Optische Speichermedien. Alexander Niemer

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1 Optische Speichermedien Alexander Niemer

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Geschichtliches Einleitung Geschichte der optischen Speicher CD, DVD, HD-DVD und Blue-Ray-Disc Grundlagen Erstellung des Datenträgers MO Speicher Magneto Optische Speicher Grundlagen Vor- und Nachteile des MO Speichers Vergleich der Medienhaltbarkeit und Vergleich mit anderen Speicherarten 20 5 Zukünftige Speicher Protein Coated Disc Holographic Versatile Disc Zusammenfassung 23 7 Quellen 23 2

3 1 Einleitung und Geschichtliches 1.1 Einleitung Was sind optische Speicher? Definition: Optische Speicher sind Speicher, bei denen die Informationen mit Hilfe von Licht gelesen werden. Als optische Speicher kann man so z.b. ansehen: Keilschrift auf Steintafeln Gemälde Bücher Bilder auf der Filmrolle eines Kinofilms Digitale Speichermedien wie CD oder DVD Wenn man die oben genannte Definition zugrunde liegt, so gibt es optische Speicher bereits seit vielen tausend Jahren. Am Anfang gab es Höhlenmalereien, welche von Menschen direkt erstellt und mit Hilfe der Augen auch wieder gelesen werden konnten. Der Buchdruck ermöglichte es dann die gespeicherten Informationen relativ einfach zu vervielfältigen, und so einem größeren Personenkreis zugänglich zu machen. All diese Speichermethoden haben jedoch gemeinsam, dass es sich um analoge Speicher handelt, welche mit Hilfe des menschlichen Auges direkt gelesen werden können. Anders verhält es sich bei den digitalen optischen Speichern, um welche es in diesem Vortrag gehen wird. Diese können nur mit Hilfe von speziellen Lesegeräten ausgelesen werden. Da es sich um digitale Speicher handelt, müssen die Informationen nach dem Auslesen noch mit Hilfe eines Computers in ein für den Menschen lesbares Format umgewandelt werden. 1.2 Geschichte der optischen Speicher Geschichtlicher Überblick 1978 Laserdisk (LD) 1982 Audio CD 1985 CD-ROM 1988 Magneto-optical (MO) Disc 1989 CD-R 1994/95 Multimedia CD, Super Destiny Disc 1996 CD-RW, DVD-ROM, DVD-Video DVD-Audio, DVD-R, DVD-RAM DVD-RW, DVD+RW, DVD+R 2004 Blue-Ray Disc, HD-DVD Die Geschichte der optischen Speicher, im Sinne dieses Vortrags, begann ca mit der Entwicklung der Laserdisk. Diese stellte die Vorstufe der Audio-CD dar und arbeitete in etwa nach dem gleichen Prinzip. Sie diente jedoch nur zum Speichern von analogem Videomaterial und den zugehörigen Audiodaten. Auf der 1985 entwickelten CD-ROM konnten dann hingegen beliebige Daten gespeichert werden. Bei beiden Speichern konnten die Daten jedoch nur einmal im Presswerk geschrieben und danach nicht mehr verändert werden. Dieses Problem wurde dann durch die MO-Disc gelöst. Kurz darauf wurde die beschreibbare CD-R entwickelt. In den Jahren 1994/95 wurden sowohl die Multimedia CD als auch die Super-Destiny-Disc entwickelt, aus welchen dann 1996 die DVD entstand. Im gleichen Jahr wurde mit der CD-RW eine CD auf den Markt gebracht, die mehrfach beschrieben und gelöscht werden kann. In den folgenden Jahren folgten dann auch beschreibbare und wiederbeschreibbare Formen der DVD. Im Jahr 2004 wurde schließlich die Entwicklung von Blue-Ray-Disk und HD-DVD als DVD-Nachfolger abgeschlossen. Im Folgenden werde ich nun auf die heutigen optischen Speicher eingehen, welche eine große kommerzielle Verbreitung erreicht haben. Auf eine genauere Erläuterung der Vorgänger soll verzichtet werden, da sich ihre Funktionsweise nur marginal von der heutiger Produkte unterscheidet. 3

4 Heute verfügbare optische Speicher CD-ROM, CD-R, CD-RW, Audio-CD DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW, DVD-RAM Blue-Ray-Disc, HD-DVD Magneto-optical-Disc Die ersten drei Arten von optischen Speichermedien werden im Folgenden zusammen behandelt, da sie sich grundsätzlich sehr ähnlich sind. Dabei wird bei den beschreibbaren DVD Formaten auf eine Unterscheidung zwischen DVD+R und DVD-R verzichtet, da sich diese physikalisch kaum unterschieden. Der Hauptunterschied zwischen DVD-R und DVD+R besteht darin, dass das DVD-R Format einen speziellen Datenbereich enthält, der nicht beschrieben werden kann und der 1:1 Kopien von kopiergeschütztem Material verhindert. Mit speziellen Laufwerken ist es jedoch möglich auch Rohlinge zu beschreiben, bei denen dieser Bereich noch leer ist. Solche Rohlinge heißen Authoring Rohlinge und benötigen zum Beschreiben des Spezialbereichs eine Wellenlänge von 635nm. 2 CD, DVD, HD-DVD und Blue-Ray-Disc 2.1 Grundlagen Repräsentation der Daten Datenrepräsentation durch Pits und Lands Abbildung 1: Aufnahme einer CD Eine 1 wird durch Übergang zwischen Pit und Land dargestellt Verwendung der Eight-to-fourteen-Modulation zur Sicherstellung der benötigten Datenstruktur Die auf der CD gespeicherten Daten werden durch die Pits (Mulden) und Lands (Erhebungen) repräsentiert. Dabei ist jedoch zu beachten, dass nicht die Pits und Lands selbst, die Zustände 1 bzw. 0 repräsentieren, sondern der Wechsel zwischen Pit und Land stellt eine digitale 1 dar, während alle anderen Zustände als 0 interpretiert werden. Diese Datenrepräsentation hat zur Folge, dass auf der CD nicht zwei Einsen direkt hintereinander gespeichert werden können. Um ein einwandfreies Auslesen zu gewährleisten, müssen zwischen einer Eins mindestens zwei Nullen stehen. Die erforderliche Datenstruktur wird durch die sogenannte EFM-Modulation (Eight-to-fourteen Modulation) gewährleistet, die die zu speichernden 8-Bit-Blöcke auf ausgewählte 14-Bit-Muster abbildet und mit drei Koppelbits kombiniert, so dass die oben genannten Vorraussetzungen für das einwandfreie Auslesen erfüllt sind. 4

5 Auslesen der Daten Abbildung 2: Auslesen einer CD Abbildung 3: Umwandlung der Pits und Lands in ein elektrisches Signal Zum Auslesen der gespeicherten Daten wird das Laserlicht der Diode mit Hilfe einer Linse und des Polarisationsstrahlteilers fokussiert und polarisiert. Die nach dem Strahlteiler angeordnete λ/4-platte dreht dann die Polarisation des Lichts. Danach wird der Laserstrahl durch eine weitere Linse auf die Disk fokussiert und dort reflektiert. Die Intensität des reflektierten Strahls hängt dabei davon ab, ob er von einem Pit oder Land reflektiert wurde. Dabei ist die Tiefe der Pits mit λ/4 genau so gewählt, dass es durch destruktive Interferenz zu einem Intensitätsminimum im reflektierten Strahl kommt. Die λ/4-platte dreht nun die Polarisation des Strahls erneut und verhindert so die Rückkopplung des reflektierten Strahls auf die Laserdiode. Der reflektierte Strahl wird anschließend durch den Strahlteiler auf die Photodiode gelenkt, welche dann ein elektrisches Signal erzeugt (siehe Abbildung 3). Dieses elektrische Signal kann nun weiterverarbeitet werden, so dass letztendlich die gewünschten Daten extrahiert werden können. 5

6 Im nun folgenden Abschnitt geht es darum zu klären, durch welche Faktoren die Speicherdichte der optischen Speicher limitiert wird und wie man eine Erhöhung der Speicherdichte erreichen kann. Begrenzung der Speicherdichte Optisches Auflösungsvermögen: x min 0.61 λ NA, mit NA als numerische Apertur Numerische Apertur: NA = n sin α max, mit α max als maximaler Akzeptanzwinkel und n Brechzahl des Mediums zwischen Linse und Objekt Erhöhung der Speicherdichte Erhöhung der Speicherdichte durch: Vergrößerung der numerischen Apertur Verwendung von Licht mit kleinerer Wellenlänge Probleme: numerische Apertur nur eingeschränkt änderbar Verfügbarkeit von Halbleiterlasern im gewünschten Wellenlängenbereich Den größten limitierenden Faktor für die Speicherdichte stellt das optische Auflösungsvermögen dar. Dieses ist bestimmt durch die numerische Apertur und die Wellenlänge des verwendeten Lichtes. Der Zusammenhang zwischen der numerischen Apertur, der Wellenlänge und dem Auflösungsvermögen wurde bereits oben erklärt. Wenn die Strukturen auf den Speichermedien kleiner als das optische Auflösungsvermögen werden, können diese nicht mehr aufgelöst werden, d.h. die gespeicherten Informationen können nicht mehr ausgelesen werden. Um nun das optische Auflösungsvermögen und damit die Speicherdichte zu verbessern, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zum Einen kann man versuchen, die Numerische Apertur zu verändern. Die Veränderung an der numerischen Apertur ist jedoch durch die benötigten Linsen beschränkt. Zum Anderen kann man die Wellenlänge des verwendeten Lichtes verändern. Dies bietet ein großes Potential um höhere Datendichten zu erreichen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die gewünschte Frequenz von einem Halbleiterlaser erzeugt werden kann, da nur dieser Lasertyp klein genug und günstig genug ist, um in der Computertechnik Anwendung zu finden. So ist es erst seit kurzem möglich Halbleiterlaser im blauen Spektralbereich kostengünstig zu fertigen, was auch ein großes Hindernis bei der Entwicklung der DVD Nachfolgeformate darstellte. Die Wellenlänge des verwendeten Lichtes ist auch der Hauptunterschied zwischen CD, DVD und Blue-Ray-Disc und für die unterschiedlichen Kapazitäten verantwortlich. Alle Speicherverfahren besitzen jedoch auch eine unterschiedliche numerische Apertur. Im Folgenden wird dargestellt, welche Laser für die jeweiligen Speicher verwendet werden und es werden ihre optischen Eigenschaften erläutert. 6

7 Optische Eigenschaften CD, DVD, Blue-Ray-Disc und HD-DVD CD DVD Blue-Ray-Disc HD-DVD Laser 780 nm 635/650 nm 405 nm 405nm infrarot rot blau-violett blau-violett AlGaAs AlGalnP GaN GaN NA Fokus Ansicht In der obigen Tabelle sind die Unterschiede zwischen den Speichern dargestellt. Dabei ist an den Aufnahmen der verschiedenen Datenträger deutlich zu erkennen, dass die Verkleinerung der Wellenlänge mit einer Verkleinerung der Strukturen zur Datenspeicherung einhergeht und damit zu einer Erhöhung der Speicherdichte führt. Es ist jedoch zu beachten, dass die 635nm bei der DVD einen Spezialfall darstellen und lediglich zum Beschreiben eines speziellen Datenbereichs bei DVD-R Medien benötigt werden. Dieser Spezialbereich dient zur Verhinderung von 1:1 Kopien. Weiter sieht man, dass die Schutzschicht, die zum Schutz der datenspeichernden Oberfläche dient, immer dünner wird, wodurch die Medien immer empfindlicher gegen Kratzer werden. Es wird nun auch deutlich, warum es bei CD und DVD noch relativ einfach war eine Abwärtskompatibilität der Laufwerke zur CD zu erreichen, wohingegen das bei Blue-Ray- Laufwerken und HD-DVD-Laufwerken wesentlich problematischer ist. Während bei CD und DVD sowohl die Wellenlänge des verwendeten Laserlichtes als auch das verwendete Fokussiersystem sehr ähnlich waren, so dass man mit einer leichten Verschiebung der Linse erreichen konnte, dass ein DVD-Laufwerk auch CD s lesen konnte, ist dies bei der Blue-Ray-Technik nicht mehr so einfach möglich. Aufgrund des geänderten Linsensystems benötigt man mindestens Systeme, die über zwei verschiedene Linsen für CD s/dvd s und Blue-Ray-Discs verfügen und aufgrund der sehr unterschiedlichen Wellenlängen mit unter noch einen zweiten Laser zum Auslesen von CD s und DVD s benötigen. Dies macht solche Laufwerke technisch jedoch sehr aufwendig und damit auch teuer, was einer weiten Verbreitung entgegenwirkt. Bei der HD- DVD kommt man jedoch mit einer Linse aus, da das System eine der normalen DVD sehr ähnliche numerische Apertur aufweist, wodurch es hier wesentlich einfacher ist abwärtskompatible Laufwerke zu konstruieren. Da bei der Blue-Ray-Disc jedoch sowohl eine Vergrößerung der numerischen Apertur, als auch eine Verkleinerung der Wellenlänge zur Erhöhung der Speicherdichte eingesetzt wird, erreicht dieses Medium auch eine höhere Kapazität als die HD-DVD. Technische Daten von CD und DVD CD DVD Kapazität [GB] Anzahl der Linsen 1 1 Schutzschicht [mm] Abstand Linse-Oberfläche [mm] Schichtdickenabweichung [µm] - 30 Fokusfehler [µm] - <230 Spurabstand [µm] Pit-Breite [µm] min. Pit-Länge [µm] max. Pit-Länge [µm]

8 Technische Daten von Blue-Ray-Disc und HD-DVD Blue-Ray-Disc HD-DVD Kapazität [GB] Anzahl der Linsen 2 1 Schutzschicht [mm] Abstand Linse-Oberfläche [mm] Schichtdickenabweichung [µm] 3 13 Fokusfehler [µm] <45 <80 Spurabstand [µm] ,0.40,0.34 min. Pit-Länge [µm] Beim Betrachten der technischen Daten ist nun deutlich zu erkennen, dass die verwendeten Strukturen und Toleranzen immer kleiner werden. Außerdem werden die verwendeten Schutzschichten immer dünner. Aufgrund der sehr dünnen Schutzschicht wurden die ersten Blue-Ray-Discs in festen Schutzhüllen, so genannten Caddys, aus denen sie nicht entnommen werden konnten, ausgeliefert. Mittlerweile hat man die Empfindlichkeit der Discs durch die Verwendung von sehr harten Schutzschichtmaterialien jedoch so weit reduziert, dass sie die normalen Alltagsbeanspruchungen ohne Probleme überstehen. Diese dünne harte Schutzschicht aufzubrungen ist jedoch sehr aufwendig und damit teuer und stellte auch lange Zeit das größte Problem bei der Produktion dar. Um bei der geringen Schichtdicke sicherzustellen, dass die Toleranzgrenzen eingehalten werden, mussten die Hersteller vollständig neue Produktionsverfahren entwickeln. So wurde in der Anfangsphase die Schutzschicht als Folie von Hand auf die Rohlinge geklebt. Ein weiteres Problem der Blue-Ray-Disc besteht darin, dass der Abstand zwischen Linse und Medienoberfläche sehr gering ist, was hohe Anforderungen an die Medien und die Laufwerksmechanik stellt, um Beschädigungen der Linse zu vermeiden. Da die HD-DVD der DVD vom Aufbau her sehr ähnlich ist, können hier bestehende Produktionsanlagen relativ einfach umgerüstet und danach weiterverwendet werden, was eine kostengünstige Produktion ermöglicht. Nun werde ich noch etwas näher auf die Vor- und Nachteile der beiden DVD Nachfolger Blue-Ray-Disc und HD-DVD eingehen. Vor- und Nachteile HD-DVD Vorteile Die Laufwerke sind kompatibel zur DVD Die Medien können in umgerüsteten DVD-Fertigungsanlagen hergestellt werden Ist kostengünstig in der Herstellung Nachteile Geringere Speicherkapazität als Blue-Ray-Discs Wird nicht von den großen Filmstudios unterstützt 8

9 Vor- und Nachteile Blue-Ray-Disc Vorteile Hohe Speicherkapazität Unterstützung der großen Filmstudios Nachteile Benötigt neue Produktionsanlagen Sehr enge Fertigungstoleranzen, Probleme durch die geringe Schutzschichtdicke Die Laufwerke sind nicht direkt zur DVD kompatibel Technisch gesehen spricht gegen den Einsatz von HD-DVD s nur deren geringere Speicherkapazität. Die großen Vorteile bestehen jedoch in den günstigen Produktionsmöglichkeiten und dem Einsatz von bewährter Technik in der Produktion. Der größte Faktor, der der Verbreitung der HD-DVD entgegensteht, ist jedoch nicht technischer Natur, sondern besteht darin, dass das Medium von den großen Filmstudios nicht unterstützt wird, was dazu führt, dass es nur sehr wenig Material auf HD-DVD gibt. Hingegen überwiegen bei der Blue-Ray-Disc die technischen Nachteile. So ist der Bau von neuen Produktionsanlagen nötig, was die Herstellungskosten nach oben treibt. Auch ist es nur mit erheblichem Mehraufwand möglich zur normalen DVD kompatible Laufwerke zu bauen, da diese immer zwei Linsensysteme oder sogar zwei Laser benötigen. Der größte Vorteil der Blue-Ray-Disc liegt in ihrer wesentlich höheren Speicherkapazität und in der größeren Unterstützung durch die Medienkonzerne. Im Folgenden werden einige Techniken zur Kapazitätserhöhung bei der DVD erläutert, welche auch teilweise bei den Nachfolgeformaten wieder eingesetzt werden. So gibt es sowohl von der Blue-Ray-Disc, als auch von der HD-DVD Single- und Double-Layer Varianten. Kapazitätserhöhung bei der DVD Von den Techniken zur Kapazitätserhöhung hat nur die Double-Layer-Single-Side Variante eine große Verbreitung gefunden. Bei der Double-Side-Variante muss die DVD zwischendurch gedreht werden oder es werden zwei Auslesesysteme verwendet, was solche Laufwerke sehr aufwendig macht. Bei der Double- Layer-Variante kommen leicht größere Pits zum Einsatz, um ein sicheres Auslesen auch bei den größeren Störungen durch die zweite reflektierende Schicht zu gewährleisten. Die äußere Reflektionsschicht besteht dabei aus Gold und reflektiert ca % des Lichtes, die innere Schicht besteht aus Aluminium und reflektiert ca. 70% des Lichtes. Zum Auslesen der jeweiligen Schicht, wird der Laserstarahl auf diese fokussiert. Ansonsten gibt es keinen weiteren Unterschied zur normalen DVD. 9

10 2.2 Erstellung des Datenträgers Um eine CD, DVD, HD-DVD oder Blue-Ray-Disc zu erstellen gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zum Einen kann der Datenträger industriell im Presswerk erzeugt werden, ein Vorgehen, welches sich jedoch nur für größere Mengen an Datenträgern rentiert. Zum Anderen können spezielle Formen der Datenträger mit Hilfe von Brennern beschrieben werden. Bei der Markteinführung der CD war es noch nicht möglich selbst Medien zu beschreiben, da die erforderlichen Medien noch nicht verfügbar waren. Erst später wurden beschreibbare und wiederbeschreibbare Medien und die zugehörigen Brenner entwickelt. Ich werde nun die verschiedenen Möglichkeiten zum Beschreiben der Datenträger erläutern. Industrielles Pressen der Datenträger Abbildung 4: Vorbereiten der Pressmatrix Abbildung 5: Pressen des Datenträgers Beim industriellen Pressen werden die Orginaldaten zunächst mit einem Laser auf eine mit einem photoaktiven Material beschichtete Glasplatte geschrieben. Danach wird die Platte entwickelt. Im Anschluss werden die belichteten Teile der photoaktiven Schicht entfernt und es wird eine dünne Silberschicht aufgedampft. Durch Aufbringen einer Nickel-Schicht erhält man nun den sogenannten Vater, aus welchem man dann über die Mutter den Sohn und damit die eigentliche Pressmatrix erhält. Mit Hilfe dieser werden dann die gewünschten Strukturen in die Trägersubstanz, hier kommt heute ausschließlich Polycarbonat zum Einsatz, eingeprägt. Die Strukturen werden anschließend mit einem reflektierenden Material wie z.b. Aluminium bedampft. Zum Schluß wird noch die Schutzschicht auf den Datenträger aufgebracht, die die Strukturen vor Beschädigungen schützen soll. 10

11 Pressen eines Double-Layer Mediums Abbildung 6: Erzeugen des ersten Layers Abbildung 7: Erzeugen des zweiten Layers Das Pressen eines Double-Layer-Mediums läuft grundsätzlich genau so ab, wie das eines Single-Layer- Mediums. Nach dem Pressen des ersten Layers in die Polycarbonatscheibe wird nun jedoch nur eine halbreflektierende Schicht aufgetragen. Anschließend wird auf diese Schicht ein Photopolymer aufgetragen, in das mit Hilfe einer zweiten Pressmatrix die Struktur für den zweiten Layer geprägt wird. Dann wird mit Hilfe von UV-Licht das Photopolymer ausgehärtet und die Pressmatrix wird entfernt. Als letzter Schritt wird dann wie schon beim Single-Layer Medium die Schutzschicht aufgetragen. Als weitere Methode zum Beschreiben der Medien gibt es die Möglichkeit spezielle Medien mit Hilfe eines Lasers zu beschreiben. Diese Methode bietet sich vor allem für kleinere Mengen bzw. einzelne Exemplare an, da man diese Medien auch am eigenen Computer beschreiben kann. Dabei werde ich hauptsächlich auf die verschiedenen DVD und CD Formate eingehen, da das Beschreiben von Blue-Ray- Medien und HD-DVD s sehr ähnlich funktioniert. Für die DVD Nachfolger sind momentan allerdings nur einfach beschreibbare Medien verfügbar. Brennen eines Mediums Verbrennen eines Farbstoffs durch den Laserstrahl (CD-R, DVD±R) Wechsel zwischen der kristallinen und amorphen Phase eines Materials durch Erhitzen mit dem Laser (CD-RW, DVD±RW, DVD-RAM) Man benötigt Informationen für die Positionierung des Lasers und das Halten der Geschwindigkeit Wird durch vorgeprägte Spur erreicht Um eine CD bzw. DVD zu beschreiben gibt es die Möglichkeit von einmal beschreibbaren Medien, bei denen ein Farbstoff verbrannt wird, oder von mehrfach beschreibbaren Medien, bei denen mittels 11

12 Erhitzen durch den Laser ein Übergang zwischen der kristallinen und amorphen Phase der Speicherschicht erreicht wird, wobei die beiden Phasen unterschiedliche Reflektionseigenschaften aufweisen. Bei gebrannten Medien erreicht man die Intensitätsänderung im reflektierten Strahl nicht dadurch, dass man eine passende Pit-Tiefe wählt, sondern dadurch, dass die Pits das Licht wesentlich schlechter reflektieren als die Lands. Damit es dem Laufwerk möglich ist den Laser korrekt zu positionieren und die richtige Pit-Länge zu brennen, verfügen alle Rohlingsarten über eine vorgeprägte Spur zur Positionierung. Diese Spuren sind bei den einzelnen Medien jedoch leicht unterschiedlich und werden mittels eines Lasers oder durch Pressen auf den Rohling aufgebracht. Positionierungsspuren Bei der Positionierungsspur handelt es sich um eine modellierte Vertiefungsspur. Bei der DVD-RAM wird sowohl in den Grove-Bereich (die vertiefte Spur), als auch in den Land-Bereich (die erhöhte Spur) geschrieben, wobei das Medium mit Hilfe von Adress-Pits in Sektoren und Spuren geteilt ist. Bei der DVD-R und DVD+R und den zugehörigen RW-Medien werden die Daten nur in den Grove-Bereich geschrieben. Das gleiche gilt auch für die CD. Bei der DVD+R erfolgt die Positionierung über Pre-Pits im Land-Bereich. Dagegen erfolgt die Positionierung bei der DVD-R nur über die Modellierung der Spur, wie es auch bei den beschreibbaren CD Varianten der Fall ist. Die Spur wird dabei mit einer Frequenz von 22 khz moduliert. 12

13 DVD±R Grundlagen Verwenden eines organischen Farbstoffes zum Speichern der Pits und Lands Verbrennung des Farbstoffes an den Stellen, an denen ein Pit entstehen soll Es enstehen Stellen, die nur noch schwach reflektieren Das Medium kann nur einmal beschrieben werden, da der Vorgang nicht umgekehrt werden kann DVD±R Abbildung 8: Aufbau einer DVD±R Die DVD-R/+R ist einmal beschreibbar. In den organischen Farbstoff werden mit Hilfe eines Lasers Löcher gebrannt, welche nur noch schwach reflektieren. Als Farbstoff kommt bei der CD-R Azo oder Phtalocyanin und bei der DVD Cyanin oder Phtalocyanin zum Einsatz. Von der DVD±R gibt es auch eine Double-Layer-Variante mit der doppelten Speicherkapazität. Dabei wird der Laserstrahl auf die Schicht, die beschrieben werden soll, fokussiert. Die beiden beschreibbaren Schichten sind durch einen halbdurchlässigen Reflektor und einen Spacer getrennt. Das Problem bei diesen Medien ist jedoch, dass sie generell nur noch einen sehr geringen Anteil des Laserstrahls reflektieren, was das Auslesen dementsprechend schwierig gestaltet. Daher gibt es auch keine DVD±RW Medien als Double-Layer-Variante, da hier der Reflektionsgrad an sich schon geringer ist als bei normalen Medien und durch die Erniedrigung der Reflektion beim Double-Layer-Medium nicht mehr sichergestellt werden kann, dass das Medium problemlos lesbar ist. Double-Layer DVD±R Abbildung 9: Aufbau einer Double-Layer DVD±R 13

14 DVD±RW - Grundlagen Einsatz von phasenändernden Materialien mit einer kristallinen und einer amorphen Struktur Die beiden Zustände haben eine unterschiedlich starke Reflektion (kristallin - stark reflektierend, amorph - schwach reflektierend) Man erreicht die beiden Zustände durch unterschiedlich starkes Aufheizen der Speicherschicht DVD±RW benötigte Temperaturen Abbildung 10: Benötigte Temperaturen zum Schreiben einer DVD±RW DVD±RW - Materialien Phasenändernde Materialien mit einer Schmelztemperatur von ca. 500 C Niedrige Wärmeleitfähigkeit Stabiler amorpher Zustand (Rekristallisation erst oberhalb von 150 C) Hoher optischer Kontrast zwischen den beiden Zuständen Verwendete Materialien z.b. AgInSbTe Für wiederbeschreibbare Medien verwendet man Materialien mit einem kristallinen und einem amorphen Zustand, wobei die Zustände einen möglichst hohen optischen Kontrast aufweisen sollten. Durch schnelles Aufheizen des Materials mit Hilfe des Lasers auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur erreicht man, dass dieses an den bestrahlten Punkten in die amorphe Phase übergeht. Das bedeutet, dass die bestrahlten Punkte schwach reflektierend werden, also Lands darstellen. Zum Löschen der Daten wird die Speicherschicht wieder mit dem Laser aufgeheizt, wobei auf eine Temperatur oberhalb der Kristallisationstemperatur und unterhalb der Schmelztemperatur geheizt wird. Beim langsamen Abkühlen kann das Material wieder kristallisieren und wird wieder stark reflektierend. In Abbildung 10 sind die zum Schreiben und Löschen einer DVD±RW benötigten Temperaturen dargestellt. Dabei bezeichnet T X die Kristallisationstemperatur und T M die Schmelztemperatur. Die in der Abbildung des Medienaufbaus zu erkennenden dielektrischen Schichten dienen der Wärmeisolation. Eine DVD-R ist auf diese Weise bis zu 1000 mal wiederbeschreibbar. Die oben genannten Eigenschaften gelten so auch für die wiederbeschreibbare CD. 14

15 DVD±RW Abbildung 11: Aufbau einer DVD±RW DVD-RAM Abbildung 12: Aufbau einer DVD-RAM Die DVD-RAM stellt eine spezielle Form der wiederbeschreibbaren DVD dar und kann bis zu mal neu beschrieben werden. Im Unterschied zu den normalen Medien ermöglicht die DVD-RAM ein erweitertes Defektmanagement, ansonsten ist der physikalische Schreibvorgang jedoch identisch zu dem Schreibvorgang der DVD±RW. In Abbildung 13 ist die zum Lesen, Schreiben und Löschen benötigte Leistung für die verschiedenen Medien dargestellt. Hierbei ist deutlich zu erkennen, dass man zum Lesen der Medien nur sehr geringe Leistungen benötigt, während zum Schreiben schon deutlich höhere Leistungen aufgebracht werden müssen. Die hohe Laserleistung, die zum Schreiben benötigt wird, führte auch dazu, dass beschreibbare Medien erst später verfügbar waren, da die kostengünstigen Halbleiterlaser anfangs nicht die benötigten Intensitäten liefern konnten. 15

16 Laserleistung Abbildung 13: Benötigte Laserleistung Zum Abschluss dieses Abschnittes werde ich noch kurz die typischen Anwendungsgebiete für die verschiedenen Datenträger vorstellen. Anwendungsgebiete CD-ROM: Vor allem Einsatz für Audioaufnahmen, als Datenträger aufgrund der geringen Speicherkapazität nicht mehr sehr gefragt CD-R, CD-RW: Nur noch seltener Einsatz für Kompatibilität mit älteren Laufwerken und CD- Playern DVD-ROM: Verwendung für Audioaufnahmen, Filme und als Datenspeicher DVD±R, DVD±RW: Verbreiteter Einsatz als Datenspeicher, da günstige Medien und Laufwerke verfügbar sind DVD-RAM: Aufgrund des erweiterten Defektmanagements und der häufigen Wiederbeschreibbarkeit vor allem Verwendung für Backupzwecke HD-DVD: Wurde als Nachfolger für die DVD entwickelt, vor allem für Hochaufgelöstes Filmmaterial und als Datenspeicher Blue-Ray-Disc: Hat das gleiche Einsatzgebiet wie die HD-DVD 16

17 3 MO Speicher 3.1 Magneto Optische Speicher Grundlagen Grundlagen Die Informationen werden durch verschiedene Magnetisierungsrichtungen gespeichert Die unterschiedliche Magnetisierung dreht die Polaristaion von linear polarisiertem Laserlicht Es werden Materialien verwendet, die einen Phasenübergang zwischen ferromagnetisch und paramagnetisch aufweisen, der durch Erhitzen mit einem Laser erreicht werden kann Auf diese Weise können bis zu 16 GB gespeichert werden Bei den magneto-optischen Speichern werden die Informationen durch verschiedenen Magnetisierungsrichtungen des Materials gespeichert, welche die Zustände 0 und 1 repräsentieren. Schreiben einer MO-Disc Abbildung 14: Schreiben eines MO-Mediums Der Laser erhitzt das Material punktuell über die Curie-Temperatur (Übergang ferromagnetisch paramagnetisch) Durch ein externes Magnetfeld wird die Magnetisierung geändert Die Zustände 0 und 1 werden durch verschiedene Magnetisierungsrichtungen repräsentiert Medium muss vor dem Schreiben explizit gelöscht werden Beim Schreiben einer MO-Disc wird das Material mit Hilfe eines Lasers punktuell auf eine Temperatur erhitzt, die oberhalb der Curie-Temperatur des verwendeten Materials liegt. Dies bedeutet, dass das ferromagnetische Material paramagnetisch wird. Mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldes, lässt sich nun die Magnetisierung des erhitzten Bereiches einstellen, welche auch nach dem Abkühlen des Materials erhalten bleibt. Es ist jedoch zu beachten, dass der jeweilige Punkt auf dem Medium vor dem Schreiben explizit gelöscht werden muss, d.h. auf eine Temperatur über der Curie-Temperatur erhitzt werden muss. Dies führt dazu, dass jeder Punkt, der beschrieben werden soll zwei mal überfahren werden muss, was die Geschwindigkeit halbiert. Das explizite Löschen des Mediums lässt sich jedoch durch den Einsatz spezieller Medien, der so genannten LIMDOW(Laser intensity modulation direct over write)-medien umgehen. Somit erreicht man, dass sich solche Medien doppelt so schnell beschreiben lassen, wie herkömmliche Medien. Ein weiterer Vorteil dieser Medien besteht darin, das keine Magnetköpfe mehr benötigt werden, sondern nur ein statisches externes Magnetfeld erforderlich ist. 17

18 LIMDOW Medien Vier Schichten mit verschiedenen Curie-Temperaturen Magnetfeldrichtung in der Speicherschicht durch Überlagerung von externem Feld und Feld des Initialisierungslayers Magnetfeldrichtung hängt von der Länge des Laserimpulses ab, bzw. davon wie stark die einzelnen Schichten erwärmt wurden Die LIMDOW-Medien bestehen aus vier unterschiedlichen Schichten, welche sich hauptsächlich durch ihren Curie-Punkt unterscheiden. Dabei hat der Initialisierungslayer eine Curie-Temperatur die nie erreicht wird, da er seine Magnetisierung nicht ändern darf. Die unterschiedliche Magnetisierungsrichtung der Leseschicht wird nun dadurch erreicht, dass sich das Magnetfeld des Initialisierungslayers und das externe Magnetfeld überlagern. Durch die unterschiedlichen Curie-Punkte erreicht man, dass ein kurzer Laserimpuls dazu führt, dass die Leseschicht die Magnetfeldrichtung des Initialisierungslayers übernimmt, während ein längerer Laserimpuls dazu führt, dass die Leseschicht die Richtung des externen Magnetfeldes übernimmt. Bei einem kurzen Impuls wird nur die Curie-Temperatur der Leseschicht überschritten, wodurch diese die Magnetfeldrichtung der Referenzschicht und damit letztendlich der Initialisierungsschicht übernimmt, da das Feld der Referenz- und Initialisierungsschicht in der Leseschicht stärker ist als das externe Feld. Bei einem längeren Laserimpuls werden nun die Leseschicht, Refrenzschicht und Zwischenschicht über den Curie-Punkt erhitzt. Nun übernimmt zuerst die Referenzschicht und dann die Leseschicht die Richtung des externen Feldes, da dieses in der Referenzschicht stärker ist, als das Feld des Inititalisierungslayers. Dies kommt daher, dass der Initialisierungslayer von der Referenzschicht durch die Zwischenschicht getrennt ist. Beim weiteren Abkühlen übernehmen dann die Referenz- und Zwischenschicht die Magnetisierungsrichtung des Initialisierungslayers, während die Leseschicht die Richtung des externen Feldes behält. Lesen einer MO-Disc Abbildung 15: Lesen eines MO-Mediums Die Magnetisierung ändert die Polarisierung von linear polarisiertem Laserlicht abhängig von der Magnetisierungsrichtung 18

19 Der reflektierte Strahl wird mit Hilfe eines Polarisationsstrahlteilers aufgeteilt Anhand der von den beiden Photodioden gemessenen Intensität kann man die Magnetisierungsrichtung des Mediums bestimmen Um die auf dem MO-Medium gespeicherten Daten wieder auszulesen, wird das Medium mit linear polarisiertem Laserlicht bestrahlt. Die Polarisation des reflektierten Lichtes hängt nun von der Magnetisierungsrichtung des Materials ab (magnetooptischer Kerr-Effekt). Mit Hilfe des Polarisationsstrahlteilers wird das reflektierte Licht in Abhängigkeit von seiner Polarisation auf eine von zwei Photodioden gelenkt. Aus dem von diesen Dioden erzeugten elektrischen Signal kann man dann die Magnetisierungsrichtung des Mediums bestimmen und somit die gespeicherten Informationen zurückgewinnen. Ein bekanntes Beispiel für einen magneto-optischen Speicher ist die in Abbildung 16 dargestellte MiniDisc der Firma Sony, welche eine Kapazität von 164MB bietet und so gut wie ausschließlich zum Speichern von Musik in einem von Sony entwickelten Spezialformat zum Einsatz kommt. Beispiel eines MO Speichers Abbildung 16: MiniDisc von Sony 3.2 Vor- und Nachteile des MO Speichers Im Folgenden sind die Vor- und Nachteile des MO Speichers aufgelistet und die sich daraus ergebenden Einsatzgebiete werden kurz dargestellt. Vor- und Nachteile Vorteile Relativ hohe Speicherkapazität von bis zu 16 GB Vollständig unempfindlich gegenüber Licht Vollständig unempfindlich gegenüber normalerweise auftretenden Temperaturen Unempfindlich gegenüber magnetischen Feldern Fast beliebig oft wiederbeschreibbar Nachteile Durch das explizite Löschen ist der Schreibvorgang relativ langsam (Ausweg LIMDOW) Hoher Medienpreis Teure Laufwerke 19

20 Anwendungsgebiete Dauerhafte Archivierung von Daten Backup von Datenbeständen Einsatz vor allem im industriellen Umfeld, wo die Zuverlässigkeit wichtiger als die Kosten ist Die MiniDisc von Sony stellt eine Anwendung im Consumer-Bereich dar, fand jedoch aufgrund der geringen Kapazität und des Preises keine größere Verbreitung Anhand der Vor- und Nachteile der Mo-Speicher sind auch schnell die Einsatzgebiete zu erkennen, für die sie prädestiniert sind. So eignen sie sich aufgrund ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Wärme, magnetischen Feldern und Licht, sowie ihrer nahezu unbegrenzten Wiederbeschreibbarkeit vor allem für Backupzwecke im industriellen Umfeld. Da hier die Sicherheit der Daten einen wesentlich höheren Stellenwert hat als im privaten Bereich und die höheren Anschaffungskosten nicht so sehr ins Gewicht fallen. 4 Vergleich der Medienhaltbarkeit und Vergleich mit anderen Speicherarten In diesem Abschnitt werde ich noch etwas näher auf die Haltbarkeit der einzelnen Medien eingehen und danach die in diesem Vortrag vorgestellten optischen Speichermedien mit anderen Speichertypen vergleichen. In Abbildung 17 ist ein Vergleich der Haltbarkeit der bisher erklärten Medientypen dargestellt. Als MO-Medium kam dabei ein Medium von Fujitsu zum Einsatz. Man sieht nun, dass die MO-Medien von allen Medien die größte Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Störeinflüssen bieten. Auch ist zu erkennen, dass die MO-Medien mit Abstand die größte Lebensdauer aufweisen. Das größte Problem bei der Langzeitarchivierung von Daten stellt jedoch nicht die Medienhaltbarkeit dar, sondern das Problem in z.b. 15 Jahren noch Laufwerke zu finden, welche die verwendeten Medien lesen können. Auch hier sind die MO-Medien im Vorteil, da die Hersteller hier eine deutlich längere Verfügbarkeit der Laufwerke garantieren. Man erkennt jedoch auch, dass die CD und DVD Medien lediglich eine Lebensdauer von ca. 10 Jahren aufweisen. In diesem Bereich gibt es mittlerweile jedoch Hersteller, die für ihre Medien eine Lebensdauer von bis zu 30 Jahren angeben. Allerdings liegt selbst diese Lebensdauer noch deutlich unter der der MO-Medien und es bleibt die Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen. Aus der Tabelle wird auch noch ein weiterer Vorteil der MO-Medien deutlich. So bieten die Medien eine deutlich geringere Zugriffszeit als die anderen bisher vorgestellten Medien. Abbildung 17: Vergleich der Medienhaltbarkeit Im Folgenden werden noch kurz die Datendichten und die verfügbaren Größen von optischen und magnetischen Speichermedien verglichen. Als Referenzmedium für die magnetischen Speicher dient dabei die Festplatte. Wenn man nun die erreichbaren Datendichten betrachtet, so erhält man für die DVD eine Datendichte von 500 MBit/cm 2 und für die Blue-Ray-Disc 2 GBit/cm 2. Hier bieten die Festplatten mit 20

21 bis zu 100 GBit/cm 2 jedoch deutlich höhere Datendichten und damit letztendlich höhere Kapazitäten. Während die Blue-Ray-Disc als momentan größter optischer Datenspeicher maximal 46.6 GB speichert, sind am Markt Festplatten mit Kapazitäten von bis zu 1 TB erhältlich. Da man mittlerweile Festplatten mit solchen hohen Kapazitäten bauen kann und hier die Grenze noch nicht erreicht zu sein scheint ist das Interesse der Hersteller die Entwicklung von anderen optischen Speichermedien als Festplattenersatz voranzutreiben eher gedämpft. Auch bei den Kosten bieten die optischen Speichermedien mittlerweile keinen wesentlichen Vorteil. Bei Festplatten liegt der Preis pro GB Speicherkapazität mittlerweile bei ca. 20 Cent, während der GB Preis bei DVD-Medien bei ca. 10 Cent liegt. Die Festplatte bietet jedoch den Vorteil, dass sie mit wesentlich höheren Speicherkapazitäten erhältlich ist und sich wesentlich öfter und schneller wiederbeschreiben lässt. Aus diesem Grund werden für Backupzwecke immer häufiger Festplatten eingesetzt. Auch für die Datenspeicherung im privaten Bereich sind Festplatten mittlerweile aufgrund der immer weiter sinkenden Preise, der immer höheren Speicherkapazitäten und der einfacheren Handhabung die bessere Wahl zum Speichern von großen Datenmengen. Ein weiterer Speichertyp, der immer mehr eine Konkurrenz zu den optischen Speichern, vor allem für den Datenaustausch darstellt, sind die Halbleiterspeicher z.b. in Form von USB-Speichern. Diese sind mit bis zu 16 GB Speicherkapazität verfügbar und bei geringen Kapazitäten schon sehr günstig zu erwerben. So sind USB-Speicher mit 1 GB Kapazität bereits für ca. 5 e erhältlich. Der Vorteil dieser Speichermedien besteht darin, dass sie sich wesentlich öfter und schneller beschreiben lassen, als die optischen Speichermedien. Weiter bieten sie eine wesentlich geringere Zugriffszeit als die optischen Speichermedien. Nur die MO-Speicher bieten noch kurze Zugriffszeiten, welche in den Bereich von langsamen Festplatten vorstoßen. 5 Zukünftige Speicher In diesem Abschnitt werden kurz einige optische Speichertechnologien vorgestellt, welche sich noch in der Entwicklung befinden. 5.1 Protein Coated Disc Protein Coated Disc Hierbei handelt es sich um einen mit einem Protein des Bakteriums Halobacterium Salinarum beschichteten optischen Datenträger Die maximale Speicherkapazität liegt aufgrund der geringen Proteingröße bei 50 TB Momentan nur sehr begrenzte Haltbarkeit des Proteins Soll 2008 von NEC in Serie produziert werden 21

22 5.2 Holographic Versatile Disc Holographic Versatile Disc Aufbau 1. Grüner Laser (532 nm) 2. Roter Laser (650 nm) 3. Hologramm (Daten) 4. Polycarbon-Schicht Abbildung 18: Holographic Versatile Disc 5. Photopolymerische Schicht (Datenträgerschicht) 6. Distanz-Schichten 7. Dichroitische Schicht (reflektiert grünes Licht) 8. Aluminium Schicht (reflektiert rotes Licht) 9. Transparente Basis 10. Positionierungsinformationen Holographic Versatile Disc Funktion Verwendung von zwei Lasern Blau-grüner Laser zum Lesen der holographisch gespeicherten Informationen Roter Laser zum Lesen der Hilfsdaten (Positionierungsinformationen) Die Hilfsdaten werden mit einem CD-ähnlichem Verfahren gespeichert Dichroitische Spiegelschicht zwischen den holographischen Daten und den Hilfsdaten verhindert Störungen durch Reflektion des blau-grünen Lasers an den Hilfsdaten-Pits Bei der Holographic Versatile Disc (HDV) werden statt nur einem Laser zwei verschiedene verwendet. Der eine arbeitet dabei im roten Spektralbereich, während der andere im blau-grünen Bereich arbeitet. Der blau-grüne Laser dient dazu, als holographisches Interferenzmuster kodierte Daten im oberen Bereich der Disc zu lesen, während der rote Laser dazu verwendet wird um Zusatzinformationen von einer CDähnlichen Schicht auszulesen. Diese Hilfsinformationen enthalten unter anderem Positionierungsangaben. Eine dichroitische Spiegelschicht zwischen den holografischen Daten und den Hilfsdaten reflektiert den blau-grünen Laser und lässt den roten Laser hindurch, wodurch man verhindert, dass es zu einer Interferenz zwischen dem blau-grünen Laser und dem von den Hilfsdaten-Pits reflektierten Strahl kommt. 22

23 6 Zusammenfassung Zusammenfassung Es gibt viele verschiedene Varianten von optischen Speichern Die passende Variante hängt von dem jeweiligen Einsatzzweck ab (Archivierung, Musikaufnahmen, Filmaufnahmen, Datenspeicherung) Als DVD Nachfolger kommen sowohl HD-DVD als auch Blue-Ray-Disc in Betracht Magneto optische Speicher eignen sich vor allem für Backup- und Archivierungszwecke, wie auch die DVD-RAM Die optischen Speicher bieten noch ein großes Potential für weitere Erhöhungen der Datendichte und andere Verbesserungen wie z.b. die Lebensdauer Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass es eine Vielzahl von verschiedenen Varianten von optischen Speichern gibt. Welche Variante man auswählt hängt vor allem von dem jeweiligen Einsatzzweck ab. So eignen sich die Magneto-optischen Speicher aufgrund ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen, Lichteinflüssen und Magnetfeldern vor allem für Backupanwendungen und die Archivierung von Daten. Für die gleichen Einsatzgebiete ist jedoch auch die etwas empfindlichere DVD-RAM geeignet, da sie ein erweitertes Defektmanagement bietet. Als Nachfolger für die DVD kommen sowohl Blue-Ray-Disc, als auch HD-DVD in Frage. Dabei bietet die HD-DVD jedoch den Vorteil, dass sie direkt kompatibel zur DVD ist und dass bestehende Produktionsanlagen weitgehend unverändert weiterverwendet werden können, was eine kostengünstige Produktion ermöglicht. Aus den aktuellen Entwicklungen auf dem Gebiet der optischen Speicher ist zu erkennen, dass diese ein großes Potential für weitere Entwicklungen wie z.b. die Erhöhung der Datendichte als auch für Verbesserungen bei der Haltbarkeit haben. Wobei jedoch nicht unbedingt die Haltbarkeit der Medien an sich das Problem ist, da einige Hersteller bereits eine Lebensdauer von 30 Jahren für ihre Medien garantieren. 7 Quellen Skript Optische Datenspeicherung, SS 03, Uni Osnabrück, M. Imlau Skript Speichertechnik, WS 06/07, TU Berlin, H. Völz Reference Guide for Optical Media, Memorex Skript Multimedia Hardware I, WS 01/02, ICG, D. Jackel Skript DVD, Uni Osnabrück, O. Vornberger Skript Muldimedia-Technologien, WS 05/06, Uni Hamburg, M. Lehmann storage-magazine.de, Medieninformationen, Fujitsu Aktueller technischer Stand von Datenspeichersystemen, R. Hintemann 23

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