Внешняя память на оптических носителях.

Для хранения больших объемов информации, возникающих при компьютерной обработке графических изображений, звука и видео широко используются способы записи данных на оптических носителях. Их называют лазерными дисками, поскольку лазер используется как при записи, так и при чтении информации. Первые оптические диски предназначались для записи музыки и назывались компакт-дисками или сокращенно CD (Compact Disc). Диски с компьютерными данными стали называть CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) – компакт-диск, предназначенный только для чтения.

CD-ROM представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого напылён светоотражающий слой алюминия, защищенный от механических повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра.

Информацию на диск записывают с помощью лазера (для обычного CD-ROM применялся луч лазера с длиной волны 780 нанометров) в виде последовательности впадин (углублений в диске) и «выступов» (их уровень соответствует поверхности диска), расположенных на спиральной дорожке, начинающейся в области вблизи оси диска и заканчивающейся на внешней кромке. На каждом дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16000 витков спиральной дорожки, расстояние между соседними витками 1,6 мкм. Для сравнения – на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек. Емкость CD достигает 700 Мбайт.

При чтении CD сфокусированный лазерный луч направляется на дорожку вращающегося диска. Отраженный от дорожки луч () с помощью оптической системы () направляется на фотодетектор (), где складывается с когерентным лучом (). Результат сложения зависит от разности фаз лучей. Если разность фаз ∆φ кратна 2π, то детектор зафиксирует усиление света (яркое пятно), если разность фаз ∆φ кратна π, то детектор зафиксирует ослабление света (темное пятно).

Когда свет отражается только от впадины или от выступа (площадки), детектор фиксирует усиление света. На границах впадина – площадка или площадка – впадина детектор фиксирует ослабление света. Если каждый переход на границах обозначить значением «1», а элементы поверхности площадок длиной 300 нм двоичным значением «0», то результирующая последовательность двоичных знаков будет такой, как показана на рисунке.

Для CD применяется сложная система кодирования информации. Каждый байт представлен 14-разрядным кодом, позволяющим выявлять и исправлять ошибки.

CD-ROM просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, на них невозможно случайно стереть информацию.

Весьма широкое распространение получили компакт-диски с однократной CD-R (CD-Recordable) и многократной CD-RW (Compact Disc-ReWritable) записью. Для записи используются технологии, основанные на изменении отражающих свойств вещества подложки компакт-диска под воздействием луча лазера. В перезаписываемых дисках в качестве светоотражающего слоя используется не алюминий, а золото. Между этим слоем и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи достаточно мощный лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, последние темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные впадинам. Емкость носителя CD-RW составляет 700 Мбайт и равна емкости дисков CD-ROM и CD-R. Диски CD-RW считываются на универсальных CD-ROM - и DVD-ROM - приводах, рассчитанных на работу с различными носителями.

В конце 1997года на рынке стали появляться диски DVD (Digital Versatile Disk, ранее Digital Video Disk), т. е. многоцелевой цифровой диск – тип компакт-дисков, хранящий от 4,7 до 17 Гбайт информации.

DVD производится в двух форм-факторах: 12 см (4,7 дюйма) и 8 см (3,1 дюйма). У DVD-дисков меньший диаметр углублений (пит, pit), что стало возможным благодаря применению лазера с длиной волны 650 или 635 нм. Это позволяет покрывать лучом в два раз больше насечек на одной дорожке и в два раза больше дорожек, в результате одного лишь повышения плотности записи емкость DVD-дисков составила 4,7 Гбайт. (рис.)

Для записи DVD-дисков в настоящее время имеются две разновидности: DVD-R – однократно записываемый диск (аналог CD-R) и DVD-RW для многократной, стираемой записи (аналог CD-RW).

Существуют односторонние (SS - Single Sided) и двухсторонние DVD (DS), однослойные (SL - Single Layer) и двухслойные (DL).

Двухсторонний диск делается просто: так как толщина диска DVD может составлять лишь 0,6 мм (половина толщины обычного CD-ROM), появляется возможность соединить два диска тыльными сторонами и получить двухсторонний DVD. Правда, его придется вручную переворачивать, так как приводы работают только с одной стороной диска.

Технология создания двухслойных дисков чуть более сложна: данные записываются в двух слоях – нижнем и полупрозрачном верхнем. Работая на одной частоте, лазер считывает данные с полупрозрачного слоя, работая на другой – получает данные с нижнего слоя.

В отличие от однократно записываемого формата DVD-R диски типа RW допускают до 1000 перезаписей. Процесс перезаписи основан на свойстве изменения фазового состояния специального органического красителя, используемого в RW дисках в качестве физического носителя информации. При точечном нагреве лучом лазера (на 650 нм) до определенной температуры краситель переходит из кристаллического состояния (“светлое”, высокоотражающее) в аморфное (“темное”, неотражающее) и наоборот. При последующем сканировании этих участков (питов) лазером считывающего устройства измеряется и анализируется (сравнивается с заданным порогом) уровень отраженного сигнала.

В технологии Blu-Ray используется синий лазер с длиной волны 405 нм. Применение коротковолнового лазера позволило сузить дорожку более чем в два раза, по сравнению с обычным DVD-диском (с 0,74 до 0,32 микрон) и увеличить плотность записи данных в 2,6 раза.

Увеличение числовой апертуры линзы с 0,6 до 0,85 позволяет повысить плотность записи в два раза. Умножая два коэффициента, получаем искомый результат - увеличение емкости по сравнению с DVD в пять раз.

Уменьшение толщины защитного слоя в шесть раз (0,1 мм вместо 0,6 мм) предоставило возможность проведения более качественного и корректного течения операций чтения/записи.

Ёмкость Blu-Ray-диска (BD), с размерами как у CD (120 мм в диаметре) составляет 27 Гб. Формат обеспечивает рекордную скорость передачи данных 36 Mbps.