На оптических дисках

Первые оптические компакт-диски CD-DA (Compact Disk – Digital Audio – «цифровой звуковой компакт-диск) и CD-ROM (Compact Disk – Read-Only Memory) для записи, соответственно, звука и данных появились в начале 1980-х годов. На сегодняшний день компакт-диски являются недорогими, массово производимыми, надежными носителями информации как в бытовой аудиовидеотехнике, так и в вычислительной технике. В настоящее время накопитель на оптическом компакт-диске является практически обязательным компонентом современного компьютера. С момента своего появления технология производства CD-устройств постоянно развивается и совершенствуется.

Классический компакт-диск CD-ROM, получивший массовое распространение, представляют собой пластиковый поликарбонатный диск (чаще всего диаметром 4,72 дюйма) и имеет двухслойное покрытие: во-первых, отражающий слой из алюминия, золота, серебра или других металлов и сплавов, во-вторых, защитный слой из лака. Запись информации на такие диски осуществляется в производственных условиях лазерным лучом большой мощности, который «выжигает» на поликарбонатной основе компакт-диска спиральную дорожку с микроскопическими впадинами («питами» от pits – «углубления»). С помощью питов, собственно, и кодируется двоичная битовая информация, записываемая на диск (см. подраздел 3.1). В результате этого процесса создается так называемый первичный диск («мастер-диск»). Дальнейшее тиражирование компакт-дисков производится с помощью первичного диска методом литья под давлением или высокоточной штамповки.

В оптическом дисководе, установленном в компьютере, информация с дорожки считывается маломощным лазерным лучом. Лазерный луч, фокусируемый на дорожку, отслеживает ее структуру и, отражаясь, улавливается специальным фотоприемником (фотодиодом) оптической читающей головки, которая соответствующим образом интерпретирует полученный сигнал в виде двоичных чисел. Так как лазерный луч фокусируется не на внешней стороне поверхности диска, а на внутреннем «информационном» слое, то царапины или жировые пятна до определенного предела не искажают физические параметры луча.

Важнейшей характеристикой накопителей на оптических дисках является максимальная скорость, с которой данные пересылаются от носителя информации в компьютер. Непосредственно со скоростью передачи данных связан такой параметр, как скорость вращения диска. Первые дисководы CD-ROM передавали данные со скоростью 150 Кбайт/с. В последующих поколениях устройств скорость увеличивалась, как правило, кратно этой скорости. Поэтому приводы назывались «накопители с двух-, трех-, четырехкратной скоростью» и т. д. К низкоскоростным накопителям CD-ROM предъявлялось требование обеспечения постоянной линейной скорости считывания данных. Поэтому в них угловая скорость CD изменялась в зависимости от местонахождения считываемого (записываемого) участка дорожки для того, чтобы обеспечить постоянную линейную скорость носителя над головкой. Так при считывании информации с внутренней части диска скорость вращения должна составлять около 500 об/мин, а при считывании с внешней части – около 200 об/мин, т. е. изменяться в 2,5 раза. Такая технология давала возможность работы с постоянной оптимальной плотностью записываемых данных и относительно высокой емкостью дисков. Скоростные CD-ROM, начиная с коэффициента кратности 12х, обеспечивают трафик нужной минимальной величины в любом месте диска даже при постоянной угловой скорости вращения. Поэтому современные высокоскоростные накопители имеют постоянную угловую скорость и тем самым непостоянную линейную. На периферийных участках данные считываются с большей скоростью (4–7,8 Мбайт/с). Средняя скорость считывания при этом гораздо ближе к минимальным значениям, поскольку запись на диске начинается с внутренних областей.

Типовой дисковод CD состоит из блока электроники, двигателя со шпинделем для закрепления и вращения диска, системы оптической считывающей головки и системы загрузки диска. В блоке электроники размещены все управляющие схемы привода, интерфейс с контроллером компьютера и разъемы интерфейса. Система оптической головки состоит из самой головки и устройства ее перемещения. В головке размещены лазерный излучатель на основе инфракрасного лазерного светодиода, система фокусировки, фотоприемник и предварительный усилитель. Устройство позиционирования оптической системы ориентируется на специальные метки диска и не требует высокоточной механики, что делает это устройство достаточно дешевым в производстве.

В конце 1980-х годов появились компакт-диски с возможностью однократной записи– CD-R (Compact Disk Recordable – «записываемый компакт-диск»). Для хранения информации в них используется записывающий слой из органического полимерного красителя, оптически «темнеющего» от нагревания под воздействием лазерного луча. Длина волны лазерного луча (как и при чтении) составляет 780 нм, однако его интенсивность при записи на порядок выше, чем при чтении. «Затемненные» участки диска CD-R подобны питам и изменяют физические параметры отраженного лазерного луча.

Во второй половине 1990-х годов начат выпуск более универсальных накопителей и дисков CD-RW (Compact Disk ReWritable – «компакт-диск перезаписываемый») с возможностью перезаписи и многократной записи. В отличие от органических красителей, используемых для формирования активного слоя в дисках CD-R, в CD-RW активным слоем является специальный поликристаллический сплав (серебро–индий–сурьма–теллур), который переходит в жидкое состояние при сильном (500–700^оС) нагреве лазером. При последующем быстром остывании жидких участков они остаются в аморфном состоянии, поэтому их отражающая способность отличается от поликристаллических участков. Возврат аморфных участков в кристаллическое состояние осуществляется путем более слабого нагрева ниже точки плавления, но выше точки кристаллизации (примерно 200^оС). Выше и ниже активного слоя располагаются два слоя диэлектрика (обычно двуокиси кремния), отводящих от активного слоя излишнее тепло в процессе записи. Все эти слои прикрыты отражающим слоем и нанесены на поликарбонатную основу, в которой выпрессованы спиральные углубления (они необходимы для точного позиционирования головки и несут адресную и временную информацию).

В накопителе CD-RW используются три режима работы лазера, отличающиеся мощностью луча: режим записи (максимальная мощность, обеспечивающая переход активного слоя в неотражающее аморфное состояние), режим стирания (возвращает активный слой в отражающее кристаллическое состояние) и режим чтения (самая низкая мощность, не влияющая на состояние активного слоя).

Наиболее распространенная емкость CD-дисков – 650–700 Мбайт. С целью существенного увеличения этой емкости было разработано семейство новых оптических дисков, получивших название DVD (Digital Versatile Disk – «цифровой многофункциональный диск»). В результате ряда технологических усовершенствований удалось увеличить емкость диска DVD в 7–25 раз по сравнению с емкостью точно такого же по размерам традиционного СD. Прежде всего этому способствовало применение вместо инфракрасного лазера с длиной волны 780 нм лазера красного диапазона с длиной волны 635 или 650 нм. Уменьшение длины волны позволило сократить минимальный размер питов и шаг дорожек, что дало общий выигрыш в емкости в 4,5 раза. Остальное было получено за счет применения более эффективных кодов коррекции ошибок, которые позволили значительно уменьшить процент, отводимый на эти коды в каждом пакете данных.

Диски DVD выпускаются не только односторонними и однослойными, но и в двухслойном и двустороннем исполнении. Возможность изготовления двухслойных дисков (отражающий материал первого слоя является полупрозрачным, так что можно фокусировать лазер на находящимся над ним втором отражающем слое) позволила поднять емкость еще почти в два раза (на самом деле несколько меньше, поскольку в полупрозрачном слое не удается достичь такой же плотности записи, как в полностью отражающем слое). Двухсторонний диск, который представляет собой как бы два односторонних, склеенных отражающими слоями внутрь (общая толщина диска при этом остается неизменной), еще в два раза увеличил возможную емкость DVD. Для идентификации DVD-дисков используется следующая кодировка: DVD-5 (односторонний однослойный с емкостью 4,7 Гбайт), DVD-9 (односторонний двухслойный с емкостью 8,5 Гбайт), DVD-10 (двусторонний однослойный с емкостью 9,4 Гбайт) и DVD-18 (двусторонний двухслойный с емкостью около 17 Гбайт). Повышение плотности размещения данных на диске привело к автоматическому увеличению скорости передачи данных при той же скорости вращения носителя. Так, если в накопителе CD-ROM 1X данные передаются со скоростью 150 Кбайт/с, то в DVD-ROM 1X скорость передачи достигает 1250 Кбайт/с, что соответствует CD-ROM 8Х. Например, в накопителях DVD скорость 16Х соответствует гипотетической скорости 128Х в CD-ROM.

Современные накопители DVD также обеспечивают многократную запись на соответствующие диски. Для обеспечения совместимости накопителей DVD с носителями CD применяются различные технические решения, в том числе смена фокусирующих линз, два лазера с длинами волн 780 и 650 нм или специальный голографический элемент, обеспечивающий правильную фокусировку для каждого типа носителя.

Перспективной технологией является запись дисков, аналогичных по формату DVD, с помощью лазеров сине-фиолетового диапазона с длиной волны 405 нм. Меньшая длина волны позволяет уменьшить размеры «пятна» лазерного луча, а, следовательно, сократить размеры питов и расстояние между соседними дорожками, в результате чего существенно увеличить потенциальные значения емкости информации, хранимой на оптических дисках.