчики (PSD), инженерами L.E. Lindholm и G. Petterson. Интересной особенностью этих датчиков является возможность определения положения светового пятна. Данная особенность будет рассмотрена в следующих главах. Первый микрокомпьютер Intel 4004 был также сконструирован в 1971 году. Выше представленные изобретения достаточно значимы сами по себе, но вместе они дают отличные возможности для создания оптоэлектронных приборов, таким образом, 1971 год является годом рождения оптоэлектроники как самостоятельной науки.

Оптоэлектронные датчики – это микроэлектронные приборы, осуществляющие с помощью оптоэлектронного преобразования функции детектирования внешнего воздействия, обработку полученной информации и ее отображения.

Разработка сенсорных устройств решает несколько основных задач. Датчики позволяют получить в реальном масштабе времени большой объем информации о характере воздействия различных силовых полей (механических, электромагнитных, акустических, тепловых и т.д.) на характеристики различных контролируемых объектов с точностью, надежностью и быстродействием, недоступными для человеческих органов восприятия.

С помощью датчиков могут быть предложены пути практического решения проблем бионики, а именно: воспроизведения с помощью оптоэлектронных устройств человеческих органов восприятия.

Классификация по физико-конструкционным признакам разделяет все датчики на три большие группы:

- Датчики оптронного типа с открытым каналом;

- Волоконно-оптические датчики (ВОД);

- Интегрально-оптические датчики.

Внутри каждой группы возможна классификация по другим отличительным признакам.

Исходя из специфического физического явления, определяющего эффект детектирования: приборы на основе пропускания и отражения, эффектов Фарадея и Поккельса, интерференции и т.д.

Взяв за основу характеристики электромагнитного поля, датчики разделяют на амплитудные, фазовые и поляризационные.

По виду детектируемого воздействия определяем широкий круг датчиков механических (давления, перемещения, угла поворота и т.д.), электромагнитных воздействий (тока, напряженности магнитного поля, напряжения и т.д.), температурных, колориметрических датчиков, датчиков содержания химических веществ, датчиков ионизирующего излучения и т.д.