Оптические накопители видеоинформации

Леонид Чирков

В современной технике оптические процессы используются для решения задач, связанных с накоплением, переносом, тиражированием и долговременным хранением информации. Они широко применяются в копировальной технике и полиграфии, в частности при изготовлении печатных форм для офсетной печати. На рынке печатающих устройств уже давно доминируют лазерные принтеры, а в микроэлектронике изготовление печатных плат начинается с фоторезистивных процессов. Но во всех этих примерах время накопления информации является хотя и важным (например, при тиражировании), но отнюдь не определяющим фактором. Иное дело накопление информации и данных в телевидении и компьютерной технике, где способность работать в реальном времени часто определяет пригодность тех или иных технических решений.

CD-диски

Идея использовать для видеозаписей технологию записи и тиражирования грампластинок принадлежит фирме Philips. Видеозапись на оригинал выполнялась с помощью алмазных иголок в режиме замедленного считывания видео с магнитных записей. Оригинал служил исходным материалом для изготовления тиражных матриц по технологиям, отработанным для грамзаписей. Тираж видеодисков выполнялся по обычным технологиям штамповки. Конечно, ни о каком реальном времени, за исключением режима воспроизведения, в этом случае речи не шло.

Это не столь уж оригинальное, но очень важное изобретение было сделано почти двадцать пять лет назад, и именно оно стимулировало разработку видеодисковых накопителей.

Подход Philips был почти сразу подхвачен многими фирмами. Особенно энергично за дело взялась компания Sony. Она впервые предложила лазерную технологию для записи видео на оригинал и воспроизведения, эффективную систему сжатия видеоинформации и сделала все это еще в то время, когда цифровая телевизионная техника только зарождалась в лабораториях. CD (compact disk, компакт-диск) — стандартный оптический носитель видео и данных также был разработан Sony, а вскоре многие фирмы наладили массовое тиражирование видеодисков и производство соответствующих проигрывателей. Достаточно долго такие диски использовались только в бытовой технике, в рамках системы ROM по современной классификации (Reed Оnly Memory — только для чтения). На этом этапе были отработаны принципы оптической записи и ее «укладки» на диске. Оптическая запись выполняется с помощью импульсов лазера, который выжигает в рабочем слое диска углубления, или питы, глубиной около 0,1 мкм (от английского pit — канава, углубление). Для записи аналоговых сигналов используется широтно-импульсная модуляция, при которой длина пита определяется размахом соответствующего отсчета аналогового видеосигнала. Минимальная и максимальная длина пита задаются принятым форматом записи. При цифровой записи используется позиционный принцип, при котором каждому 8-разрядному байту (кодовому слову) отводится участок дорожки строго определенной длины. На этом байтовом интервале можно записать до восьми питов одинаковой минимальной длины. Отсчитывая тактовые импульсы записи, несложно определить, какой пит соответствует тому или иному разряду байтового кодового слова. В пределах байтового интервала наличие пита, например, соответствует логической единице, а его отсутствие — условному нулю. Местоположение пита в пределах байтового интервала определяет соответствующий разряд. Размещение дорожек записи на диске и питовая структура записи показаны на рис. 1.

Рис. 1. Дорожки записи

Для записи и воспроизведения стандартного CD используются полупроводниковые гетеролазеры с длиной волны излучения 0,6…0,65 мкм. Дифракционный предел разрешения оптических дисководов с такими лазерами составляет около 0,33 мкм и не может быть меньше половины длины волны излучения. В стандартных оптических системах дисководов (например, для компакт-дисков), геометрические размеры пита и ширины дорожки примерно в 1,5 раза превышают длину волны света. Основные параметры формата оптической записи стандартного компакт-диска с информационной емкостью 700 Мбайт (при 8-разрядном уровневом кодировании) следующие: ширина пита — 0,8 мкм, шаг дорожки — 1,6 мкм. В случае цифровой записи кодовое слово (1 байт = 8 бит) занимает вместе с межбайтовыми интервалами 12,4 мкм, а средняя длина широтно-модулированного пита составляет около 1 мкм. Интервал длин питов в режиме аналоговой записи равен 0,8…6,4 мкм без учета разделительных интервалов.

В системах с компакт-дисками, тиражируемыми с помощью технологий штамповки, запись исходных оригиналов на диск производится с помощью гелий-неоновых газовых лазеров, длина волны излучения которых составляет 0,63 мкм. Такие системы представляют собой достаточно большие и энергоемкие установки, но зато газовый гелий-неоновый лазер способен генерировать световое излучение мощностью до 10 Вт и более, что обеспечивает ускоренную запись в самых разных режимах. Световой луч на выходе установки имеет достаточно большой диаметр (до 1 см и более), что важно для острой фокусировки излучения в пятно, сопоставимое с дифракционным. В CD- приводах с функцией только воспроизведение применяются полупроводниковые лазеры, излучающие в инфракрасной области спектра электромагнитных волн, а именно с длиной волны 0,78 мкм. В CD-приводах с функциями считывания и записи используются полупроводниковые лазеры с длиной волны излучения около 0, 65 мкм.

Рис. 2. Компакт-диск: а — размеры; б — структура

Дифракционные ограничения не распространяются на глубину пита, которая определяется толщиной рабочего слоя и обычно составляет около 0,1 мкм. Тонкий рабочий слой особенно важен, если запись ведется за счет его теплового разрушения при лазерном подогреве, и от толщины слоя будут зависеть энергетические затраты. Но все же рабочий слой должен быть достаточно толстым, чтобы он не повреждался при считывании информации. Приведенное компромиссное значение глубины пита удовлетворяет этим противоречивым условиям. В качестве материала для информационного (рабочего) слоя CD-дисков часто используют цианин — органический краситель синего цвета, который отличается повышенной чувствительностью к солнечному свету.

В современном производстве дисков все чаще применяются металлорганические соединения, например фталоцианины.

Сигналограмма записи на диске размещается на непрерывной дорожке, свернутой в спираль. Запись раскручивается от центра к внешней кромке, у которой размещают дорожку со служебной информацией. Общая длина спиральной дорожки на компакт-диске приблизительно равна 5,6 км.

Лазерный диск — многослойная структура. Ее основные элементы — прозрачная основа, рабочий слой и непрозрачный защитный слой (рис. 2). В первых дисках в качестве основы использовали закаленное стекло, а позже — прозрачную пластмассу (например, поликарбонат). При изготовлении диск форматируют, для чего в основе методом тиснения формируют канавку, свернутую в спираль, и только затем покрывают сначала рабочим слоем (как правило, это алюминий), затем — защитным. Нанесенная при форматировании канавка служит направляющим элементом при записи и воспроизведении.

DVD-диски

Геометрические параметры CD- и DVD-дисков совпадают и определены международными стандартами. Правда, сейчас на рынке появляются диски с уменьшенным диаметром 80 мм (2/3 диаметра стандартного диска). Все параметры, характеризующие геометрию диска и его сигналограмму, взаимосвязаны и не случайны. Зоной записи на DVD-диске является кольцо с внешним радиусом 120 мм и внутренним — 50 мм. Несложно подсчитать общую площадь этой зоны: она составляет 1010 мкм. Известно, что стандартный объем видеозаписи на DVD равен 4,7 Гбайт. Один байт занимает площадь около 2 мкм² (1010/4,7·109). А так как 1 байт = 8 битам, то на один бит отводится площадь 0,25 мкм². Если бит размещается в записи в пределах квадрата, то ширина дорожки и длина бита равны 0,5 мкм. Приведенные цифры и являются действующими параметрами сигналограммы на DVD. Полная длина дорожки записи составит около 10 км.

Хорошая оптика считывающего привода DVD практически без существенных потерь видеоинформации позволяет применять устройства на основе полупроводниковых лазеров с длиной волны излучения 0,65 мкм, дифракционный предел которых около 0,33 мкм. Однако все-таки в DVD лучше использовать источники излучения с длиной волны, близкой к 0,4 мкм. Сейчас запись оригиналов для изготовления тиражных матриц бытового DVD осуществляют ультрафиолетовым газовым лазером, работающим на длине волны 0,4 мкм.

Перспективы оптической дисковой записи во многом связаны с достижением максимальной информационной плотности записи на единицу площади. Здесь в ход идут различные хитрости. Одна из очевидных — двусторонняя запись. В сущности, это два диска, склеенные титульными сторонами. Недостаток такого решения — две оптические головки на один диск или, что хуже, система переворачивания диска, а преимущество — удвоение емкости (9,4 Гбайт). Другое, более приемлемое решение — два рабочих слоя на одной стороне диска. Сепарация записей осуществляется за счет фокусировки: при настройке на один слой другой окажется расфокусирован и не будет оказывать влияние на считываемую информацию. Данное решение можно рассматривать как первый практический шаг в реализации давней идеи о многослойной записи. Обсуждается и возможность склеивания двух двухслойных дисков, двустороннее считывание такого четырехслойного диска даст до 19 Гбайт видеоинформации.

Запись и фазовые переходы

Оптические диски с однократной записью довольно долго были единственными представителями оптических накопителей. По современной классификации они относятся к системам WORM (Write Once Read Many — однократная запись, многократное чтение). Соответствующие компакт-диски маркируются как CD-R. Как упоминалось выше, для однократной записи применяется простой, но необратимый процесс теплового разрушения рабочего слоя при нагреве лазерным лучом, остро сфокусированным в пятно диаметром 0,8 мкм. Материалом рабочего слоя сначала служила металлическая пленка толщиной 0,1 мкм, но очень скоро ее заменили металл-органические красители. Первоначально запись можно было производить только в заводских условиях, но усовершенствование лазеров и дисковых приводов для компьютеров и бытовых проигрывателей сделали этот процесс доступным для массовых пользователей. Сейчас дисководы, способные обеспечить работу в режиме записи, стали неотъемлемой частью современных персональных компьютеров, широкое применение они нашли и в системах архивирования видеоматериалов.

Однако для серьезного профессионального уровня требовалась реверсивная оптическая запись с многократным повторением циклов запись/воспроизведение. Из большого числа предлагаемых решений, порой весьма остроумных и необычных, на практике было реализовано только два, основанных на применении фазовых переходов в рамках твердотельного агрегатного состояния.

Основные агрегатные состояния веществ сводятся к неконденсированным (пар и плазма) и конденсированным (жидкости и твердые тела) средам. В конденсированных средах возможны самые разные фазовые состояния. В частности, жидкие кристаллы являются особой фазой некоторых жидкостей с анизотропными по форме молекулами. Внимательные читатели, вероятно, заметили, что в приведенном перечне агрегатных состояний не упомянуты стеклообразные и аморфные среды. Это упущение сделано вполне сознательно. Стекла, по сути, ничто иное, как «замерзшие» жидкости, точнее, остановленные на полпути фазовые переходы от жидкости к твердому телу. Многие вещества при достаточно быстром охлаждении переходят из жидкой фазы в условно твердую, сохраняя присущее жидкостям хаотическое расположение молекул или, по определению физиков, — ближний порядок. Известно достаточно много веществ, допускающих при соответствующих режимах охлаждения стеклообразное состояние. К таким веществам относится, например, обсидиан — вулканическое стекло («не состоявшийся» из-за слишком быстрого охлаждения гранит).

Стекла, в сущности, частный случай аморфного состояния (в переводе с греческого amorphous означает бесформенный). Аморфизм характерен для жидкостей с высокой вязкостью. С понижением температуры вязкость быстро увеличивается. В процессе охлаждения вязкие жидкости густеют и по ряду параметров приближаются к твердым телам. Физика определяет аморфные вещества как охлажденные почти до твердости вязкие жидкости. Истинно твердые среды характеризуются дальним порядком взаимодействия и размещения молекул или атомов. Иными словами, это — кристаллические среды.

Фазовые переходы между различными состояниями вещества всегда сопровождаются изменением физических параметров среды. В контексте этой статьи принципиально важным является изменение диэлектрических и/или магнитных характеристик. Для оптической записи весьма перспективным является переход кристалл — стекло. Нормальным состоянием твердых тел и основным в окружающей нас природе является кристаллическое. В этом отношении стекла — редкость, так как стеклообразное состояние реализуется только при затвердевании переохлажденного расплава. От других аморфных состояний стекла отличаются тем, что процессы перехода расплав — стекло и стекло — расплав обратимы. Эта их особенность чрезвычайно важна для создания реверсивных носителей оптической записи, т. е. обеспечивающих многократную перезапись.

Еще более интересны в этом отношении металлические стекла (метглассы). Основным условием образования стекловидных состояний, в том числе металлов, является охлаждение, настолько быстрое, что атомы не успевают занять отведенные им места в кристаллических ячейках и «замирают» как попало, когда тепловая релаксация атомов сопоставима или становится меньше межатомных расстояний. При толщине рабочего слоя оптического диска в 0,1 мкм создать условия для сверхбыстрого охлаждения не трудно. Сложнее другое — обеспечить достаточно медленное охлаждение в тех случаях, когда из расплава следует получить не стеклообразную, а кристаллическую фазу.

Полный цикл запись — многократное воспроизведение — стирание — новая запись выглядит следующим образом. Подогревая точечным лазером, рабочий слой оптического диска, находящийся в кристаллическом состоянии, переводят в расплав. За счет быстрой диффузии тепла в подложку расплав быстро охлаждается и переходит в фазу стекла. Кристаллическому и стеклообразному состояниям присущи разные диэлектрическая проницаемость, коэффициент отражения, а следовательно, и интенсивность отраженного света, которая и несет информацию о записи на диске. Считывание производится при пониженной интенсивности излучения лазера, не влияющей на фазовые переходы. Для новой записи необходимо вернуть рабочий слой в исходное кристаллическое состояние. Для этого, например, можно перегреть рабочий слой так, чтобы достаточно «горячей» оказалась и основа. Перегрев замедлит процесс диффузии тепла и создаст условия для возврата в кристаллическую фазу.

Известно достаточно много кристаллических сред, которые могут существовать в двух и более кристаллических фазах. При относительно низких температурах в таких средах реализуется рыхлая кристаллическая решетка с пониженной группой симметрии. Выше определенной температуры (точки фазового перехода) энергетически более выгодной становится упорядоченная кристаллическая решетка с высокой степенью симметрии. При постепенном понижении температуры это кристаллическое состояние остается устойчивым и сохраняется при температурах ниже точки фазового перехода. Физические характеристики рассмотренных двух кристаллических состояний различны, разными будут и коэффициенты отражения.

Фазовый переход кристалл — кристалл в принципе можно использовать в системах оптической записи видео. Основной критерий при отборе материалов для реверсивной оптической записи — достаточно низкая температура точки фазового перехода и относительно малая теплоемкость перехода. Данные параметры среды определяют требования к мощности лазера. Однако для сохранения записей при работе в жаркие летние дни температура перехода не должна быть ниже 90…100°С. В режиме считывания под локальным воздействием лазера температура рабочего слоя диска может достигать 20…30°С, а при температурах воздуха выше 40°С — приближаться к температуре фазового перехода.

Многократная перезапись в принципе может приводить к механической усталости рабочего слоя и, как следствие, к его разрушению. Поэтому при выборе веществ важным фактором становится отсутствие эффекта накопления усталости.

Современные компакт-диски с возможностью многократной перезаписи на основе рассмотренных выше фазовых переходов маркируют CD-RW, или CD-ReWritable (Reversible Writable — реверсивная, или обратимая, запись). Перезаписываемые диски относят к системе WMRM (Write Many, Read Many — многократная запись, многократное чтение).

Магнитооптическая запись

В основе весьма перспективного направления реверсивной оптической записи лежит фазовый переход ферромагнетик — парамагнетик. Ферромагнетизм физика определяет как магнитоупорядоченное состояние вещества, при котором все носители магнетизма ориентированы преимущественно одинаково. Такое состояние упорядоченности возможно только ниже некоторой температуры Тк — точки Кюри. При температуре Тк и выше ферромагнетик переходит в парамагнитную фазу. Этот фазовый переход обусловлен тем, что ниже точки Кюри ферромагнетики имеют некую спонтанную намагниченность и определенную магнито-кристаллическую структуру. При нагреве тепловое движение атомов усиливается, расшатывая магнитную упорядоченность среды. В результате в точке Кюри самопроизвольная магнитная упорядоченность, характерная для ферромагнетиков, исчезает. Утрачивается и магнитная память, т. е. способность замораживать и сохранять намагничивание, вызванное внешним магнитным полем после его исчезновения. При температурах, близких к точке Кюри, но ниже ее намагниченность насыщения ферромагнитного материала падает с ростом температуры, а магнитная восприимчивость возрастает до огромных значений обратнопропорционально разности между температурой Кюри и действующей температурой. Такая зависимость называется законом Кюри-Вейса. В данной температурной зоне даже очень слабые магнитные поля способны наводить остаточную намагниченность, которая быстро нарастет в процессе остывания среды. Этот эффект, который называется термомагнитным, неоднократно пытались использовать для магнитной видеозаписи. Практически все эксперименты проводили с магнитными лентами, рабочим слоем которых служила пленка диоксида хрома — и это не случайно. Среди известных в настоящее время претендентов на роль магнитных материалов для магнитофонных лент диоксид хрома имеет самую низкую точку Кюри — 121°С. В результате были разработаны, например, магнитофоны, в которых вместо магнитной головки использовали нечто подобное соленоиду, формирующему достаточно протяженное магнитное поле, а точечная запись обеспечивалась подогревом остро сфокусированным лучом лазера. Другое направление — термомагнитное копирование и тиражирование магнитных лент. В этом случае оригиналом служит лента с рабочим слоем на основе гамма-оксида железа (Тк этого вещества в несколько раз выше 121°С, запись исходного сигнала — зеркальная). Находящиеся в контакте оригинал и будущая копия проходят зону подогрева до температуры выше 121°С, а в процессе остывания в зоне точки Кюри магнитные поля оригинала фиксируются в рабочем слое копира.

Рис. 3. Схема магнитооптической записи

Лазер в магнитооптических видеодисках в режиме записи выполняет одну функцию — локальный разогрев среды до температуры, немного превышающей точку Кюри. Информационное содержание записываемой сигналограммы определяет внешнее магнитное поле, достаточно слабое и протяженное, т. е. не сфокусированное в точке разогрева магнитооптического рабочего слоя (рис. 3). Силовыелинии магнитного поля ориентированы ортогонально поверхности диска. В принципе можно использовать и широтный эффект, когда магнитное поле ориентировано вдоль поверхности диска.

Температура в точке, нагретой лазерным излучением, быстро снижается и опускается ниже точки Кюри, ферромагнитная фаза восстанавливается. За счет гигантской магнитной восприимчивости вблизи точки Кюри в магнитном рабочем слое слабое и достаточно протяженное внешнее поле наводит остаточную намагниченность, ориентированную вдоль его силовых линий. Она сохраняется при дальнейшем остывании до комнатной температуры. В тех случаях, когда внешнее поле находится в нулевой фазе, остаточная намагниченность ферромагнитной среды будет спонтанной, т. е. хаотической со средним нулевым значением.

Возможен и режим записи на предварительно намагниченный диск. В этом режиме магнитное поле при записи отсутствует. Сигналограмма записи формируется за счет модуляции света по току питания лазерного диода. Лазерный нагрев переводит предварительно намагниченный рабочий слой в парамагнитную фазу. В процессе остывания ферромагнитная фаза восстанавливается, спонтанная намагниченность при этом сохраняется. На тех участках рабочего слоя, которые не подвергались лазерному разогреву, предварительная намагниченность сохраняется. В принципе, в магнитооптических устройствах можно использовать любой из названных режимов записи — с внешним магнитным полем или предварительного намагничивания.

Рис. 4. Оптические схемы считывания: а — для эффекта Фарадея;  б — для эффекта Керра

Считывание сигналограммы обеспечивается магнитооптическими эффектами Керра или/и Фарадея. Оба эффекта сводятся к повороту вектора поляризации считывающего луча, прошедшего или отраженного от рабочего слоя. Оптические схемы считывания информации для эффектов Фарадея и Керра представлены на рис. 4. Основными элементами схемы считывания на основе эффекта Фарадея (см. рис.4а) являются: входной поляризатор Р_вх, задающий направление линейной поляризации излучения лазера; фарадеевский элемент F; выходной поляризатор Р_вых; магнитное поле Н. В нашем случае фарадеевский элемент — это считываемый пит, имеющий остаточную намагниченность. Луч на выходе из фарадеевского элемента оказывается повернутым на некоторый угол φ = C·H·l, где С — некая постоянная, Н — напряженность поля остаточной намагниченности, l — длина пути света в элементе. Выходной поляризатор Р_вых, скрещенный с входным, преобразует угол поворота вектора поляризации в изменение интенсивности света, которое пропорционально sin 2·φ (φ — угол поворота). В отсутствие остаточной намагниченности, т. е. при Н = 0, свет через систему не проходит. Это очень важная особенность системы скрещенных (ортогональных) поляризаторов.

Недостатком фарадеевской схемы является то, что она может работать только на просвет. Иными словами, за фарадеевским элементом нельзя поставить зеркало и второй раз пропустить луч через элемент — эффект не удвоится, а станет нулевым. Дело в том, что при смене направления на обратное, изменяется и знак угла поворота вектора поляризации. Поэтому применение фарадеевской схемы считывание ограничивается специальными приложениями.

Схема считывания на основе эффекта Керра поясняется на рис. 4б. Назначение входного и выходного скрещенных поляризаторов то же, что и на рис. 4а. Магнитное поле Н может быть ориентировано и вдоль нормали N к отражающей поверхности, и вдоль отражающей поверхности. При отражении (за счет взаимодействия света и магнитного поля в тонком поверхностном слое материала) вектор поляризации поворачивается на угол φ. В остальном все происходит, как в схеме считывания на основе эффекта Фарадея. Рабочими материалами для магнитооптических дисков являются сложные по составу сплавы редкоземельных и переходных металлов. Основное требование — низкая температура Кюри, около 100°С.

Оптическая головка

Оптическая головка — важный элемент привода видеодисков. Она должна обеспечивать все предусмотренные функции считывания и записи. Размеры, а главное масса головки должны быть по возможности минимальными. В интервале кадрового синхронизирующего импульса оптическая головка должна с запасом успевать пересекать зону записи от края до края. Упрощенная схема оптической головки представлена на рис. 5.

Рис. 5. Схема оптической головки

Функциональное назначение отдельных элементов оптической головки понятно. Заметим лишь, что все элементы схемы, включая и корпус, должны быть максимально облегченными и изготавливаться из легких материалов. Это требование относится и к линзам. Обязательными элементами оптической головки являются поляризаторы, образующие скрещенную систему, которая отсекает постоянную составляющую светового потока от фотоприемника. Иначе вместе с относительно слабой переменной (информационной) составляющей на вход фотоприемника попадет намного более мощная постоянная составляющая, что плохо во всех отношениях. Поляризаторы не являются отдельными элементами оптической схемы, а в виде поляризующих пленок наклеиваются на грани делительной призмы. Одна — со стороны лазера (входной поляризатор), другая — со стороны фотоприемника (выходной).

Современные приводы оптических дисков должны быть универсальны — одинаково легко воспроизводить магнитооптические диски и диски с фазовыми переходами иного рода. Оптическая головка обязательно должна содержать поляризующие элементы, что ограничивает выбор фазовых переходов только двумя: ферромагнетик — парамагнетик и кристалл — стекло. В кристаллической фазе среда является анизотропной и эффективно воздействует на поляризацию света. В фазе стекла среда становится изотропной и не влияет на состояние поляризации. В скрещенных поляризаторах фотоприемник хорошо «видит» участки записи в кристаллической фазе, а участки в фазе стекла воспринимает как темные. Мощная постоянная составляющая света в обоих случаях полностью отсекается.

Заключение

Для хорошей оптики необходимы высокие технологии производства. Это правило распространяется и на оптические дисковые системы воспроизведения, записи и накопления. Производством CD- и DVD-дисков занимается множество фирм. Причем стоимость этой продукции колеблется в достаточно широких приделах. Но, как правило, то, что дешево, имеет и соответствующее качество. И только немногие известные компании, используя лучшие технологии, тщательно отрабатывают конструкцию дисков слой за слоем и ответственно относятся к выбору материалов. Продукция этих фирм стоит дороже, но она расходится быстрее дешевых аналогов. Качество и надежность оправдывают затраты, что хорошо известно профессионалам.

Оптические дисковые накопители относительно новое направление, потенциальные ресурсы которого огромны. Только переход на полупроводниковые лазеры ультрафиолетового диапазона сулит четырехкратное повышение плотности записи. Так что перспективы у оптических накопителей видеоданных большие.