1.2.4. Технологія запису на cd-rw.

Для запису даних на диск використовується багатоімпульсна стратегія запису. Кожна записувана мітка формується за допомогою потужних лазерних імпульсів (Р_запису=12 мВт, t_{імпульсу}=15 нс). Між імпульсами інтенсивність лазерного випромінювання зменшується і розплавлений матеріал охолоджується до температури, меншої температури кристалізації, формуючи область з аморфною фазою. Стирання інформації відбувається шляхом подачі довгого в часі імпульсу лазера потужністю Р_{читання}=0,5-0,6 мВт (див. Рис. 1.2.6).

Методика прямой перезаписи информации

Рис. 1.2.6.

1.3. Принцип запису на DVD (Digital Versatile Disk – цифровий багатоцільовий диск).

Перші DVD з’явились у 1996 році в Японії. Вони називались ММСі або ММСD і розроблялися Philips’ом і Sony. Паралельно фірмою Toshiba розроблявся диск „Super Disk”. Для уникнення боротьби між різними форматами фірма ІВМ викупила патенти на ці диски і на їх основі розробила версію CD-R диску. За структурою даних DVD бувають трьох типів:

1. DVD-Video, на які записуються високоякісне зображення та звук не дуже високої якості;

1. DVD-Audio, на які записуються звук дуже високої якості;

2. DVD-Data, на які записуються текстові дані та відео і аудіо.

DVD як носії бувають чотирьох типів:

1. DVD-ROM – диски, виготовлені в заводських умовах методом штампування полікарбонатної основи;

2. DVD-RAM – диски багаторазового запису з довільним доступом;

3. DVD-R/RW – диски одноразового і багаторазового запису;

4. DVD+R/RW – диски одноразового і багаторазового запису.

DVD-RОM виготовляються за тією ж технологією, що і СD-ROM.

DVD-RAM – відноситься до DVD, які перезаписуються, і є розробкою фірми Panasonic. Вони можуть перезаписуватись до 100000 разів, на відміну від DVD-RW і DVD+RW, які можуть перезаписуватись всього до 1000 разів із-за деформації основи при нагріванні її променем лазера. За цим показником DVD-RAM можна порівняти з жорсткими дисками ПК. Перші DVD-RAM з’явились в 1998 році ємністю 2,6 ГБ в захисних картриджах. Зараз вони випускаються без захисної оболонки ємністю 9,4 ГБ для двосторонніх дисків. DVD-RAM дисководи читають DVD-відео, DVD-ROM і всі види СD. Головним недоліком DVD-RAM є те, що цей формат не підтримується більшістю побутових DVD-програвачів.

DVD+R/RW. Цей формат виник внаслідок монополізації ринку DVD-дисків консорціумом компаній “DVD-Forum”, який почав одноосібно розробляти диски формату DVD-R і DVD-RW і встановив високу ціну ліцензії на виготовлення дисків цих форматів. Низка фірм об’єднались між собою у компанію „DVD+RW Alians”, яка почала розробляти свій стандарт DVD. Диски DVD+R/RW з’явилися в продажу в 2002 році. Принцип запису, стирання і перезаписування інформації у них такий же як у DVD-R і DVD-RW. Єдина відмінність полягає в використанні більш досконалого контролю помилок і більш точному позиціюванні лазера. Практично всі приводи для DVD можуть читати обидва формати дисків.

DVD-R/RW. За принципом запису даних DVD-R/RW не відрізняється від CD-R/RW, крім довжини хвилі лазера, геометричних параметрів пітів, лендів і доріжки (див. рис. 1.3.1).

Рис. 1.3.1.

Оскільки довжина хвилі лазера для читання інформації з DVD становить 650 нм, то висота піта для диска дорівнює 105 нм.

Відмінністю DVD від CD є можливість у перших формувати дворівневий запис інформації на диску, реалізований у наступних форматах:

• DVD-5;

• DVD-9;

• DVD-10;

• DVD-18.

1.3.1. DVD-5.

DVD-5 – це перша ринкова версія DVD: одношаровий односторонній диск ємністю 4,7 ГБ. Складається з двох з’єднаних між собою основ. Одна з них містить записаний шар (називається шаром 0), інший – пустий. Нульовий шар покритий алюмінієвою відбивною плівкою товщиною 55 нм, як і для СD-ROM. Структура DVD-5 показана на рис.1.3.2.

1.3.2. DVD-9.

DVD-9 – це двошаровий односторонній диск ємністю 8,5 ГБ. Для виробництва такого диска необхідно створити напівпрозорий прошарок між двома прозорими робочими шарами, який відбиває 18-30% лазерного випромінювання. Цього достатньо для зчитування інформації з верхнього робочого шару (шар 0). І в той же час напівпрозорий шар буде пропускати достатньо випромінювання, щоб сигнал, відбитий від дзеркальної поверхні на нижньому робочому шарі (шар 1), теж читався. Інформаційні рівні розділяє високооднорідний клей (товщина клеєвого шару 40-70 мкм), який з’єднує дві половини диску. Така товщина клеєвого шару необхідна, щоб розрізнити сигнал, відбитий від першого і другого рівнів. Структура DVD-9 показана на рис. 1.3.2. Використання напівпрозорого прошарку висуває більш жорсткі вимоги до матеріалу і даної технології:

• високий коефіцієнт світлопропускання;

• однорідність шару не нижче 1,5%;

• стійкість до ультрафіолетового випромінювання;

• висока міцність;

• низькі затрати на виробництво.

В якості світловідбивного прошарку найкраще використовувати золото або його сполуки, оскільки вони на таких товщинах мають властивість приблизно 30% світлового променя відбивати, а 70% – пропускати. Сьогодні для здешевлення, в якості альтернативи золоту, використовують кремнієві або срібні сплави. Фокусуючий промінь лазера на першу або на другу робочу поверхню, ми можемо вловлювати ту частину світлової енергії, яка відбивається від даної поверхні.

1.3.3. DVD-10.

DVD-10 – це одношаровий двосторонній диск ємністю 9,4 ГБ. За принципом запису, це подвійний DVD-5. Два диски, покритих металевими плівками, склеєні між собою неробочими поверхнями. Записаний шар (нульовий шар на кожній стороні) зазвичай має алюмінієве покриття. Для зчитування інформації з обох сторін використовується один лазер. Структура цього диску показана на рис. 1.3.2.

1.3.4. DVD-18.

DVD-18 – це двошаровий двосторонній диск ємністю 17,1 ГБ. Структура його така ж, як у DVD-9. Це фактично два DVD-9 склеєних неробочими поверхнями. Принципова структура показана на рис. 1.3.2.

Відбивна здатність одношарового диска становить 45-85%, двошарового – 18-30%. Різні відбивні здатності шарів компенсуються схемою автоматичного регулювання підсилення (АРП).

Крім цих найбільш поширених форматів DVD зустрічаються DVD-14 (один шар на одній стороні диску, два – на іншій), який має ємність 13,2 ГБ і диски, діаметром 80 мм форматів DVD-1, DVD-2, DVD-3 і DVD-4.

Рис. 1.3.2.

1.4. Принцип запису на BD (Blu-ray Disk – диск з використанням синього променя).

ВD поступив у продаж в 2002 році. У дисках ВD в якості записуючого і зчитуючого променя використовується лазерний промінь з довжиною хвилі 405 нм. При такій довжині хвилі висота піта становить 0,065 мкм, що висуває високі вимоги до якості поверхні диску. Для збереження її від ушкоджень сучасні ВD випускаються в захисних картриджах. За принципом запису і читання інформації ВD не відрізняються від СD та DVD. У сучасних розробках ВD, які ще не поступили у продаж, ємність 10-шарових дисків досягає 320 ГБ.

ВD бувають трьох типів:

1. ВD-ROM – диски, виготовлені в заводських умовах методом штампування полікарбонатної основи;

2. ВD-R – диски одноразового запису;

3. ВD-RЕ – диски багаторазового запису.

Порівняльна характеристика СD, DVD та ВD показана на рис. 1.4.1 і таблиці 2.

Рис. 1.4.1.

Таблиця 2.

Параметр	CD-ROM (650МіВ)	CD-ROM (700 МіВ)	DVD-ROM	BD-ROM
Діаметр, мм	120	120	120	120
Товщина, мм	1,2	1,2	1,2 (по 0,6 мм на шар)	1,2
Кіл-сть робочих шарів	1	1	1, 2, 4	1, 2, 3, 4 , 8, 10
Крок доріжки, мкм	1,6	1,48	0,74	0,32
Довжина хвилі лазера, нм	780, інфрачервоний	780, інфрачервоний	650, червоний	405, синьо-фіолетовий
Ємність, ГБ	0,65	0,7	4,7	25
Кількість витків на 1 мм	625	676	1351	Немає даних
Загальна довжина доріжки, м	5772	6240	11836	Немає даних
Ширина піта, мкм	0,6	0,6	0,4	0,16
Висота піта, мкм	0,125	0,125	0,105	0,065
Мінімальна довжина піта, мкм	0,9	0,9	0,4 (одношаровий диск)	0,149
Максимальна довжина піта, мкм	3,31	3,31	1,87 (одношаровий диск)	Немає даних
Кількість секторів	333000	360000	2292897 (одношаровий диск)	Немає даних
Довжина біта, мкм	0,67	0,67	0,1333 (середня довжина для одношарового диску)	Немає даних
Числова апертура лінзи лазера	0,45	0,45	0,60	0,85
Розмір плями лазера, мкм	2,11	2,11	1,32	0,58

1.5. HD DVD (Hight-Definition DVD – DVD високої щільності). Цей формат є розробкою компаній Toshiba, NEC і Sanyo. Для запису використовується лазер з довжиною хвилі, як для ВD, але ці формати несумісні. Планується випуск наступних різновидів дисків HD DVD: HD DVD-ROM, HD DVD-R, HD DVD-RW і HD DVD-RAM. За принципом запису цей формат аналогічний дискам ВD, поступаючись ємністю. Одношаровий HD DVD вміщує 15 ГБ, двошаровий – 30 ГБ, трьохшаровий – 45 ГБ інформації. На даний час формат ВD випереджає в застосуванні HD DVD.

1.6. Головка читання/запису оптичних компакт-дисків.

Головним елементом головки читання/запису оптичних компакт-дисків є лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) – підсилення світла за допомогою вимушеного випромінювання).

1.6.1. Лазер і принцип його роботи.

Вперше ідею лазера (оптичного квантового генератора) запропонував А. Фабрикант у 1939 році. Згідно теорії, лазер – це джерело монохроматичного когерентного світла з високою спрямованістю світового променя.

Рис.1.6.1.

Принцип роботи лазера полягає в наступному:

В об’ємі, заповненому активним середовищем (газ (гелій+неон, вуглекислий газ), кристал (рубін ) між двома дзеркалами, одне з яких напівпрозоре (на рис. 1.6.1 - 2), рухається потік фотонів, що випромінюються атомами, від дзеркала 1 до дзеркала 2. Більша частина цього потоку проходить через напівпрозоре дзеркало 2 і випромінюється в навколишнє середовище у вигляді когерентного випромінювання. Невелика частина потоку світа відбивається від дзеркала 2, рухається назад, підсилюючись по шляху, відбивається від дзеркала 1, рухається до дзеркала 2 і т.д. Для підтримки цього процесу існує зовнішнє джерело енергії, яке підтримує такий стан активного середовища, що в ньому весь час відбувається народження фотонів. Підтримка такого стану називається накачкою.

В якості активного середовища можна використовувати:

• газ (гелій+неон, вуглекислий газ та ін.);

• напівпровідник;

• кристал (рубін та ін.);

• рідина;

• скло.

В якості оптичної накачки можна використовувати оптичну накачку, збудження електронним ударом, хімічну накачку та ін.

1.6.2. Будова головки читання/запису.

Лазерний промінь проходить крізь призму (див. рис. 1.6.2) і дві фокусуючі лінзи на диск, що обертається зі сторони прозорої основи і після відбиття повертається на спеціальний фотоприймач. При попаданні променя на піти і ленди інтенсивність відбитого променя змінюється. В результаті, на виході фотоприймача формується електричний сигнал, що по формі повторює інформаційний малюнок на поверхні CD. Дуже важливе значення для головки має числова апертура об’єктива. Вона визначає параметри освітлення, враховуючи при цьому властивості фокусуючої на диск лінзи, а також фокусну віддаль оптичної системи і коефіцієнт відносного збільшення. Числова апертура обернено пропорційна фокусній відстані і прямо пропорційна відносному збільшенню лінзи. Величина числової апертури А чисельно дорівнює:

,

де – максимальний кут заломлення променів в лінзі; п – показник заломлення.

Наприклад, лінза, що використовується в накопичувачах СD-ROM, збирає пучок світла під кутом 26,7, тому А для неї дорівнює 0,45. Для порівняння, лінза накопичувача DVD збирає пучок світла під кутом 36,9, тобто апертура становить – 0,60, в накопичувачах BD світлові промені виходять з лінзи під кутом 58,2 і апертура дорівнює 0,85 (див. рис. 1.4.1). Лінзи з більш високою числовою апертурою дають можливість створювати зображення з більш високою роздільною здатністю.

Апертура також визначає обмеження інформаційної ємності оптичних дисків. Інформаційний елемент, що записується (зчитується) не може бути меншим радіуса дифракційної плями (кружка Ері):

,

де λ – довжина хвилі світла.

Рис. 1.6.2.

Об’єктив лазера фокусує промінь чітко на робочій поверхні. Глибина різкості складає не більше 2 мкм. На поверхні прозорої основи CD лазерний промінь розфокусований. Діаметр плями променя складає біля 1 мм, а це приводить до того, що частинки пилу, відбитки пальців або подряпини на поверхні CD не можуть бути „прочитаними” лазерним променем (див. рис. 1.6.3).

Рис. 1.6.3.

Особливості оптичного способу зчитування даних:

1. Успішне зчитування залежить від стану поверхні компакт-дисків. Подряпини, пил і забруднення ускладнюють, а інколи і роблять неможливим зчитування інформації з них.

2. Застосування лазера ІЧ-діапазону для формату CD дозволяє використовувати для виготовлення не тільки прозорий полікарбонат, а і кольоровий, навіть до дуже темного. Такі основи є світлонепроникливими у видимому діапазоні, а в ІЧ – прозорими.

2. Магнітооптичні (МО) технології в комп’ютерній техніці.

Перші МО диски з’явились в 1988 році. Вони з’єднали в собі компактність гнучких дисків і дискет, швидкість середнього жорсткого диску, надійність компакт-диску і достатню, на той час ємність. Але широкому поширенню МО заважає відносно висока вартість і конкуренція сучасних жорстких дисків. В порівнянні з сучасними жорсткими дисками, вони більш повільні і поступаються їм максимальною місткістю. Це робить неможливим застосування МО в якості вінчестерів. Проте МО диски мають великі перспективи як вторинні накопичувачі для резервного зберігання інформації.

2.1. Принцип роботи МО-дисків.

Принцип роботи МО накопичувача базується на суміщенні магнітного і оптичного принципів зберігання інформації. Запис даних відбувається на магнітний робочий шар диску магнітним полем головки за допомогою променя лазера відносно великої потужності. Цей метод теплового магнітного запису (англ. Heat Assisted Magnetic Recording – HAMR) докладно був описаний в розділі (Магнітний запис). В сучасних МО накопичувачах для запису використовується два цикли: цикл стирання і цикл запису. За цикл стирання диску, або його ділянки, лазер нагріває послідовно всю ділянку. Магнітне поле головки намагнічує доріжку вибраної ділянки в одному певному напрямку, що відповідає логічному „0”. Таким чином, вся вибрана ділянка диску переводиться в стан послідовності „0”. В циклі запису для запису „1” в необхідних місцях диску включається лазер і це місце перемагнічується в зворотному напрямку. Такий подвійний цикл запису суттєво знижує його швидкість, але застосування розігріву робочої поверхні диску променем лазера підвищує надійність зберігання даних із-за малої імовірності перемагнічення ділянки.

Принцип читання інформації з МО-диску базується на магнітооптичному ефекті Коттона-Мутона (аналог ефекта Керра для електричних полів). Він полягає у впливі намагнічення середовища на інтенсивність і поляризацію світла, відбитого від його поверхні. Цей ефект досить помітний для речовин зі здатністю до значного намагнічення і з високим коефіцієнтом поглинання, тобто для металічних феромагнетиків. Якщо плоско поляризований промінь відбивається від поверхні намагніченого феромагнетику, то він стає еліптично поляризованим, при цьому велика вісь еліпса поляризації повертається на деякий кут по відношенню до площини поляризації падаючого світла. Цей кут повороту можна виразити наступною залежністю:

,

де с – стала Коттона-Мутона, яка залежить від речовинни відбиваючої поверхні, довжини хвилі випромінювання, температури та ін.; l – довжина оптичного шляху променя; Н – напруженість магнітного поля.

Відбиваючим елементом для лазерного променя, що повертає площину його поляризації, в випадку МО-диску є намагнічена при запису точка поверхні робочого шару. Фотоприймач оптичної головки зчитування сприймає відбитий промінь і аналізує величину повороту площини поляризації променя. По цьому значенню визначається напрямок намагнічення ділянки диску, а по ньому значення біта інформації на цій ділянці.

При читанні використовується лазерний промінь невеликої інтенсивності, що не приводить до нагріву поверхні і її деформації.

В таблиці 3 порівнюються основні властивості магнітооптичного запису і запису за рахунок зміни фазового стану (phase-change).

Таблиця 3.

	Магнітооптика	Рhase-change
Механізм запису	Зміна вектора намагнічення	Перехід між аморфним і кристалічним станами
Роль світла	Локальний розігрів	Локальний розігрів
Механізм читання	Зміна поляризації відбитого світла за рахунок магнітооптичного ефекту	Зміна інтенсивності відбитого світла із-за відмінності коефіцієнтів пропускання робочого шару в кристалічному і аморфному станах
Характерні температури	Точка Кюрі (200-300) С	600 С плавлення 200 С кристалізація
Число циклів перезапису	106	103 (CD-RW) 105 (DVD-RAM)

2.2. Перспективи МО.

Основні перспективи МО пов’язані зі збільшенням швидкості запису даних. Це може бути реалізовано технологією зміни фазового стану (подібно до реалізованої у CD-RW та DVD-RW). У найновіших розробках напрямок намагнічення ділянки робочої поверхні можна змінювати за декілька нс.