14.Технология записи информации на оптические диски.

Оптическая запись выполняется с помощью импульсов лазера, который выжигает в рабочем слое диска углубления, или питы, глубиной около 0,1 мкм (от английского pit - канава, углубление). Для записи аналоговых сигналов используется широтно-импульсная модуляция, при которой длина пита определяется размахом соответствующего отсчета аналогового видеосигнала. Минимальная и максимальная длина пита задаются принятым форматом записи. При цифровой записи используется позиционный принцип, при котором каждому 8-разрядному байту (кодовому слову) отводится участок дорожки строго определенной длины. На этом байтовом интервале можно записать до восьми питов одинаковой минимальной длины. Отсчитывая тактовые импульсы записи, несложно определить, какой пит соответствует тому или иному разряду байтового кодового слова. В пределах байтового интервала наличие пита, например, соответствует логической единице, а его отсутствие - условному нулю. Местоположение пита в пределах байтового интервала определяет соответствующий разряд. Размещение дорожек записи на диске и питовая структура записи показаны на рис. 1.4.

Для записи и воспроизведения стандартного CD используются полупроводниковые гетеролазеры с длиной волны излучения 0,6...0,65 мкм. Дифракционный предел разрешения оптических дисководов с такими лазерами составляет около 0,33 мкм и не может быть меньше половины длины волны излучения. В стандартных оптических системах дисководов (например, для компакт‑дисков), геометрические размеры пита и ширины дорожки примерно в 1,5 раза превышают длину волны света. Основные параметры формата оптической записи стандартного компакт‑диска с информационной емкостью 700 Мбайт (при 8-разрядном уровневом кодировании) следующие: ширина пита ‑ 0,8 мкм, шаг дорожки - 1,6 мкм. В случае цифровой записи кодовое слово (1 байт = 8 бит) занимает вместе с межбайтовыми интервалами 12,4 мкм, а средняя длина широтно-модулированного пита составляет около 1 мкм. Интервал длин питов в режиме аналоговой записи равен 0,8...6,4 мкм без учета разделительных интервалов.

В системах с компакт-дисками, тиражируемыми с помощью технологий штамповки, запись исходных оригиналов на диск производится с помощью гелий-неоновых газовых лазеров, длина волны излучения которых составляет 0,63 мкм. Такие системы представляют собой достаточно большие и энергоемкие установки, но зато газовый гелий-неоновый лазер способен генерировать световое излучение мощностью до 10 Вт и более, что обеспечивает ускоренную запись в самых разных режимах. Световой луч на выходе установки имеет достаточно большой диаметр (до 1 см и более), что важно для острой фокусировки излучения в пятно, сопоставимое с дифракционным. В CD‑приводах с функцией только воспроизведения применяются полупроводниковые лазеры, излучающие в инфракрасной области спектра электромагнитных волн, а именно с длиной волны 0,78 мкм. В CD‑приводах с функциями считывания и записи используются полупроводниковые лазеры с длиной волны излучения около 0, 65 мкм.

Дифракционные ограничения не распространяются на глубину пита, которая определяется толщиной рабочего слоя и обычно составляет около 0,1 мкм. Тонкий рабочий слой особенно важен, если запись ведется за счет его теплового разрушения при лазерном подогреве, и от толщины слоя будут зависеть энергетические затраты. Но все же, рабочий слой должен быть достаточно толстым, чтобы он не повреждался при считывании информации. Приведенное компромиссное значение глубины пита удовлетворяет этим противоречивым условиям. В качестве материала для информационного (рабочего) слоя CD‑дисков часто используют цианин - органический краситель синего цвета, который отличается повышенной чувствительностью к солнечному свету.

В современном производстве дисков все чаще применяются металлорганические соединения, например фталоцианины.

Сигналограмма записи на диске размещается на непрерывной дорожке, свернутой в спираль. Запись раскручивается от центра к внешней кромке, у которой размещают дорожку со служебной информацией. Общая длина спиральной дорожки на компакт-диске приблизительно равна 5,6 км.

Технология для создания перезаписываемых носителей информации, помимо общих преимуществ, обусловленных бесконтактным считыванием информации, совместима с широко распространенным стандартом CD.

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 рис. 1.5. Короткий лазерный импульс высокой мощности расплавляет записывающий материал (температура нагрева превышает температуру плавления материала, ). Затем следует охлаждение ниже температуры кристаллизации ( ).

Зависимость температуры от времени нагрева/охлаждения. Результат охлаждения - предотвращение образования центров кристаллизации, таким образом, роста кристаллической фазы не происходит, и вещество остается в аморфном состоянии, кристаллического состояния вещества. Это время должно быть больше, чем так называемое время кристаллизации ( , ).

Следующий график 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 ( ). Нагрев (а точнее, отжиг) продолжается в течение времени ( ), достаточного для восстановления.

Если необходима очень быстрая запись, например для DVD‑RW, то жизненно необходима быстрая кристаллизация. Поэтому время должно быть ниже 100 наносек, а это строго ограничивает выбор используемого материала. Оптимально использование различных сплавов Ge, Sb и Те - 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 ( , ).

Существенной частью каждого метода, основанного на изменении длительности импульса, является использование многоимпульсной стратегии записи. Каждая записываемая метка формируется посредством мощных лазерных импульсов ( , 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 ( ). Чтение информации осуществляется уже при гораздо меньшей мощности лазера ( ).