5.7.2. Накопители на оптических и магнитооптических дисках

К накопителям на оптических и магнитооптических дисках относятся накопители CD-ROM, CD-R, CDRW, DVD и магнитооптические накопители. Запись и считывание информации в оптических накопителях производится бесконтактно с помощью лазерного луча.

Устройство CD-ROM. В устройствах CD-ROM (CompactDiiskRead-OnlyMemory – компакт диск только для чтения) носителем информации является оптический диск (компакт диск), изготавливаемый на поточном производстве с помощью штамповочных машин и предназначенный только для чтения.

Компакт диск представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Тощина напыления составляет несколько десятысячных долей миллиметра.

Информация на диске представляется в виде последовательности впадин (углублений в диске или питов) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска. На каждом дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тыс. витков спиральной дорожки. Для сравнения – на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек. Емкость CD достигает 800 Мбайт.

Компакт – диск (CD-ROM) обладает высокой удельной информационной емкостью, что позволяет создавать на его основе справочные системы и учебные комплексы с большой иллюстративной базой. Один CD по информационной емкости равен почти 500 дискетам. Считывание информации с CD-ROM происходит с достаточно высокой скоростью, хотя и заметно меньшей, чем скорость работы накопителей на жестком диске. CD-ROM просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, с них невозможно случайно стереть информацию.

Накопители CD-R (CD-Recordable). Они позволяют наряду с прочтением обычных компакт-дисков записывать информацию на специальные оптические диски CD-R.

Рис. 5.30. Профиль дорожки CD-ROM

По способу организации записи и считывания оптические диски могут быть разделены на три класса: только для чтения (Read Only), с однократной записью и многократным считыванием (Write Once Read Many) и с многократной перезаписью информации (Erasable).

В основе записи информации с помощью лазера лежит модуляция интенсивности излучения лазера дискретными значениями 0 и 1 (рис. 5.30). Излучение достаточно мощного лазера оставляет на поверхности диска метки, вызванные воздействием луча на металл. Поверхность диска предварительно покрывается тонким слоем металла — теллура.

При записи логической единицы луч прожигает в пленке теллура микроскопическое отверстие. Если единицы следуют одна за другой, то за счет вращения диска во время записи отверстие оказывается вытянутым вдоль дорожки. Начинается запись с внутренних дорожек. Запись ведется с большой плотностью — 630 дорожек на миллиметр. Длина всей спиральной дорожки около 5 км.

Таким способом изготавливается первичный «мастер-диск», с которого затем производится тиражирование всей партии дисков методом литья под давлением. Полученные копии «мастер-диска» называют порой лазерными дисками, хотя более точное название — оптические диски.

Рис. 5.31. Система считывания информации с оптического диска

При считывании информации с оптического диска луч считывающего лазера отражается от поверхности диска, кроме мест, выжженных записывающим лучом (рис. 5.31). Отраженные лучи с помощью оптической системы, состоящей из призм и линз, направляются на фотодетектор. Делитель луча отправляет отраженный луч по отдельной траектории к фотодетектору. Напряжение на выходе фотодетектора будет некоторым образом воспроизводить впадины и бугорки, имеющиеся на оптическом диске.

Технология записи информации на перезаписываемые диски иная.

Рассмотрим одну из них.

Запись информации в магнитооптических накопителях осуществляется на диск из стекла, содержащий магнитный слой из сплава тербия, железа и кобальта. Этот сплав имеет низкую температуру Кюри (около 145°С). Напомним, что температура Кюри — это такая температура, при которой появляется возможность перемагнитить данный сплав. Свое название эта температура получила в честь известного физика П. Кюри.

С помощью лазера нагревают небольшой участок диска до температуры Кюри и прикладывают магнитное поле нужного направления. После остывания данный участок запоминает направление намагниченности.

Для считывания данных используют эффект Керра, который проявляется в изменении направления поляризации лазерного луча, отраженного от намагниченной поверхности.

Проигрыватели (приводы) оптических дисков становятся самым распространенным внешним запоминающим устройством. Первые промышленные приводы обеспечивали скорость считывания 150 Кбайт/с. Выбор этой скорости объясняется тем, что аудиодиски считываются именно с этой скоростью. В дальнейшем появились устройства с 2-, 4-, …, 50-кратной скоростью передачи данных (по отношению к 150 Кбайт/c). Оптические диски позволяют записывать информацию с плотностью, которая на порядок превышает плотность записи на магнитный носитель.

Перспективными являются оптические диски с высокой плотностью записи DVD (Digital Video Disc). Информация на этих дисках может быть размещена на одной либо на обеих сторонах, в одном либо в двух слоях. Двухсторонние двухслойные диски позволяют хранить 17 Гбайт информации. Информация на эти диски записывается в стандарте MPEG.

Расстояние между слоями в двухслойных дисках 40 мкм. Переключение между слоями осуществляется фокусировкой лазера на требуемом расстоянии. Двухсторонние диски склеиваются из двух отдельных дисков толщиной 0,6 мм. Для доступа ко второй стороне диск необходимо переворачивать.

На один цифровой многофункциональный диск можно записать двухчасовой видеофильм с качеством, сравнимым с профессиональным телевизионным стандартом. Диски DVD позволяют воспроизвести звуковое сопровождение на одном из 8 языков, причем для каждого языка предусмотрена отдельная звуковая дорожка. Диск содержит 32 набора субтитров.

Структура DVD-дисков, принцип записи [29]

Различные структурные типы DVD, принцип записи информации на DVD-диски различных типов, перезапись и оптическая запись.

Структура DVD-дисков и принцип записи

Основой записи и хранения данных на дисках DVD–RAM и DVD-RW является технология изменения фазового состояния вещества. При записи и считывании информации используется различие отражательной способности поверхности в зависимости от того, находится ли она в кристаллическом или аморфном состоянии.

При считывании информации с диска измеряется различие между темными аморфными и яркими прозрачными зонами. Эту технологию вполне можно назвать оптической - для чтения и записи достаточен всего лишь лазер. Послойная структура одной половины диска показана на рисунке5.32.

Рис. 5.32. Послойная структура одной половины диска

Форматы DVD

Сегодняшний стандарт DVD позволяет реализовать несколько различных конструкций диска. Это односторонние или двусторонние диски, с одним или двумя несущими информацию слоями на каждой стороне.

Один слой толщиной 0,6 мм может уместить до 4,7 Гб информации, а весь диск – до 17 Гб.

Возможны четыре разновидности DVD дисков: DVD-5, DVD-9, DVD-10 и DVD-18.

DVD-5 - это первая рыночная версия DVD диска: односторонний диск с однослойной записью и емкостью 4,7 Гб.

DVD состоит из 0,6 мм пленки, покрытой алюминием и наклеенной на чистую подложку. Технология напыления та же, что используется при изготовлении обычного CD. Алюминиевая пленка имеет толщину 55 нанометров, как и для аудио-CD и CD-ROM. Структура DVD-5 показана на рисунке 5.33.

Рис. 5.33.Структура DVD-5

DVD-9 - это двухуровневый односторонний диск с емкостью 8,5 Гбайт. Для производства такого диска необходимо создать полупрозрачный слой, который отражает 18-30% лазерного излучения. Этого достаточно, чтобы можно было считывать информацию с верхнего слоя. И в то же время полупрозрачный слой будет пропускать достаточно излучения, чтобы сигнал от нижнего уровня с высокой отражательно способностью тоже читался. Информационные уровни разделяет высокооднородный клей (толщина клеевой прослойки составляет 40-70 микрон), используемый для соединения двух половин диска. Это расстояние необходимо, чтобы различить сигнал, отраженный от одного и другого уровней. Структура DVD-9 показана на рисунке5.34.

Использование полупрозрачного слоя диктует более жесткие требования к материалу и используемой технологии:

• Высокий коэффициент пропускаемости

• UV прозрачность

• Однородность уровня не ниже 1,5%

• Высокая прочность

• Низкие издержки производства

С одной стороны, оптимальным материалом для полупрозрачного слоя является золото. С другой стороны, применение вместо золота другого материала поможет сократить издержки производства на 70%. Сегодня в качестве альтернативы золоту используются кремниевый и серебряный сплавы.

Рис. 5.34. Структура DVD-9

DVD-10 – однослойный двухсторонний диск с емкостью 9,4 Гб.

В принципе это двойной DVD-5 без чистой подложки. Два диска, покрытых металлическими пленками, соединены вместе. Чтобы считывать информацию с двух сторон диска, используется один лазер. Следующий рисунок (рис. 5.35) показывает структуру DVD-10.

Рис. 5.35. Структура DVD-10

DVD-18Структура DVD-18 в принципе та же самая, как у DVD-9, но DVD-18 может читаться с обеих сторон. Результат – двойная емкость по сравнению с DVD-9.Принципиальная структура диска на рисунке5.36.

Рис. 5.36. Структура DVD-18

Технические характеристики и спецификации, рассмотренных выше дисков, приведены в табл.5.4.

Таблица 5.4.

Технические характеристики и спецификации
ПАРАМЕТР	СD	DVD-5	DVD-9	DVD-10	DVD-18
Диаметр диска	120 мм (4,75 дюйма)	120 мм (4,75 дюйма)
Толщина диска	1,2 мм	1,2 мм (0,6 + 0,6)
Длинна волны лазера	780 нм (инфракрасный)	650 / 635 nm (красный)
Апертура линзы	0,45	0,60
Ширина трека	1,6 mм	0,74 mм
Минимальный размер "дырки"	0,83 mм	0,4 mm
Ориентировочная скорость	1,2 м /с CLV	4,0 м/с CLV
Число сторон	1	1	1	2	2
Число рабочих слоев на стороне	1	1	2	1	2
Емкость диска	680 Мбайт	4,7 Гбайт	8,5 Гбайт	9,4 Гбайт	17,0 Гбайт
Время воспроизведения	74 мин. аудио	133 мин./ рабочий слой (видеоканал, 3 аудиоканала, 4 канала субтитров при  4,69 Мбит/с)
Скорость считывания видео	1,44 Мбит/с (видео, аудио)	переменная от 1 до 10 Мбит/с (видео, аудио, субтитры)
Алгоритм компрессии видео	MPEG-1	MPEG-2
Звуковое сопровождение	два канала -MPEG	2 кан. LPCM для NTSC и MPEG-аудио; 2 канала LPCM для PAL (Linear Pulse Code Modulation) 2 или 5.1 канала  Dolby AC-3; дополнительно до 8-и языков
Субтитры	нет	до 32-х вариантов языков
Файловая система (компьютерные программы и видеоприложения)	ISO-9660	micro UDF и/или ISO-9660

Оптическая запись

За последние годы оптическая запись, использующая изменение фазового состояния вещества, значительно продвинулась. Теперь это полноценная технология для создания перезаписываемых носителей информации. Помимо общих преимуществ, обусловленных бесконтактным считыванием информации, технология оптической записи совместима с широко распространенным стандартом CD.

Принцип работы

Луч лазера вызывает кристаллографические изменения в активном слое оптического диска (а именно, в результате облучения вещество меняет свое состояние с кристаллического на аморфное и наоборот). Запись аморфных областей показана на этом графике (рис. 5.32). Короткий лазерный импульс высокой мощности расплавляет записывающий материал (температура нагрева превышает температуру плавления материала, T > T плавл). Затем следует охлаждение ниже температуры кристаллизации (T крист).

Запись информации

Рис. 5.37. Запись аморфных областей

Результат охлаждения - предотвращение образования центров кристаллизации. Таким образом, роста кристаллической фазы не происходит, и вещество остается в аморфном состоянии.

Стирание данных

Рис. 5.38. График стирания данных

Следующий график (рис.5.38) объясняет механизм стирания данных. Для стирания надо вернуть вещество в кристаллическое состояние. Опять же с помощью лазера аморфное вещество нагревают до температуры Т, которая меньше температуры плавления, но больше температуры кристаллизации (T крист < Т < Т плавл). Нагрев (а точнее, отжиг) продолжается в течение времени (t отж), достаточного для восстановления кристаллического состояния вещества. Это время должно быть больше, чем так называемое время кристаллизации (t крист,t крист< t отж).

Если необходима очень быстрая запись, например для DVD-RW, то жизненно необходима быстрая кристаллизация. Поэтому время t крист должно быть ниже 100 наносек, а это строго ограничивает выбор используемого материала. Оптимально использование различных сплавов Ge, Sb и Te - они не только удовлетворяют требованию к времени кристаллизации, но и обладают большим оптическим контрастом между аморфной и кристаллической фазой. Кроме того, они имеют приемлемые температуры кристаллизации и плавления (Tкрист = 150-200°C, Tплавл = 600°C).

Механизм записи

Существенной частью каждого метода, основанного на изменении длительности импульса, является использование многоимпульсной стратегии записи (рис. 5.39).Каждая записываемая метка формируется посредством мощных лазерных импульсов (P записи = 12 мВт, длительность импульса 15 нс). Между импульсами интенсивность лазерного излучения уменьшается. Таким образом, после каждого импульса расплавляемый материал охлаждается до температуры ниже температуры кристаллизации, формируя область с аморфной фазой. Стирание (то есть кристаллизация) достигается посредством длительного импульса лазера (P стирания < P записи). Чтение информации осуществляется ужепри гораздо меньшей мощности лазера(P чтения = 0,5-0,6 мВт).

Рис. 5.39. Методика прямой перезаписи информации

Метка записывается посредством серии мощных импульсов. Стирание достигается длительным лазерным воздействием с мощностью P стир< P записи.

CD-RW, DVD-RAM. Принцип записи на перезаписываемые DVD-диски (который первоначально разрабатывался для компакт-дисков с рабочим названием CD-Erasable) был предложен компаниями Philips, Ricoh и Hewlett-Packard и поддержан такими фирмами, как IBM, Sony, 3M, Olympus, Matsushita и Mitsumi. Конструкция перезаписываемого компакт-диска (CD-RW) напоминает CD-диск, но вместо отражающего слоя в нем используется специальное вещество, способное многократно изменять свою структуру. Такой материал был разработан компанией TDK и получил название AVIST; он обладает практически идеальными характеристиками. Его высокой отражающей способности (25-35%) вполне достаточно для совместимости DVD-дисков при воспроизведении. Характеристики материала AVIST стабильны как при высоких, так и при низких скоростях записи, что особенно важно при работе с различными приложениями. В случае перезаписываемых компакт-дисков (например, CD-Erasable) запись осуществляется со скоростью ниже 3 м/c. Работа с данными в формате перезаписываемого DVD-RAM требует от рабочего слоя скорости записи от 3 до 6 м/c. При работе со сжатой видеоинформацией скорость записи уже должна быть выше 6 м/c. 

Прекрасное соотношение сигнал/шум и характеристики изменения фазы позволили компании TDK добиться сверхмалых размеров маркера (менее 0,66 mm). 

Новый материал AVIST выдерживает не менее 1000 циклов перезаписи на скоростях ниже 3 м/с. При более высоких скоростях записи это количество циклов перезаписи должно возрасти. Как и на пигментном слое записываемого диска, на рабочем слое AVIST "выдавлены" дорожки (A), направляющие лазерный луч. При записи такого диска вещество под действием мощного лазерного луча меняет свою структуру в нужной точке поверхности, переходя из кристаллического состояния в аморфное. Поскольку такой переход обратим (т.е. вещество может быть переведено обратно в кристаллическое состояние), диск теоретически может быть перезаписан практически бесконечное число раз. Все зависит от свойств материала, применяемого в информационном слое, и по мере его дальнейшего совершенствования реально достижимое число циклов будет увеличиваться и составит не менее пяти миллионов перезаписей. Считывание производится лазерным лучом обычной мощности. При отражении от поверхности диска изменяется фаза лазерного луча в зависимости от того, произошло отражение от участка поверхности с аморфной или с кристаллической структурой. Изменения фазы отраженного луча распознаются детектором, который преобразует их в цифровой поток. Такой метод получил название Phase Change Technology (метод изменения фазы).