P R A K T I K U M K O M M U N I K A T I O N S T E C H N I K. Versuch 8. Optische Datenträger

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1 P R A K T I K U M K O M M U N I K A T I O N S T E C H N I K WS 2013/14 Versuch 8 Optische Datenträger Betreuer: Rainer Bornemann

2 Versuchsbeschreibung Versuch 8: Optische Datenträger Version: 0.9 vom Verfasser: Rainer Bornemann Hinweise auf inhaltliche und formale Fehler, Unschlüssigkeiten, Unverständlichkeiten und Inkonsistenzen sowie jegliche Kritik und Vorschläge, die einer Verbesserung dieser Versuchsbeschreibung förderlich sein können, werden vom Verfasser und den weiteren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Fachgruppe jederzeit gerne entgegen genommen.

3 Inhaltsverzeichnis 1 Literatur 1 2 Vorkenntnisse 2 3 Einleitung 2 4 Geschichte und Hintergründe Exkus konfokales Laserscanning-Mikroskop Versuchsdurchführung 4 6 Verständnisfragen 5 7 Hausaufgabe 5 8 Feedback 6 1 Literatur [1] [2] [3] Jörg Asshoff, Optische Datenspeicher Der CD-Player, asshoff/physik/cd/cdplayer.htm. [4] [5] [6] Spezifikation für DVD: [7] [8] 1

4 2 Vorkenntnisse Als Vorkenntnisse die Kapitel ONT II Laser und Detektoren und Grundlagen der Optik (Brennweite und Strahlengang in einem einfachen Linsensystem). 3 Einleitung Optische Datenträger sind heutzutage nahezu allgegenwärtig. In diesem Praktikumsversuch sollen ein paar Grundlagen der verwendeten Techniken vermittelt werden und auf die einzelnen Unterschiede der Speichermedien eingegangen werden. 4 Geschichte und Hintergründe Die Erfindung der Laserdisc (LD) liegt schon über 35 Jahre zurück und vor ca. 30 Jahren erstmals in den Markt eingeführt worden. [1] Seitdem ist die Speicherkapazität drastisch angestiegen. Über die CD-ROM, die DVD- Varianten bis hin zur BD. [2] In [3] ist der Aufbau und die Funktionsweise eines CD-ROM-Laufwerkes beschrieben. Die Spezifikationen für die diversen DVD-Medien werden von dem DVD-Forum [4] und der DVD+RW Alliance [5] festgelegt und sind den ECMA-Standard-Dokumenten [6] beschrieben. Die derzeit noch konkurrierenden Nachfolgeformate BluRay-Disc und HD-DVD werden von der Blu-ray Disc Association [7] bzw. dem DVD-Forum [4] herausgebracht. Die einzelnen Formate haben nicht nur unterschiedliche Speicherdichten, sondern lassen sich noch weiter in Unterformate je nach Anwendungszweck differenzieren. Es gibt reine ReadOnlyMemory-Datenträger, WriteOnceReadMany-Datenspeicher und wirkliche ReadWrite-Systeme. In Abbildung 1 ist eine mikroskopische Aufnahme einer solchen Datenspur exemplarisch dargestellt. Im Folgenden sollen nun mit Hilfe eines konfokalen Forschungsmikroskops die Datenstrukturen von unterschiedlichen Datenspeichermedien untersucht werden und versucht werden einzelne Bits zu schreiben. 2

5 Abbildung 1: Bild der Datenstruktur einer CD-ROM. 4.1 Exkus konfokales Laserscanning-Mikroskop Ein Konfokalmikroskop ist eine Variante des Lichtmikroskopes, hauptsächlich des Fluoreszenzmikroskops, mit dem virtuelle optische Schnitte durch ein Objekt erzeugt werden können. Diese Schnittbilder können anschließend durch geeignete Software zu einer räumlichen Darstellung zusammengesetzt werden. [8] In Abbildung 2 ist das Prinzip eines solchen Mikroskops dargestellt. Im diesem Praktikumsversuch steht ein Mikroskop mit 2 Laserwellenlängen zur Verfügung, mit denen die Probe jeweils simultan abgerastert werden kann. Es lässt sich so ein dreidimensionales Bild der Oberflächenstruktur bzw. der ortsabhängigen Reflexionseigenschaften der Datenträgerschicht gewinnen. Die Größe der kleinsten Speicherstellen auf dem Datenträger ist von der Größe des Laserspot-Durchmessers abhängig. 3

6 Abbildung 2: Prinzipieller Aufbau eines konfokalen Mikroskops [8]. Es gilt: d = 1, 22 λ NA (1) mit d Durchmesser des Laserspots in der Datenträgerschicht, λ Wellenlänge des verwendeten Lichtes und NA Numerische Apertur der verwendeten Linse. Anhand dieser Gleichung erkennt man, welche Größen in welcher Weise modifiziert werden müssen, um die Speicherdichte zu erhöhen. Das Ziel ist eine Verkleinerung der Wellenlänge und eine größere NA. 5 Versuchsdurchführung Es wird versucht, ein Bild der Datenstruktur von diversen Datenträgern mit Hilfe des Forschungsmikroskop aufzunehmen. Aus diesen Bildern soll die maximale Speicherdichte bestimmt werden und die Brutto-Datenkapazität bestimmt werden. Es steht noch eine dritte Laserquelle zur Verfügung, mit der versucht werden soll, einzelne Datenbits (oder ähnliche Strukturen) auf eine leere Datenträgerschicht zu schreiben. In einem zweiten Teil soll ein CD-ROM-Laufwerk zerlegt werden und der Lesekopf analysiert werden. Insbesondere soll die Empfangslogik betrachtet werden. 4

7 6 Verständnisfragen Welche Laserwellenlängen werden benutzt und warum diese? Wie ist der geometrische Aufbau der diversen Datenträger? Wo liegen die Unterschiede in den Formaten CD, DVD, HD-DVD und BD? Welche sonstigen optischen Datenspeicher gibt es (kommerziell und/oder in Entwicklung)? Wie funktioniert der Lesekopf in einem optischen Datenlaufwerk. Welche Funktionseinheiten gibt es? 7 Hausaufgabe 1. Wie ist ein einzelnes Bit in der Datenschicht kodiert? 2. Wie orientiert sich der Laser bei unbeschriebenen neuen Datenträgern? 3. Wie hoch ist die Brutto-Datendichte der diversen Datenträger? Schätzen Sie dies aus den enthaltenen Bildern ab. 4. Beschreiben Sie die beobachteten Effekte bei der tiefenabhängigen Reflexionsmessungen. Wie lassen die sich qualitativ beschreiben? Geben Sie dafür eine Erklärung. Viel Erfolg! 5

8 8 Feedback Helfen Sie uns, die Versuche des Praktikums Kommunikationstechnik weiter zu verbessern. Bitte bewerten Sie die folgenden Merkmale mit Noten von 1 (hervorragend) bis 6 (schlecht). Versuch Optische Datenträger Kriterium Note Anmerkung/Begründung/Vorschlag Verständlichkeit der Theorie Zeitbedarf für die Vorbereitung min Zustand der Geräte Beschreibung der Geräte/Proben Beschreibung der Durchführung Plausibilität der Ergebnisse Umfang des Versuchs (Praktische) Relevanz des Versuchs Betreuung Versuchszeit min Zeitbedarf für die Nachbereitung min Weitere Anmerkungen 6

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