Wie alles begann: Optische Discs und ihre Geschichte

Optische Compact Discs wurden 1982 öffentlich zugänglich, das Prototypen-Modell wurde bereits 1979 vorgestellt. Ursprünglich wurden CDs als Ersatz für Vinylplatten entwickelt, da sie einen qualitativ hochwertigeren und zuverlässigen Speicher bieten. Man glaubt, dass Laserdiscs das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen den Technologieunternehmen Sony aus Japan und Philips aus den Niederlanden sind.

Die grundlegende Technologie der „kalten Laser“, die das Erscheinen von Laserdiscs ermöglichte, wurde jedoch von sowjetischen Wissenschaftlern entwickelt. Alexander Prochorow und Nikolai Basov. Für ihre Erfindung erhielten sie den Nobelpreis. In der Folge entwickelte sich die Technologie weiter, und in den 70er Jahren entwickelte Philips ein Verfahren zur Aufnahme von CDs, das den Grundstein für die Compact Disc legte. Zunächst schufen die Ingenieure des Unternehmens ALP (audio long play) als Alternative zu Vinylplatten.

Der Durchmesser der ALP-Discs betrug etwa 30 Zentimeter. Kurz darauf reduzierten die Ingenieure den Durchmesser der Discs, wodurch die Wiedergabezeit auf 1 Stunde sank. Laserdiscs und das entsprechende Abspielgerät wurden erstmals demonstriert. Philips im Jahr 1979. Danach begann das Unternehmen, einen Partner für die weitere Entwicklung des Projekts zu suchen – die Technologie wurde von den Entwicklern als international angesehen, und es war schwierig, sie eigenständig auf das erforderliche Niveau zu bringen und zu vermarkten.

Der Beginn von allem

Die Geschäftsführung entschied sich, Kontakte zu Technologieunternehmen aus Japan zu knüpfen, da sich das Land zu dieser Zeit an der Spitze der High-End-Technologien befand. Zu diesem Zweck entsandte Philips Delegierte in das Land, die es schafften, den Präsidenten von Sony zu treffen, der an der Technologie interessiert war.

Fast sofort wurde ins Leben gerufen Das Team von Philips-Sony entwickelte die ersten Spezifikationen für die Technologie. Der Vizepräsident von Sony drängte auf eine Erhöhung der Speicherkapazität, da er wollte, dass die CD die Neunte Sinfonie von Beethoven aufnehmen konnte. Daher wurde die Laufzeit von 1 Stunde auf 74 Minuten erweitert (es gibt auch die Meinung, dass dies nur eine schöne Marketinggeschichte ist). Die Datenmenge, die auf dieser CD Platz findet, beträgt 640 MB. Die Ingenieure legten auch die Audioqualität fest. Beispielsweise wurde die Abtastrate für das Stereo-Signal auf 44,1 kHz (für einen Kanal 22,05 kHz) mit einer Tiefe von 16 Bit festgelegt. So entstand der Red Book Standard.

Der Name der neuen Technologie kam nicht von ungefähr – er wurde aus mehreren Optionen ausgewählt, darunter Minirack, Mini Disc und Compact Rack. Letztendlich kombinierten die Entwickler zwei Bezeichnungen und erhielten das hybride Compact Disc. Nicht zuletzt wurde dieser Name aufgrund der wachsenden Beliebtheit von Audiokassetten gewählt (Technologie. Compact Cassette).

Philips und Sony spielten ebenfalls eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der Spezifikation der ersten digitalen Compact Discs, die als Yellow Book oder CD-ROM bekannt ist. Diese neue Spezifikation ermöglichte es, auf den Discs nicht nur Audio-, sondern auch Text- und Grafikdaten zu speichern. Der Typ der Disc wurde automatisch beim Auslesen des Headers erkannt. Das Problem war, dass eine Compact Disc, die dem Yellow Book-Standard entsprach, nur mit bestimmten Laufwerken funktionierte, die nicht universell waren.

Am 17. August 1982 wurde in der Philips-Fabrik im deutschen Langenhagen die erste CD veröffentlicht. Darauf war das Album The Visitors der Gruppe ABBA aufgezeichnet. Es ist bemerkenswert, dass die Lackbeschichtung der ersten Discs von nicht besonders hoher Qualität war, sodass die Käufer die Compacts häufig beschädigten. Im Laufe der Zeit verbesserte sich die Qualität der Discs. In den ersten Jahren wurden sie ausschließlich in Hi-Fi-Anlagen verwendet und dienten als Ersatz für Schallplatten und Kassetten.

Seit 2000 sind 700 MB Datenträger auf dem Markt erhältlich, die es ermöglichen, Audio mit einer Gesamtdauer von bis zu 80 Minuten aufzunehmen. Sie haben die 650 MB Discs vollständig verdrängt. Es gibt auch Träger mit 800 MB, aber diese sind nicht mit allen Laufwerken kompatibel, weshalb solche Discs nicht weit verbreitet sind. Die Erhöhung des verfügbaren Speicherplatzes wurde durch die Verringerung des Abstands zwischen den Spuren erreicht. Bei 650 MB Discs beträgt der Abstand 1,7 µm, während er bei 800 MB Discs auf 1,5 µm reduziert wurde. Zudem liegt die Geschwindigkeit der ersten bei 1,41 m/s, während die zweite bei 1,39 m/s liegt.

Wie es funktioniert

Die Disc besteht aus mehreren Schichten. Die Trägerschicht ist aus Polycarbonat, ihre Dicke beträgt 1,2 mm und der Durchmesser liegt bei 120 mm. Auf der Trägerschicht befindet sich eine weitere Schicht — Metall (dies kann Gold, Silber oder häufig Aluminium sein). Der metallene Schicht wird durch einen Lack geschützt, auf den die Grafik aufgebracht wird. Die Trägerschicht schützt zuverlässig die metallene Schicht, sodass sehr tiefe Kratzer das Auslesen nicht erheblich stören. Der Durchmesser des Lochs in der Disc beträgt 15 mm.

Das Speichformat für Disc-Daten ist Das Rote Buch (wie oben erwähnt). Fehler beim Lesen werden durch den Reed-Solomon-Code korrigiert, sodass leichte Kratzer die Lesbarkeit der Disc nicht beeinträchtigen.

Die Daten werden in Form einer spiralförmigen Spur aus sogenannten Vertiefungen (Pits) auf das Polycarbonat-Substrat geprägt. Die Tiefe jedes Pits beträgt etwa 100 nm, die Breite 500 nm. Die Länge der Pits reicht von 850 nm bis 3,5 µm. Pits streuen oder absorbieren Licht, das Substrat reflektiert. Auf diese Weise ist die beschriebene Disc ein hervorragendes Beispiel für ein reflektierendes Beugungsgitter.

Eine Disk wird mit einem Laserstrahl gelesen, der eine Wellenlänge von 780 nm hat und von einem Halbleiterlaser ausgestrahlt wird. Das Prinzip des Lesens besteht darin, die Veränderung der Intensität des reflektierten Lichts zu registrieren. Der Laserstrahl fokussiert sich auf der Informationsschicht, wobei der Durchmesser des Lichtflecks in diesem Fall 1,2 µm beträgt. Das maximale Signal wird zwischen den Pits registriert. Wenn Licht auf einen Pit trifft, wird eine geringere Lichtintensität registriert. Diese Intensitätsänderungen werden in ein elektrisches Signal umgewandelt, mit dem die Hardware arbeitet.

Wie eine Disk erstellt wird

• Der erste Schritt besteht darin, die Daten für die Serienproduktion vorzubereiten;
• Fotolithografie – der zweite Schritt, ist der Prozess zur Erstellung des Diskstempels. Zuerst wird eine Glasscheibe erstellt, auf die eine Schicht aus photoreaktivem Material aufgetragen wird, in die die Informationen geschrieben werden. Das Material verändert seine physikalisch-chemischen Eigenschaften unter dem Einfluss von Licht;
• Daten werden mittels eines Laserstrahls aufgezeichnet. Bei erhöhter Laserleistung (wenn ein Pit erstellt werden muss) werden die chemischen Bindungen der Moleküle des photoreaktiven Materials zerstört, und es verhärtet sich;
• Der Fotolack wird (auf verschiedene Weisen, von Plasma bis Säure) geätzt, Bereiche der Matrix, die nicht vom Laser betroffen sind, werden entfernt;
• Die диск wird in eine galwanische Bad gelegt, wo eine Schicht Nickel auf ihre Oberfläche abgeschieden wird;
• Die диски werden durch Druckguss gestanzt, wobei die ursprüngliche Glasscheibe als Ausgangsmaterial verwendet wird;
• Anschließend wird Metall auf die Informationsschicht aufgebracht;
• Auf die Außenseite wird ein schützender Lack aufgetragen, auf dem dann das grafische Bild angebracht wird.

Und was ist mit CD-RW?

CD-RW ist eine Art von Compact Disc, die 1997 eingeführt wurde. Ursprünglich wurde der Standard genannt CD-Erasable (CD-E, wiederbeschreibbare Compact Disc).

Dies war ein echter Durchbruch in der Aufzeichnung und Speicherung von Informationen. Ein kostengünstiges und kapazitätsstarkes Speichermedium zu erhalten, war der Traum von Tausenden von Ingenieuren und Nutzern. CD-RW ähnelt in Struktur und Funktionsweise einer normalen CD, aber die Schreibschicht ist anders – es handelt sich um eine spezialisierte Legierung von Chalcogeniden. Am häufigsten werden Silber-Indium-Antimon-Teilen verwendet. Bei Temperaturen über dem Schmelzpunkt wechselt diese Legierung von ihrem kristallinen Zustand in den amorphen Zustand.

Der Phasenübergang ist in diesem Fall umkehrbar, was die Grundlage für den Schreibprozess bildet. Die Dicke der aktiven Schicht des Datenträgers beträgt nur 0,1 µm, sodass der Laser das Material leicht beeinflussen kann. Der Schreibprozess erfolgt durch die Einwirkung des Laserstrahls, wobei die aktive Schicht in diesem Fall in den geschmolzenen Zustand übergeht (insbesondere die Bereiche, die vom Laser getroffen werden). Danach diffundiert die Wärme in das Substrat, und die Schmelze wird amorph. Bei amorphen Bereichen ändern sich Eigenschaften wie die dielektrische Permittivität, der Reflexionskoeffizient und somit die Intensität des reflektierten Lichts. Diese Informationen sind für die Aufzeichnung auf dem Datenträger entscheidend. Das Auslesen erfolgt mit einem Laser geringerer Leistung, der keinen Einfluss auf die aktive Schicht hat. Während des Schreibens wird die aktive Schicht auf 200 Grad Celsius erhitzt, wodurch sie erneut einen Phasenübergang in den kristallinen Zustand vollziehen kann.

Die mehrfache Verwendung von CD-RWs führt zur mechanischen Ermüdung der Arbeitsfläche. Daher verwendeten die Ingenieure, die die Technologie entwickelten, Materialien mit niedrigem Ermüdungsaufsammelkoeffizienten. CD-RWs können etwa tausend Rewrite-Zyklen standhalten.

DVD — noch mehr Kapazität!

Die ersten DVDs erschienen 1996 in Japan als Antwort auf die Nachfrage von Nutzern und Unternehmen, die zunehmend speicherkapazitative Medien benötigten. Ursprünglich wurden die hochkapazitiven Disketten von mehreren Unternehmen entwickelt. Es gab zwei unabhängige Entwicklungsrichtungen: Multimedia Compact Disc (Philips und Sony) und Super Disc (acht große Unternehmen, darunter Toshiba und Time Warner). Später fusionierten beide Richtungen unter dem Einfluss von IBM, die ihre Partner überzeugte, die Ereignisse der "Formatkriege" zu vermeiden, bei denen es um die Vorherrschaft zwischen den Videoformatstandards der "Video Home System" und "Betamax" ging.

Die Technologie wurde im September 1995 angekündigt, und im selben Jahr veröffentlichten die Entwickler die Spezifikationen. Das erste schreibbare DVD-Laufwerk kam 1997 auf den Markt.

Die Aufzeichnungskapazität bei gleichbleibenden Größen konnte durch den Einsatz eines roten Lasers mit einer Wellenlänge von 650 nm erhöht werden. Der Spurabstand beträgt dabei nur die Hälfte wie bei einer CD und liegt bei 0,74 µm.

Blu-Ray ist das modernste optische Speichermedium.

Eine weitere Art von optischem Speicher mit einer viel höheren Datendichte als bei CD oder DVD. Der Standard wurde von einem internationalen Konsortium, der BDA, entwickelt. Der erste Prototyp wurde im Oktober 2000 vorgestellt.

Die Technologie sieht den Einsatz eines Kürzwellenlasers (Wellenlänge 405 nm) vor, woraus sich auch der Name ableitet. Der Buchstabe „e“ wurde entfernt, da der Begriff blue ray in der englischen Sprache allgemein gebräuchlich ist und nicht patentiert werden kann. Der Einsatz eines blauen (blau-violetten) Lasers hat es ermöglicht, die Spur auf 0,32 µm zu verengen und die Datendichte zu erhöhen. Die Lesegeschwindigkeit des Mediums wurde auf 432 Mbit/s erhöht.

UDF – Universelles Diskformat

UDF ist eine plattformunabhängige Dateisystemformatspezifikation, die zum Speichern von Dateien auf optischen Medien – sowohl CD, DVD als auch Blu-Ray – entwickelt wurde. UDF hat keine Begrenzung von 2 und 4 GB für beschreibbare Dateien, sodass dieses Format ideal für Speichermedien mit hoher Kapazität – DVD und Blu-Ray – geeignet ist.

Optische Discs und das Internet

Technologieunternehmen verbessern weiterhin optische Discs. So konnten Sony und Panasonic bereits 2016 die Kapazität optischer Medien auf 3,3 TB erhöhen. Dabei bleibt die Funktionalität der Discs laut Sony bis zu 100 Jahre erhalten.

Dennoch verlieren alle Arten optischer Discs allmählich an Beliebtheit – mit der Entwicklung des Internets sinkt der Bedarf der Nutzer, Daten auf Discs zu speichern. Informationen können in der Cloud gespeichert werden, was viel praktischer ist (wie sicher das ist, ist eine andere Frage). CDs sind längst nicht mehr so populär wie vor einigen Jahren, aber ein völliges Vergessen (wie im Fall von Audiokassetten) droht ihnen höchstwahrscheinlich nicht – sie werden weiterhin zur Erstellung von Archiven wichtiger Geschäftsunterlagen verwendet.

Sollten terabyte große optische Discs in Serie gehen, wird ihre Anwendung begrenzt sein – möglicherweise werden sie verwendet, um Filme in 4K und moderne Spiele mit einer Vielzahl von Boni zu distribuieren. Am häufigsten werden sie jedoch zur Erstellung von Backups eingesetzt. Und wenn Sony die Wahrheit über die jahrzehntelange Haltbarkeit der gespeicherten Daten sagt, wird die Geschäftswelt diese neue Technologie aktiv nutzen.

Quelle: habr.com