 |
|
Система оптической записи информации
Рассмотрим технологии изготовления и записи компакт-дисков.
Прессование так называемых алюминиевых дисков CD-ROM — самая старая технология, предполагающая использование чрезвычайно дорогостоящего заводского оборудования. Печать дисков осуществляется с помощью специальной матрицы. Рабочая поверхность изготовлена из алюминия. По такому методу создаются всем известные диски CD-ROM (от слов Read Only Memory — только читаемая память), которые допускают только считывание информации и не позволяют производить какую-либо запись. По этой технологии делают музыкальные компакт-диски и дистрибутивные диски с программным обеспечением, играми и мультимедийными справочниками. Как правило, они содержат до 650 Мбайт данных и до 74 минут музыки. Особенно сложным процессом является изготовление матрицы.
Рисунок 1.16. Структура диска CD-R
CD-R (R — от. англ. recordable — записываемый) — технология однократной записи на оптический диск. По своему строению диск CD-R, как и CD-RОМ, напоминает слоеный пирог, состоящий из активного отражающего и защитного слоев, которые последовательно наносятся на основу (субстрат) — пластиковый кружок с отверстием для фиксации на шпинделе вращающегося привода. На CD-R-диск можно записать собственную информацию, но только один раз. Перезаписать ее уже не удается.
Весь секрет этой технологии заключается в активном (или регистрирующем) слое. Он состоит из красителя, способного изменить свои отражающие характеристики под действием лазера. Лазерный луч “прожигает” точки на его поверхности, не влияя на остальные слои. Эти точки и кодируют информацию. Изменения данного слоя являются необратимыми (при правильном хранении диска), благодаря чему информация может храниться многие десятки лет. Но, с другой стороны, эта самая необратимость изменений является препятствием для перезаписи информации на диске, то есть уже записанную информацию невозможно стереть или изменить. Одним из первых веществ, использовавшихся для изготовления активного слоя, был цианин. Затем компанией Mitsui был создан фталоцианин, который является производной цианина, но менее чувствителен к воздействию света после записи, что способствует увеличению срока хранения информации. Позднее на основе цианина стали выпускаться и другие активные слои, обладающими теми или иными специфическими особенностями. Например, концерном Mitsubishi Chemical был разработан активный слой Metal Azo. Диски на его основе продаются под торговый маркой Verbatim и имеют характерный густой синий цвет на стороне рабочей поверхности. Особенностью этого активного слоя является еще более малая чувствительность дисков к воздействию лучей солнечного спектора, способных химически разлагать краситель. Над активным слоем CD-R-диска находится светоотражающий слой. Этот слой — тончайшая пластинка из серебра. Изначально в этих целях использовалось только промышленное золото, но вскоре оно было вытеснено серебром, которое не только дешевле, но и обладает большим коэффициентом отражения света. Правда, “золотые” диски еще иногда применяются, например, для хранения медицинских архивов.
Защитный слой, наносимый поверх светоотражающего, служит для механической защиты CD-R-диска и нанесения на него этикетки. Однако здесь не все так очевидно. В самом простом случае это всего лишь лаковое покрытие, ненадежное не только с точки зрения механики, но и с точки зрения химии. Надпись, сделанная на таком диске маркером с активным красителем, может привести к химической реакции и потере информации из-за проникновения красителя сквозь слой лака. Поэтому в последнее время большинство производителей используют специальные устойчивые лаки, что придает дискам дополнительную надежность.
CD-RW (RW — от англ. rewritable — перезаписываемый) — технология многократной перезаписи с изменением фазового состояния. Перезаписываемые компакт-диски сегодня стали одним из самых выгодных носителей, пригодных даже для опертивного хранения информации. Технология многократной перезаписи основана на изменении фазового состояния вещества рабочей поверхности диска при помощи лазера. На тех участках, где это вещество находится в атморфном состоянии, оно обладает высокой поглощающей способностью, а там, где оно в кристаллической форме, лазерный луч беспрепятственно проникает сквозь него, а затем отражается от следующего, отражающего, слоя. Для того чтобы перевести вещество в аморфное состояние, его сильно разогревают лазером, а затем быстро охлаждают. В итоге оно не успевает кристаллизоваться. А чтобы диск заново кристаллизовать, его снова нагревают — правда, до более низкой температуры, а затем медленно охлаждают. Кристаллическая решетка восстанавливается, и чувствительный слой становится прозрачным. При перезаписи происходит повторное изменение фазового состояния в соответствии с перезаписываемой информацией. Согласно обещаниям производителей, диска CD-RW рассчитаны более чем на 1000 перезаписей. Внешне эти диски похожи на алюминиевые и называются дисками CD-RW (CO Rewritable), то есть перезаписываемыми компакт-дисками). К сожалению, диски CD-RW читаются не во всех приводах CD-RОМ, а лишь в тех, которые поддерживают спецификацию MultiRead.
Цифровой универсальный диск DVD (Digital Versatile Disc) считается самым перспективным форматом архивирования и записи больших объемов информации. Он был специально разработан, чтобы преодолеть ограничения по качеству записи и емкости Video CD, аудио-компакт-дисков и даже кассет домашних видеомагнитофонов.
CD и DVD сохраняют информацию при помощи серии микроуглублений, формирующих спиральные дорожки начиная от центра диска. Однако на DVD эти микроуглубления более маленькие и, следовательно, более плотно прилегают друг к другу. Рис 1.17. Кроме того, сами треки (дорожки) DVD располагаются гораздо плотнее, что позволяет разместить на диске почти в семь раз больше данных, чем на обычном CD-ROM. Для чтения данных с DVD применяется точно сфокусированный лазер с меньшей длиной волны, чем излучают диоды обычных приводов CD-ROM (635-650 нанометров против 780 нм у CD).
Каждый DVD-диск может иметь на одной стороне два слоя, хранящих информацию, один над другим. Первый слой полупрозрачен, и лазер читает его без проблем. Для чтения содержимого второго слоя необходимо так перефокусировать лазер, чтобы луч проходил через первый слой и отражался только от второго. Таким образом, емкость диска увеличивается вдвое, а сложность конструкции привода существенно возрастает. И наконец, информацию на DVD можно записывать с двух сторон (а каждая из сторон может содержать два уровня). Теперь уже емкость диска увеличена в четыре раза по сравнению с классическими однослойным и односторонним. Единственное неудобство заключается в том, что переворачивать диск приходится вручную
МНОГОСЛОЙНАЯ ЗАПИСЬ
Не секрет, что каждое повышение плотности записи на магнитных дисках вызывает новую волну разговоров о суперпарамагнитном барьере. Тем временем современные оптические технологии близко подошли к дифракционному пределу, равному 0,8 Гбит/см2. Это, в свою очередь, означает, что в будущем для устройств оптического хранения данных придется использовать коротковолновые лазеры и объективы с большей апертурой.
Тем не менее необходимость в увеличении объема хранимых данных имеется, и она диктуется не только потребностями компьютерных технологий, но и новым нарождающимся сектором рынка потребительской электроники.
В течение последнего десятилетия плотность записи на магнитные диски растет примерно на 60 % ежегодно. В настоящее время производятсяустройства с плотностью записи 1,6 Гбит/см2, а на опытных образцах плотность записи достигается уже 5,6 Гбит/см2. Однако существует предел, за которым магнитные домены из-за малых размеров становятся нестабильными (он называется суперпарамагнитным барьером), на этом барьере и остановятся магнитные диски традиционной архитектуры. В оптических дисках, таких как CD, DVD и MO, максимальная плотность записи определяется шириной светового пучка, который однозначно связан с длиной волны записывающего лазера. Переход от красных лазеров с длиной волны 650 нм, применяющихся в настоящее время, к синим с длиной волны 480 нм может повысить плотность записи всего лишь примерно в четыре раза.
Таким образом, налицо потребность в развитии новых технологий хранения данных . Одну из таких технологий представила в середине 1999 года фирма Nanochip (gttp^//www. nanochip.com/). Эта технология хранения данных на молекулярном уровне позволяет получить плотность записи более 32 Гбит/см2, что примерно в шесть раз больше, чем у экспериментальных образцов, основных на классической технологии магнитной записи, и более чем в 25 раз превосходит лучшие из приводов находящихся в производстве.
Рисунок 1.19. Головка с приводами и зондами
Основой архитектуры является патентованная технология MARE (Molecular Array Read/write Engine — молекулярное устройство чтения/записи). В ней используется технология атомной туннельной микроскопии, что позволяет достичь плотность записи порядка 40 Гбит/см2в устройствах чтения/записи и 128 Гбит/см2в устройствах с однократной записью. Вся система состоит из 45 секций организованных в матрицу из девяти столбцов и пяти строк. Каждая секция состоит из платформы, тонкопленочного носителя, рабочего органа (головки, называемой nаnорrode, на которой находятся 10 зондов) и привода по осям Х и Y. В качестве носителя используются два разных типа пленки — один для однократной записи, другой для многократной. Головки сканируют поверхность носителя; при этом чувствительность их такова, что они уверенно определяют наличие одного “лишнего” атома. Наличие или отсутствие лишних атомов и несет полезную информацию.
Считывание производится следующим образом: к зонду подводится небольшое напряжение, носитель заземляется. При помощи привода по оси Z высота поддерживается таким образом, чтобы ток оставался постоянным. При этом полезным сигналом являются колебания напряжения, подаваемого на вертикальный привод. Для стирания и записи зонд подается значительно большее напряжение (— 12 В и + 12 В соответственно).
Однако эти проблемы не должны забивать голову пользователю, так как в состав устройства включена вся необходимая управляющаяэлектроника. Части, отвечающие за хранение информации и управление, изготавливаются отдельно, а затем собираются на одной подложке методами гибридной электроники. В виде микросхем выпускаются изделия NC900SX емкостью 0,9 Гбайт с возможностью многократной перезаписи и NC2500RX емкостью 2,5 Гбайт для однократной записи.
В планы компании входит также выпуск квазидисков емкостью 210 Гбайт и 1,4 Тбайт. Эти диски состоят из печатных плат, по обе стороны которых установлены микросхемы NC900SX. Интерфейс — SCSI, скорость обмена — 99 Мбайт/с!
Используя технологию сканирующей туннельной микроскопии, группа исследователей из Корнуэлльского университета разработала решетку из 144 зондов, организованную в матрицу 12 ´ ґґ12. Исследовательский центр IBM в Цюрихе также занимается подобными исследованиями. Однако Nanochip, следует отдать ей должное, первой выступила на рынок готовый продукт.
Совершенно другой продукт предлагает фирма Constellation 3D (http://www.c-3d.net/). В настоящее время плотность записи для оптических носителей составляет около 0,5 Гбит/см2и может быть повышена в четверо путем применения лазеров с длиной волны 480 нм. Изощренные магнитооптические технологии типа Magneto Optic MSR, MAMMOS, HYBRID, Nrar Fitld и Super RENS, как ожидается, в течение ближайших десяти лет должны приблизиться к рубежу 8 Гбит/см2, что даст возможность записывать примерно 100 Гбайт на диск, имеющий размеры обыкновенного CD. В этих технологиях будут использоваться голубые лазеры, носители со сложной структурой и очень сложные оптико-механические системы.
Рисунок 1.21. Блок-схема привода для
многослойного носителя
Альтернативой сложной магнитооптике в какой-то степени являются технологии с многослойной записью, в которых лазерный луч поочередно фоксируется на нескольких слоях-носителях, разделенных инертным прозрачным слоем толщиной около 15 мкм. Концепция многослойной записи была предположена IBM и Philips и нашла применение в технологии DVD (два слоя). Однако для большего количества слоев когерентность лазерного излучения приводит к интерференции, рассеянию и межслоевому взаимодействию. Проведя исследования шестислойных дисков. IBM заявила о неперспективности этой технологии.
Рисунок 1.22. Принцип работы многослойного носителя
И тогда появилась идея многослойного носителя с флюоресценцией, которая в значительной степени устраивала вышеперечисленные проблемы, порождаемые межслоевым взаимодействием. Было предложено изготавливать информационный слой из флюоресцирующего материала. Когда лазерный луч сфокусирован на этом слое, из-за явления флюоросценции возникает вторичное световое излучение, причем испускаемый свет имеет другую длину волны, слегка сдвинутую в красную сторону спектора, и по природе своей он совершенно не когерентен, в отличие от остальных технологий с отражающим покрытием. Поэтому этот свет беспрепятственно проходит сквозь другие слои. В считывающей системе этот свет отфильтровывается благодаря измененной длине волны, снижая тем самым взаимодействие с прямым пучком, характерное для современных технологий. Теоретические изыскания, подтвержденные практическими исследованиями, показали, что при многослойной технологии с отражающим покрытием качество сигнала с увеличением числа слоев быстро падает. Однако многослойная технология с флюоресцентным покрытием обеспечивает значительно меньшее падение качества считанного сигнала по мере увеличения количество слоев. Исследования показали, что в настоящее время число слоев может достигать сотни, увеличивая емкость одного носителя до десятков и сотен гигабайт в случае применения лазеров с голубым изучением.
Основными преимуществами многослойной технологии с флюоресцирующим покрытием являются следующие:
— система оптически прозрачна и однородна, так как отсутствуют отражающие границы между слоями;
— низкое поглощение в каждом из слоев (менее 1% для возбуждающего изучения);
— отсутствие поглощения возбужденного флюоресцентного излучения;
— меньшая чувствительность к отклонениям от стандарта как носителя, так и привода из-за отсутствия интерференционных эффектов;
— линейное разрешение такой системы вдвое превосходит таковое для когерентных систем,, что привело к появлению технологии, известной как флюоресцентная сканирующая микроскопия, а общее повышение разрешения — в восемь раз.
Итак, эти технологии обещают революции в технологии хранения данных.
В оптических носителях типа CD, DVD и МО процесс считывания происходит следующим образом. Луч полупроводникового лазера падает на поверхность информационного слоя, затем отражается от алюминиевой (или другой металлической — это роли не играет) подложки и фиксируется детектором- приемником. В носителях FMD не используются отраженный луч лазера, т. к. при воздействии лазерного луча на информационный слой последний сам начинает излучать.
Принцип действия флуоресцентных дисков основан на явлении фотохромирозма. Несколько лет назад российские химики открыли стойкий органический материал “стабильный фотохром”, под воздействием лазерного луча приобретающий флуоресцентные свойства (флуоресцентное свечение).
Дело в том, что информационный элемент FM-диска (фотохром) может менять свои физические свойства (такие как цвет или наличие флуоресценции) под воздействием лазера определенной мощности и длины волны. Изначально фотохром не обладает флуоресцентными свойствами. При воздействии лазера большой мощности, инициируется фотохимическая реакция, в результате которой и начинают проявляться флуоресцентные свойства. При считывании данное вещество опять же возбуждается, но посредством лазера меньшей мощности, и начинает флуоресцировать. Это свечение улавливается фотоприемником и принимается как значение “1”.
Также возникает вопрос об устойчивости состояния фотохрома с точки зрения долговечности, т. к. все физические элементы природы со временем теряют свои свойства. По заявлению компании С3D, ухудшения происходить не будет.
Возбужденный фотохром излучает свет, сдвигая спектр падающего на него излучения в сторону красного цвета на определенную величину (в пределах 30...50 нм), что позволяет легко различить сигнал лазера и свет, излучаемый материалом диска (рис. 1.23)
Необходимо отметить, что данная технология позволяет обойти проблему множественной интерференции между слоями, которая может привести к потере луча в многослойном диске, т.к. излученный фотохромом свет не когерентен и хорошо контрастирует с отраженным лазером, свободно проходит сквозь слои и легко определяется фотодатчиком. Рассмотрим данную проблему подробнее.
В обычных оптических носителях (CD/DVD) при увеличении числа информационных слоев происходит качественное ухудшение сигнала. Это объясняется тем, что в данных технологиях используется отраженный от информационного слоя сигнал, т. е. существует необходимость в зеркальных поверхностях. Поэтому в технологии DVD при изготовлении двухслойных дисков внешней информационный слой делается полупрозрачным, для того чтобы дать возможность лазеру добраться до внутреннего слоя (рис. 1.24).
При этом сигнал, проходящий через внешний слой, “оставляет” в нем часть энергии вследствие отражения. Причем отраженные от обоих слоев сигналы интерферируют (накладываются друг на друга, или складываются) из-за их когерентности (совпадения частоты, и постоянной во времени разности фаз), в результате чего происходят потери полезного сигнала. Увеличение количества слоев усугубляет эффект множественной интерференции между слоями, и процесс считывания усложняется. Эту проблему можно решить путем усовершенствования детекторов-приемников, но пока это возможно осуществить только в лабораторных условиях. В случае флуоресцентных дисков такое качественное ухудшение сигнала при нарастании числа происходит гораздо медленнее. Если это представить в виде графика, то выглядеть все будет примерно как на рис. 1.25.
По заявлению разработчиков FMD-ROM, даже при количестве слоев больше сотни не будет происходить сильное искажение полезного сигнала, т. к. все слои диска прозрачны и однородны. На рис. 1.26 показан FM-диск в разрезе.
ЛЕКЦИЯ 13