Устройство оптических дисков типа WORM

Существенный недостаток систем записи, базирующихся на цифровых компакт-дисках, заключается в отсутствии возможности перезаписи информации. Частичным решением этой проблемы явилась разработка систем однократной записи с высококачественными показателями различных данных с помощью полупроводникового лазера на оптических дисках. Записываемые диски подобного типа получили название диски WORM (Write-Only-Read Many). На них пользователь может записать свою информацию, но только один раз. Эту запись нельзя стереть. Примером являются диски CD-R, которые, будучи записанными, обладают всеми свойствами обычных цифровых компакт-дисков и могут использоваться в серийно выпускаемых ПКД.

Специализированное устройство записи-воспроизведения оптических дисков типа CD-R имеет кодирующее устройство входной информации и оптический блок, состоящий из узла записи с мощным лазером и узла считывания с маломощным лазером. Оптический диск CD-R конструктивно отличается от обычных компакт-дисков. На них предварительно наносят дорожки, на которые в дальнейшем записывается цифровой информационный поток.

Конструктивно оптические диски типа CD-R состоят из круглой поликарбонатной подложки, на которую нанесены последовательно слой органического красителя, слой золота и защитный слой. Запись на них происходит путем необратимого изменения оптических свойств красителя под действием остросфокусированного лазерного излучения: луч лазера проходит через подложку и "прожигает" слой красителя, за которым находится отражающий слой золота. При воспроизведении информации луч лазера также направлен со стороны подложки, но вследствие своей значительно меньшей мощности, чем при записи, не вызывает изменения свойств красителя

Принцип записи информации на магнитооптическом носителе иллюстрируется рис.6. Перед записью магнитный слой диска намагничивается в одном направлении. Затем луч полупроводникового лазера мощностью 10-20 мВт фокусируется на магнитооптическом слое. Одновременно на слой воздействует магнитное поле Hs, создаваемое магнитной головкой или соленоидом. Если направление поля противоположно направлению однородной намагниченности магнитооптического слоя, то в участке слоя, нагретом лучом лазера до точки Кюри, происходят опрокидывание намагниченности и фиксация единицы информации – бита.

Рис. 6. Принцип магнитооптической записи.
1 - записанные биты; 2 – не записанные биты;
3 - магнитный слой; 4 - подложка диска.

3.3. Лазерные устройства для магнитооптической записи и воспроизведения CD-ROM .

Для магнитооптической записи обычно применяется лазерный диод на основе AsAlGa, позволяющий создать компактную систему записи – воспроизведения с малыми размерами и стоимостью. Лазер используется в качестве источника оптического излучения в устройстве, структурная схема которого представлена на рис.7. После лазера помещается микрообъектив с достаточно большой числовой апертурой, назначение которого – собрать большую часть излучения лазера.

Микрообъектив коллимирует излучение лазера, однако после него требуется дополнительная обработка светового луча из-за асимметричного распределения энергии в горизонтальном и вертикальном направлениях. Формирование луча требуемого сечения осуществляется с помощью двух плосковогнутых цилиндрических линз 3, каждая из которых расширяет луч в одном направлении. После регулировки и центровки оптической системой получается симметричный луч, заполняющий апертуру фокусирующего объектива, что обеспечивает получение светового пятна диаметром до 0,6 мкм (по уровню половинной мощности) в плоскости оптического диска. На рис.2 показаны также путь световых лучей при считывании и необходимые при этом компоненты оптической системы (следящее зеркало, четвертьволновая пластинка, поляризованный светоделитель и фотодетектор).

Рис. 7. Структурная схема устройства магнитооптической записи.
1-лазер; 2 - микрообъектив; 3 - цилиндрический расширитель пучка; 4 - поляризационный делитель; 5 - четвертьволновая пластинка; 6 - магнитная катушка; 7 - диск; 8 - фокусирующий объектив; 9 - следящее зеркало; 10 - объектив; 11 - фотодетектор.

С обратной стороны оптического диска устанавливается катушка, создающая небольшое магнитное поле определенного направления. Перед записью магнитный слой намагничивается в одном направлении. При записи лазерный луч фокусируется на его поверхность и нагревает его. Одновременно с этим катушкой создается внешнее магнитное поле с направлением, противоположным направлению исходной намагниченности материала.

В местах, где температура нагрева превысит температуру Кюри, локальный участок пленки перемагничивается в направлении внешнего магнитного поля. В результате записи цифрового сигнала на носителе возникает последовательность участков, где расположенные перпендикулярно поверхности домены будут иметь направление намагниченности, противоположное друг другу.

Стирание информации может быть осуществлено двумя способами. Полное стирание достигается с помощью магнитного поля напряженностью, превышающей коэрцитивную силу магнитного слоя. Локальное стирание осуществляется лазерным лучом при одновременном воздействии внешнего магнитного поля небольшой напряженности.

Для считывания информации используется, как правило, магнитооптический эффект Керра. Схематично этот процесс показан на рис.8. В этом случае оптический анализатор различает поворот вектора поляризации и изменяет интенсивность света пропорционально углу поворота вектора поляризации. Из этого модулированного сигнала восстанавливается записанная информация.

Примером практической реализации реверсивного лазерного проигрывателя может служить модель фирмы Thomson. Структурная схема модели показана на рис.9. В реверсивном проигрывателе компакт-дисков используется принцип работы трех лазеров, имеющих назначением стирание, запись и воспроизведение на реверсивном магнитооптическом диске. Режим воспроизведения не отличается от ранее описанного. Однако электронная часть схемы значительно усложнена, так как необходимо обрабатывать малые различия в сигналах отражения разнополярных доменов. В режиме записи в работе участвуют все три лазера.

Лазер I имеет стабилизированное излучение без модуляции, работает в магнитном поле Н_с, создающем условия ориентации доменов в исходное положение. Мощность лазера 7 порядка 6 Вт. Лазер 8 работает в режиме модуляции методом EFM. В соответствии с условиями записи при импульсном нагреве доменов происходит их переориентация, соответствующая наличию пита на обычном компакт-диске. Мощность лазера 8 составляет 5 мВт. В отсутствие импульсного сигнала мощность лазера 8 недостаточна для нагрева и, соответственно, переориентации домена под воздействием магнитного поля. Мощность лазера 3 составляет 1,3 мВт. Слежение за дорожкой и фокусировкой записывающего (и воспроизводящего) лазерного луча производится по трехлучевой схеме.

Puc.8. Структурная схема магнитооптического воспроизведения.
1 - лазер; 2 - коллиматор; 3 - направленность векторов поляризации исходного луча; 4 - структура вектора поляризации после поляризационной пластинки; 5 - оптический диск; 6 - объектив; 7 -структура вектора поляризации при отражении от диска; 8, 10 - поляризационные пластинки с противоположной поляризацией; 9 - фотоприемники.

Рис. 9. Структурная схема реверсивного лазерного проигрывателя компакт-дисков.
1- система стирания с магнитным полем стирания Н_с, 2 - система записи с магнитным полем записи, 3 - система считывания (воспроизведения); 4 - отражатель; 5 - поляризационный делитель; 6 - модулятор; 7 - коллиматор; 8 - лазер; 9 - делитель систем фокусировки и слежения за дорожкой; 10, 12 - фотодиоды систем фокусировки и слежения за дорожкой; 11- линза; 13, 14 – линзы.

4. Конструктивные особенности реверсивных магнитоопти­ческих дисков.

Современные магнитооптические диски работают в аппаратуре аудио- и видеозаписи, персональных компьютерах и рабочих станциях по обработке изображений. Конструкция магнитооптического диска представлена на рис.5 [8]. В качестве материала подложки диска применяется поликарбонат или стекло. Расположенный на подложке магнитооптического диска рабочий слой представляет собой аморфную пленку из сплавов редкоземельных металлов, в частности сплава тербия. Он должен обеспечивать значительный магнитооптический эффект, иметь достаточно низкую точку Кюри и высокую чувствительность.

В настоящее время плотность записи на магнитооптических дисках достигает 1,6 Мбит/см 2, они допускают не менее 1 млн циклов перезаписи. Причем стирание как самостоятельная операция выполняется только в том случае, если надо стереть запись и оставить на диске чистое место. Если же требуется записать новую информацию на месте старой, то самостоятельная операция стирания не производится: старая запись стирается под воздействием новой.

Параллельно с работами по магнитооптическим дискам ведутся исследования по созданию реверсивных оптических дисков на основе метода фазового перехода, согласно которому участки рабочего слоя переходят из аморфного состояния в кристаллическое, что приводит к увеличению их отражающей способности. При стирании информации под воздействием лазерного луча в рабочем слое этих оптических дисков происходит обратный процесс. Благодаря большой разнице отражательной способности рабочего слоя в аморфном и кристаллическом состояниях достигается отношение сигнал-шум около 50 дБ.

Рис. 5. Конструкция реверсивного магнитооптического диска:
1 – посадочное отверстие; 2 – защитный слой; 3 – магнитооптический рабочий слой; 4 – подложка.

К настоящему времени разработана новая технология по изготовлению трехмерных (многослойных) люминесцентных (флуоресцентных) оптических дисков. Питы (метки) таких дисков не отражают свет лазера, а сами флуоресцируют при облучении лазерным лучом. Отдельные слои люминесцентных дисков полностью прозрачны, а значит, их может быть много. Экспериментально доказано, что 50 слоев не ухудшают видимость светящихся меток на нижнем слое. В этом случае каждый слой трехмерного диска является как бы самостоятельным видеодиском емкостью 4,7 Гб. Следовательно, суммарная емкость одного трехмерного диска составляет около 235 Гб.

Список использованной литературы:

1. http://google.ru
2. http://ru.wikipedia.org
3. «Учебное пособие» Капелов В.В.

4. Электросвязь. Введение в специальность: Учебное посо­бие для вузов / В.Г. Дурнев, А.Ф. Зеневич и др. - М.: Радио и связь, 1988.-240 с.

5. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов / В.И. Иванов, В.Н. Гордиенко, Г.Н. Попов и др.; Под ред. В.И. Иванова. - М.: Радио и связь, 1995. - 232 с.