Optische Speichermedien

Universität Osnabrück 26.06.2006

Gliederung 1 Einleitung und Geschichtliches 2 CD, DVD, HD-DVD und Blue-Ray-Disc 3 MO Speicher 4 Zukünftige Speicher 5 Zusammenfassung

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

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 1997-2002 DVD-Audio, DVD-R, DVD-RAM DVD-RW, DVD+RW, DVD+R 2004 Blue-Ray Disc, HD-DVD

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

Repräsentation der Daten Abbildung: Aufnahme einer CD Datenrepräsentation durch Pits und Lands Eine 1 wird durch Übergang zwischen Pit und Land dargestellt Verwendung der Eight-tofourteen-Modulation zur Sicherstellung der benötigten Datenstruktur

Auslesen der Daten Abbildung: Umwandlung der Pits und Lands in ein elektrisches Signal Abbildung: Auslesen einer CD

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

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 0.45 0.6 0.85 0.65 Fokus Ansicht

Technische Daten von CD und DVD CD DVD Kapazität [GB] 0.65-0.8 4.7-8.45 Anzahl der Linsen 1 1 Schutzschicht [mm] 1.2 0.6 Abstand Linse-Oberfläche [mm] - 1.0-1.7 Schichtdickenabweichung [µm] - 30 Fokusfehler [µm] - <230 Spurabstand [µm] 1.6 0.74 Pit-Breite [µm] 0.5 0.32 min. Pit-Länge [µm] 0.83 0.4-0.44 max. Pit-Länge [µm] 3.05 1.87-2.05

Technische Daten von Blue-Ray-Disc und HD-DVD Blue-Ray-Disc HD-DVD Kapazität [GB] 23.3-46.6 15-30 Anzahl der Linsen 2 1 Schutzschicht [mm] 0.1 0.6 Abstand Linse-Oberfläche [mm] 0.14-0.5 1.2-1.62 Schichtdickenabweichung [µm] 3 13 Fokusfehler [µm] <45 <80 Spurabstand [µm] 0.32 0.68,0.40,0.34 min. Pit-Länge [µm] 0.16-0.138 -

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

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

Kapazitätserhöhung bei der DVD

Industrielles Pressen der Datenträger Abbildung: Vorbereiten der Pressmatrix Abbildung: Pressen des Datenträgers

Pressen eines Double-Layer Mediums Abbildung: Erzeugen des ersten Layers Abbildung: Erzeugen des zweiten Layers

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

Positionierungsspuren

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: Aufbau einer DVD±R

Double-Layer DVD±R Abbildung: Aufbau einer Double-Layer DVD±R

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: 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

DVD±RW Abbildung: Aufbau einer DVD±RW

DVD-RAM Abbildung: Aufbau einer DVD-RAM

Laserleistung

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

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

Schreiben einer MO-Disc Abbildung: 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

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

Lesen einer MO-Disc Abbildung: Lesen eines MO-Mediums Die Magnetisierung ändert die Polarisierung von linear polarisiertem Laserlicht abhängig von der Magnetisierungsrichtung Der reflektierte Strahl wird mit Hilfe eines Polarisationsstrahlteilers aufgeteilt Anhand der von den beiden Photodioden gemessenen Intensität kann man die Magnetisierungsrichtung des Mediums bestimmen

Beispiel eines MO Speichers Abbildung: MiniDisc von Sony

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

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

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

Holographic Versatile Disc Aufbau 1 Grüner Laser (532 nm) 2 Roter Laser (650 nm) 3 Hologramm (Daten) 4 Polycarbon-Schicht Abbildung: 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

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 Backupund 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

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!