Устройства накопителей информации на оптических накопителях

По своему устройству диск CD-R (заготовка для записи), также  как и его «штампованный» собрат, напоминает слоёный пирог (рис. 4) и отличается только наличием активного (регистрирующего) слоя. Для записи информации служит активный слой. Однако качественные характеристики CD-R определяются всеми слоями. Поэтому давайте просто рассмотрим CD-R последовательно, слой за слоем.

Главной «деталью» CD-R диска  является основа. От качества изготовления. основы зависит почти половина качества всего диска. Правда, к характеристикам материала, из которого выполнена основа, особых требований не предъявляется, применяется тот же поликарбонат, который используется и при изготовлении CD-ROM. Но вот рельеф основы намного сложнее, чем у записанного диска (CD-ROM).

Трудности начинаются с того, что «чистая», незаписанная заготовка не содержит никакой информации и, соответственно, на ее поверхности не должно быть никаких питов. Но ведь питы – это не только хранимая информация, но и источник данных для работы следящей системы. Как же на незаписанной заготовке удержать записывающую головку на воображаемой спирали с достаточной точностью? Для этого основа CD-R диска при изготовлении получает разметку – сплошную спиральную канавку (Pregroove).

Трёхмерное изображение поверхности  основы CD-R, построенное по результатам измерений, также выполненных в лаборатории атомно-силовой микроскопии Института физики полупроводников Национальной академии наук Украины, приведено на рис. 5.

Точные значения ширины, глубины  и даже угла наклона боковых стенок – это и есть самое большое  ноу-хау фирмы, выпускающий CD-R.

Эта направляющая канавка  заполняется органическим красителем. Благодаря красителю луч лазера несколько ослабляется, поэтому от самой канавки в фотоприёмники попадает меньше света, чем от остальных участков диска. Этого достаточно для надёжной работы следящей системы устройства записи. Конечно, краситель не может быть очень тёмным. Ведь его наличие не должно в дальнейшем мешать считывающим устройствам, которые могут и не предполагать наличие спиральной разметки. Но следящая система записывающего устройства специально разработана для отслеживания положения относительно слабоконтрастной дорожки.

В CD-ROM питы не только содержат полезную информацию и позволяют следить за информационной дорожкой, но и служат для синхронизации частоты своего тактового генератора с частотой следования битов считываемого последовательного кода. Отсутствие питов у незаписанного CD-R заставляет применять весьма хитроумные технические решения для синхронизации частоты тактового генератора (в данном случае со скоростью вращения диска). В частности, в CD-R канавка выполнена не в виде ровненькой спирали, как её представлял себе Архимед, а с микроскопическими отклонениями – вобуляцией (рис. 6).

Частота колебаний канавки  относительно спиральной траектории составляет 22,05 кГц (для скорости вращения диска 1х). Соответственно, один период этих колебаний занимает 60 мкм спиральной траектории. Амплитуда колебаний всего 0,03 мкм, значительно меньше ширины самой канавки, но этого достаточно, чтобы выделить колебания с частотой 22,05 кГц и синхронизировать этими колебаниями частоту своего тактового генератора.

К сожалению, на этом трудности  с определением местоположения записывающей головки не заканчиваются. Как известно, информация на CD-ROM записана отдельными порциями – кадрами (секторами, блоками). В заголовке каждого кадра содержится служебная информация, в том числе и о номере текущего кадра. Номер кадра представляется двоично – десятичным кодом в формате (минута):(секунда):(номер кадра в пределах данной секунды). Каждая секунда содержит 75 кадров. Пока на CD-R не записано ни одного кадра, информации о номере кадра не может быть. Но она ведь нужна!

На самом деле эта информация есть и на девственно чистом CD-R. Запрятана она также в форме канавки. Это так называемое действительное время по разметке (ATIP – Actual Time In Pregroove). Вся спиральная разметка разбивается на фреймы, каждый из которых по длительности соответствует одному кадру информации. Информация о номере фрейма (будущего кадра) представлена на разметке путем сдвига частоты вобуляции на 1 кГц от значения 22,05 кГц, т.е. реально частота вобуляции принимает значения 21,05 кГц или 23,05 кГц. То или иное текущее значение частоты вобуляции играет ту же роль, что и питы и ленды на поверхности CD-ROM. Номер фрейма – это 42 последовательных временных интервала, закодированных рассмотренным выше кодом EFM. Серия из 42 временных интервалов декодируется в 3 байта, из них один байт (две десятичные цифры) – это минута, один байт (две десятичные цифры) – секунда и один байт (также две десятичные цифры) – номер фрейма в текущей секунде.

Спиральная канавка у CD-R начинается несколько ближе к центру диска, чем у обычного CD-ROM начинается последовательность питов. На этом начальном участке, недоступном, как правило, для считывающих приводов CD-ROM, расположены две служебные области: для калибровки мощности лазера перед записью PCA (Power Calibration Area) и для временного хранения таблицы содержания диска PMA (Program Memory Area). PCA используется для выбора оптимальной мощности лазера перед каждой записью, а PMA – для временного хранения таблицы содержимого диска в процессе записи.

PCA и PMA являются таблицами  фиксированной длины ёмкостью  по 99 элементов каждая, что и ограничивает  возможное количество сессий.

На этом участке существует также специальная таблица, в  которой содержатся некоторые сведения, характеризующие данный CD-R. Таблица содержит специальную информацию, которая присутствует всегда, и дополнительную информацию, которая может быть на диске, а может и не быть. Специальная информация – это, например, сведения об производителе матрицы, с которой изготовлена основа данного CD-R, сведения о применяемом красителе и оптимальной мощности лазера, код применения (например, для бытовых аудиорекордеров). Дополнительная информация – это, например, максимальная и минимальная скорость записи. Таблица выполнена путем формирования самых настоящих «питов» и «лендов», как в CD-ROM, т.е. не может быть изменена никаким способом. Но она может быть прочитана. Для этого существуют различные программы, например, cdr_identifier_152.exe (одна из самых удачных и широко распространённых).

К сожалению, такие программы  довольно часто бесполезны, особенно для новых CD-R. Дело в том, что точное содержание таблицы и коды производителей матрицы определяются Orange Forum – организацией, занимающейся стандартизацией в области CD-R. Раньше вся эта информация была общедоступной. Сейчас ссылка на эту информацию на сайте Orange Forum выглядит очень даже обидно:

Disc Identification Method (Orange Forum Members Only).

Активный слой

 Активный слой – на самом деле это и есть тот краситель, которым заполняется направляющая канавка. Так он и задумывался. Но, несмотря на то, что сейчас мы рассматриваем этот слой только как заполнение красителем специальной канавки, это все же слой. Почему это так, нам станет предельно понятно после того, как мы разберемся с технологическими особенностями изготовления CD-R. Сейчас же давайте только посмотрим, каким же образом осуществляется запись информации на CD-R, или, другими словами, как канавка превращается в питы.

Прожиг информации

В процессе записи на отдельных  участках мощность лазера увеличивается от 0,7 мВт (мощность при считывании) до величины порядка 8 мВт (для первой скорости). Энергия лазерного луча поглощается органическим красителем и преобразуется в тепло. Иногда этот процесс называется «прожигание». Термин «прожигание» не совсем точен и в некотором смысле даже вреден. Создается впечатление, что в отражающем слое или где-то ещё создаются «дырки». На самом деле под действием выделяющегося тепла происходят различные изменения (рис. 7).

В результате нагрева краситель  обугливается и в нём появляются микроскопические газовые пузырьки. В процессе выделения газов увеличивается объём красителя и деформируется отражающий слой. Краситель нагревается до температуры, превышающей температуру плавления поликарбоната, вследствие чего и сама основа в данной точке плавится и деформируется.

Для разных дисков и разных режимов записи могут преобладать  те или иные эффекты. Это не столь важно, в любом случае прозрачность такого участка с точки зрения лазера

значительно ухудшается, что эквивалентно «питу» в обычном CD-ROM. Возникает  только путаница, как это всё назвать. Ведь под термином «ленд» понимается вся поверхность диска, не занятая питами. Собственно, слово-то land и переводится с английского как «поверхность». И в дисках CD-R есть самый настоящий ленд: это участки поверхности между витками направляющей канавки. Поэтому канавка у незаписанного диска CD-R называется просто канавка (groоve), а после записи вся канавка считается разбитой на ряд питов. Только одни питы обозначают питы (pit marks pits), а другие питы обозначают ленды (land marks pits).

После того, как диск записан, надобность в канавке с ATIP отпадает. Обычные приводы CD-ROM даже не догадываются о её существовании, а просто анализируют тёмные и светлые участки диска. При этом, когда привод читает записанный диск, то следить за дорожкой ему даже легче. Даже на участках, соответствующих ленду на «алюминиевом» диске, т.е. светлых участках, сама дорожка немного темнее остальной поверхности. Но вот считывать записанную информацию труднее, чем с CD-ROM. Это и меньший коэффициент отражения из-за наличия дополнительного слоя, это и качество формирования питов лазерным лучом. Качество формирования питов зависит, конечно, в первую очередь от свойств красителя, поэтому рассмотрим этот вопрос подробнее.

В действительности взаимодействие луча лазера с активным слоем намного  сложнее. Но более строго мы сможем рассмотреть влияние параметров активного слоя на качественные характеристики CD-R только после краткого анализа особенностей технологического процесса изготовления CD-R, что и будет сделано в продолжении данной статьи. Сейчас же мы можем обсудить характеристики красителей только как вещества, которое заполняет направляющую канавку и «прожигается» в процессе записи.

Подробности о красителях

В настоящее время на рынке представлены первоклассные модели CD-R дисков с различным активным слоем. Конечно, каждый тип активного слоя обладает своими специфическими характеристиками. И производители CD-R на этом основании проводят мощные рекламные акции для доказательства того, что применяемый данной компанией активный слой самый активный в мире. Taiyo Yuden гордится тем, что она первая применила активный слой на основе цианина, и именно он лег в основу стандарта под названием «Оранжевая книга», в котором описывается, каким должен быть CD-R. Ей вторит TDK, которая говорит что только цианин хорош для Audio CD (подразумевается, наверное, не просто цианин, а именно цианин от TDK). Концерн Mitsubishi Chemical разработал краситель Metal Azo и почти убедил нас в том, что только диски Verbatim, использующие краситель Metal Azo, пригодны для записи. А в это время Mitsui Advanced Media, Inc. запатентовала по крайней мере два типа красителей на основе фталоцианина и утверждает, что её диски – это «диски третьего тысячелетия». Где же правда? Если оставить в стороне рекламную шумиху вокруг данного вопроса, то окажется, что существует только две разновидности красителей: на основе цианина и на основе фталоцианина.

Цианин – это краситель, который исторически первым начал  применяться в CD-R. Своё название он получил из-за цвета (cyan – голубой). Никакого отношения к ядовитым цианидам он не имеет, так что не пытайтесь скормить испорченный CD-R любимой тёще. В чистом виде цианин никогда не применялся в CD-R. Сам по себе этот краситель очень чувствителен к солнечному свету, поэтому всегда требует применения стабилизирующих добавок. Цианин имеет достаточно тёмный цвет. Поэтому направляющая дорожка оказывается очень контрастной, и любое записывающее устройство изначально с успехом справлялось с задачей отслеживания этой дорожки. Но из-за тёмного цвета коэффициент отражения света даже на тех участках, которые должны быть светлыми, получается не очень высок. Это являлось основной причиной того, что «золотые диски» плохо читались в обычном приводе CD-ROM. Конечно, за время существования CD-ROM и записывающие устройства, и читающие приводы, и сам краситель стали уже не те, что были 20 лет назад. В современных заготовках на основе цианина какие-либо проблемы, связанные с цветом красителя, практически исключены. Единственной действительной проблемой является чувствительность цианина к ультрафиолетовым лучам. Диск, эксплуатируемый в солнечных помещениях, может довольно быстро растерять все записанные на него битики.

Кроме того, цианин идеально работает при записи на первой скорости, но при увеличении скорости записи качество записи, как правило, оставляет желать лучшего. Поэтому исследования, направленные на улучшение эксплуатационных характеристик цианина, продолжаются и сейчас. Наиболее значительная разработка в этом плане – это краситель Metal Azo.

Краситель Metal Azo разработан концерном Mitsubishi Chemical и применяется только в дисках с торговой маркой Verbatim. Это тоже цианин, но с уникальными патентованными стабилизирующими добавками. Диски Verbatim имеют очень приятный насыщенный синий цвет. Приятно брать в руки, и ни с какими другими не спутаешь. Но главное достоинство этих дисков, конечно, не в красоте. Благодаря добавкам удалось значительно повысить стойкость красителя к ультрафиолетовым лучам и теплу. Кроме того, значительно расширился диапазон скоростей записи. Именно поэтому диски Verbatim пользуются заслуженным уважением.

Фталоцианин разработан одним из самых известных производителей CD-R – фирмой Mitsui. Одной из целей  разработки было именно понижение чувствительности к ультрафиолетовым лучам. Фталоцианин  сам по себе намного стабильнее, чем цианин, и поэтому не требует никаких дополнительных стабилизирующих добавок. Преобладающим эффектом при записи диска с активным слоем на основе фталоцианина является выделение газов с образованием пузырьков и сопутствующей деформацией отражающего слоя. Поэтому фталоцианин требует меньшей мощности лазера при записи (рис. 8).

                        Рис. 8 Требуемая мощность лазера при записи (по данным Mitsui Toatsu)

Фталоцианин, в противоположность  цианину, очень хорошо работает на повышенных скоростях записи и плохо – на первой скорости.

Фталоцианин имеет золотистый цвет и значительно светлее цианина. Более того, даже после записи диск остается почти прозрачным. На этом основании многие испытывают предубежденность к нескромно-светлым дискам. Но реальных причин для беспокойства всё же нет. Это мы видим, какого цвета краситель у CD-R. Лазер же по своей природе дальтоник. Он «не понимает» цвет. Для него существуют только яркие участки и тёмные. Более того, лазерная головка определяет яркость только в инфракрасной области света, которую мы не видим. Поэтому мы с лазером никогда и не поймём друг друга. Остаётся полагаться только на обещания разработчиков красителя, что с точки зрения лазера краситель достаточно тёмный. Что же касается того факта, что диск остается светлым после записи, то и здесь ничего удивительного нет. Поскольку основным эффектом при записи для фталоцианина является образование газовых пузырьков и практически отсутствует потемнение, то сформированные питы в основном просто рассеивают свет. Мы-то видим и рассеянный свет, но лазеру, чтобы что-то увидеть, нужно очень точно этот свет сфокусировать. Поэтому лазеру записанные на фталоцианине питы всё равно кажутся абсолютно чёрными.