Розділ 6. Оптичні системи запису та зберігання інформації

1. Оптичні технології в комп’ютерній техніці.

Найбільш перспективним шляхом розвитку інформаційних технологій є застосування оптичних методів в процесі реєстрації, обробки і зберігання інформації, оскільки традиційні електронні методи мають низку суттєвих недоліків і обмежень, перш за все, у швидкодії і щільності запису.

Серед переваг оптичних методів над іншими методами можна виділити:

• високу щільність запису інформації (10⁵ біт/мм² і вище);

• відсутність (в багатьох, але не у всіх випадках) безпосереднього контакту між носієм і системою запису/читання;

• швидкодія;

• завадостійкість;

• різноманітність способів практичної реалізації, яка базується на великій кількості механізмів взаємодії світла з реєструючими середовищами.

В пристроях оптичного зберігання даних запис (читання) здійснюється за допомогою лазерного променя на диск (з диску), що обертається. Історична назва такого диску – компакт-диск (Compact Disk, CD, КД).

Перші оптичні лазерні диски з’явились в 1972 році і продемонстрували великі можливості по зберіганню інформації. Об’єми інформації, яку вони могли зберігати, дозволяли використовувати їх для зберігання баз даних, енциклопедій, колекцій відео та ін. Вони мали дуже високу надійність і довготривалість, що дозволяло використовувати їх для архівного зберігання інформації. Тодішні лазерні диски сильно відрізнялись від застосованих зараз в комп’ютерній техніці компакт-дисків.

Компакт-диск – це полікарбонатна, прозора для широкого діапазону світлових хвиль, пластина діаметром 120 мм (4,75 дюйма) або 80 мм (3,1 дюйма) і товщиною 1,2 мм, в центрі якої розміщений отвір діаметром 15 мм. На цій штампованій або литій основі розміщена одна спіральна доріжка, яка починається на внутрішній і закінчується на зовнішній частині диску. Крок цієї спіралі становить 1,6 мкм. Вся інформація записується на спіральну доріжку у вигляді виступів на ній (штрихи, піти, pits) і плоских поверхонь між ними (площадки, ленди, lands) (див. рис. 1.1). Висота піта, його ширина і довжина, довжина ленда, а також відстань між витками доріжки визначаються стандартом компакт-диску. Зазвичай компакт-диск має від трьох до шести різних шарів. Для відбиття лазерного променя тильна сторона диску покривається світловідбиваючим шаром речовини, найчастіше – алюмінієм.

Рис. 1.1.

1.1 Принцип зчитування інформації з компакт-диску базується на явищі інтерференції світлових променів. При зчитуванні інформації з компакт-диску лазерний промінь проходить крізь прозору полікарбонатну основу і сканується вздовж доріжки диску. Відбитий від доріжки промінь вловлюється фотоприймачем і перетворюється в електричний сигнал. Глибина ленда доріжки по відношенню до піта має важливе значення для зчитування інформації. Вона повинна точно дорівнювати 1/4 довжини хвилі лазерного променя: . Відбитий від ленда промінь проходить відстань, що дорівнює половині довжини хвилі променя і накладається на падаючий промінь. В результаті інтерференції ці промені взаємно гасять один одного, фотоприймач не отримує світлової енергії і не перетворює її в електричний сигнал. В результаті такого сканування доріжки в фотоприймач буде надходити світло, відбите від пітів, яке буде уриватися на час проходження лазера над лендом (ленд стає „чорним”, тобто не відбиваючим світло). Фотоприймач сприймає систему таких спалахів, перетворючи їх в логічну „1”. Перехід від піта до ленда (кінець спалаху світла) і від ленда до піта (поява світла) відповідає логічній „1”. Той час, який лазер проходить над пітом чи лендом (без переходу між ними), при зчитуванні заповнюється логічними „0” (див. Рис. 1.1.1).

Рис. 1.1.1.

Для прикладу визначимо висоту піта СD. Довжина хвилі лазера для зчитування даних з цього диску становить =780 нм. Оскільки промінь проходить через полікарбонатну основу диску з показником заломлення , то висота піта повинна становити:

.

На даний час найбільш поширеними стандартами оптичних технологій запису інформації є:

• СD (СD-ROM, CD-R, CD-RW);

• DVD (DVD-ROM, DVD-RAM, DVD-R, DVD-RW, DVD+R, DVD+RW);

• BD (BD-ROM, BD-R, BD-RE).

Формати оптичних дисків описані в так званих „райдужних книгах” (Rainbow books).

1.2. СD.

1.2.1. СD-ROM та технологія їх виготовлення.

СD-ROM (англ.: Compact Disk Read Only Memory - пам’ять тільки для читання на компакт-дисках). Він є найбільш поширеним оптичним накопичувачем. Термін СD-ROM відноситься як до самих компакт-дисків, так і до пристроїв (накопичувачів), в яких інформація зчитується з компакт-диска. Фізичні параметри СD-ROM, а також його доріжок, пітів і лендів показані на рис. 1.2.1 і приведені в таблиці 2. Довжина пітів і лендів визначається системою кодування інформації. В прийнятій на даний час системі кодування Ріда - Соломона прийнято, що між двома логічними „1” на диску може бути від двох до десяти „0”.

Рис. 1.2.1.

Розглянемо принцип запису інформації на СD-ROM (часто в побуті користуються назвою – ліцензійний диск). В таких дисках система пітів і лендів на доріжці диску створюється методом заводського штампування. Цей процес відбувається в наступних стадіях (див. рис. 1.2.2):

Рис.1.2.2.

1. На скляний диск наноситься шар світлочутливої речовини – фоторезистивний шар товщиною 150 мкм і відпалюється при температурі 80 С протягом 30 хв.

2. За допомогою лазера на поверхні фоторезистивного шару формують ділянки, які внаслідок фоточутливості змінюють кристалічну будову матеріалу.

3. Скляна пластинка розміщується в 10% розчин NaOH, який розчиняє експоновані лазером ділянки, формуючи на поверхні фоторезистивного шару западини.

4. За допомогою гальванопластики диск покривається шаром нікелевого сплаву. В результаті утворюється металевий майстер-диск. Такий диск називається батьківським диском (father).

5. Металевий майстер-диск відділяється від скляної основи.

6. Батьківський диск розміщується в основі, в якій знаходиться полікарбонатна маса в розплавленому вигляді об’ємом біля 18 грам і температурі 350 С. В результаті такого штампування утворюється пластиковий диск з системою виступів і западин.

7. На цей диск шляхом напилення наноситься Аl товщиною 0,05-0,1 мкм для створення відбивної для світла поверхні.

8. Для захисту алюмінієвої плівки від окислення зверху наноситься шар акрилового лаку (6-7 мкм) і етикетка. Одного майстер-диска вистачає на виготовлення 1-3000 СD–ROM дисків.

1.2.2. СD-R диски та технологія їх виготовлення.

СD-R (Compact Disk Recordable – компакт-диск з можливістю одноразового запису). Початок випуску - 1988 рік. Принцип запису даних на ці диски базується не на заводському штампуванні пітів і лендів на доріжці диску, а на зміні оптичних властивостей робочого шару, що наноситься на полікарбонатну основу. В якості такого робочого фоточутливого шару використовують органічні сполуки – цианіни (cyanine) або фталоцианіни (phtalocyanine). Колір диска визначається кольором цианіну (блакитний) або фталоцианіну (золотистий). Відбивна здатність цих сполук складає 70% (близько до відбивної здатності золота). Властивість цих матеріалів змінювати коефіцієнт відбивання світла лежить в основі запису на СD. Під дією лазерного променя (відносно великої потужності) вони темніють і перестають пропускати крізь себе лазерний промінь. На доріжці диску утворюється система темних і світлих ділянок, які є тими ж самими псевдопітами і псевдолендами для лазерного променя. В якості відбиваючих світло матеріалів використовують золото та срібло, рідше – алюміній і сплави. На даний час експлуатуються диски СD-R наступних ємностей (див. табл..1).

Таблиця 1.

Тип	Тривалість, хвилини	Секторів	Макс. розмір даних
			байти	МіБ
650MB	74	333 000	681 984 000	650,3
700MB	80	360 000	737 280 000	703,1
800MB	90	405 000	829 440 000	791,0
900MB	99	445 500	912 384 000	870,1

Безумовною перевагою СD-R над СD-ROM є матеріал світловідбивного шару. Оскільки він, в основному, виготовляється із золота і срібла, менш здатних до окислення, ніж алюміній, який застосовується у більшості штампованих дисків, СD-R тускніють повільніше. Однак, основним недоліком дисків СD-R є чутливість робочого шару до світла. Від дії світла наступає деструкція і окислення цианіну і фталоцианіну, хоча останній менш схильний до цих процесів. Найбільш оптимістичні оцінки часу життя дисків на основі фталоцианінів – біля 100 років. Статистика використання СD-R показує, що час експлуатації таких дисків становить: 2-3 роки – при акуратній роботі з ними і 1 рік – при інтенсивній роботі з неакуратним поводженням (удари, згини, дія тепла, яскравого світла та ін.)

1.2.3. CD-RW та технологія запису і перезаписування на них.

CD-RW (Compact Disc ReWritable – компакт-диск, з можливістю перезаписування).

Основою запису і зберігання даних на дисках CD-RW є технологія зміни фазового стану речовини (phase-change). При запису і читанні з дисків використовуються різні оптичні властивості деяких речовин, в залежності від того, знаходяться вони в кристалічному стані чи аморфному. Так, як вже говорилось в розділі „Флеш-пам’ять”, для халькогенідів (сплав Ge-Sb-Te із стехіометричним складом 2:2:5) характерною є прозорість для червоного та інфрачервоного світла в кристалічному стані і не прозорість – в аморфному. Крім того, вони характеризуються великою оптичною контрастністю кристалічного і аморфного станів. Зміну фазового стану такої речовини можна здійснювати шляхом нагрівання відповідної ділянки на диску відносно потужним променем лазера. Оскільки для запису даних на сучасні CD-RW необхідна дуже швидка кристалізація, то найкраще для цього підходять саме сплави Ge, Sb і Te, у яких t_крист<100 нс. Також такі халькогеніди мають прийнятні для технології температури кристалізації і плавлення (Т_крист=150-200 ⁰С, Т_плавл=600 ⁰С). Будова CD-RAM і CD-RW показана на рис. 1.2.3.

Рис.1.2.3.

На CD-RW диску робочий шар Ge-Sb-Te знаходиться між двома шарами буферного матеріалу ZnS-SiO₂. Цей матеріал характеризується високою тугоплавкістю і прозорістю в заданому діапазоні довжин хвиль.

Розглянемо принцип запису на CD-RW (див. рис. 1.2.4). На графіку зображена залежність температури робочого шару (Ge-Sb-Te) від часу нагрівання і охолодження диску.

Рис. 1.2.4.

При подачі короткочасного імпульсу лазера високої потужності (Р=10¸15мВт) на певну ділянку доріжки, температура її зростає таким чином, що робочий шар в цьому місці розплавлюється (Т>Т_плавл) і переходить в рідкий стан. При закінченні імпульсу лазера і швидкому охолодженні диска (t_охолод<t_крист), температура цієї точки робочого шару різко падає так, що стає меншою температури кристалізації (Т<Т_крист). Таке різке охолодження приводить до того, що структура кристалічної решітки робочого шару у цьому місці доріжки не може відновитись і він залишається в аморфному стані.

Таким чином, при записі на CD-RW диск, на ньому формуються ділянки, на яких робочий шар є в кристалічному, прозорому для світла стані, і аморфні ділянки, які є непрозорими для інфрачервоного світла.

Рис. 1.2.5.

Так формуються на поверхні піти і ленди.

При стиранні інформації з CD-RW диска імпульс лазерного променя подається меншої потужності (0,5-1мВт), такої, що він розігрівав робочий шар до температури, яка була б більшою за Т_крист, але меншою Т_плавл (Т_крист<Т<Т_плавл) При такому розігріві, атоми робочого шару відновлюють кристалічну структуру речовини. Така відбудова кристалічної решітки носить назву „відпалення”. В результаті, речовина робочого шару відновлює свої оптичні властивості (див. рис. 1.2.5).