Wie alles begann: Optische Discs und ihre Geschichte

Optische Compact-Discs wurden 1982 allgemein verfügbar, der Prototyp wurde jedoch bereits 1979 vorgestellt. Ursprünglich wurden die Compacts als Ersatz für Schallplatten entwickelt, da sie ein qualitativ hochwertigerer und zuverlässigerer Träger waren. Es wird angenommen, dass die Laserdisk-Entwicklung das Ergebnis der Zusammenarbeit von Teams zweier Technologieunternehmen ist — der japanischen Sony und der niederländischen Philips.

Die grundlegende Technologie der „kalten Laser“, die die Entstehung der Laserdisk ermöglicht hat, wurde von sowjetischen Wissenschaftlern entwickelt. Alexander Prochorow und Nikolai Basow. Für ihre Erfindung wurden sie mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. In der Folge entwickelte sich die Technologie weiter, und in den 70er Jahren entwickelte Philips ein Verfahren zur Herstellung von Compact Discs, das den Grundstein für die CD legte. Zuerst schufen die Ingenieure des Unternehmens ALP ( audio long play ) als Alternative zu Schallplatten.

Der Durchmesser von ALP-Disk betrug etwa 30 Zentimeter. Etwas später reduzierten die Ingenieure den Durchmesser der Discs, wodurch die Spielzeit auf eine Stunde sank. Laserdisk und das Abspielgerät dafür wurden erstmals vorgestellt 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 heben und populär zu machen.

Der Anfang von allem

Die Geschäftsführung entschied, Kontakte zu Technologieunternehmen aus Japan zu knüpfen, da das Land zu dieser Zeit an der Spitze der Hi-End-Technologien stand. Dazu reisten Delegierte von Philips in das Land und konnten ein Treffen mit dem Präsidenten von Sony vereinbaren, der Interesse an der Technologie zeigte.

Fast sofort wurde wurde gebildet Das Team von Ingenieuren von Philips-Sony war verantwortlich für die Entwicklung der ersten Spezifikationen dieser Technologie. Der Vizepräsident von Sony bestand darauf, die Kapazität der CD zu erhöhen, da er wollte, dass die Compact Disc die Neunte Symphonie von Beethoven aufnehmen kann. Daher wurde der Speicherplatz von 1 Stunde auf 74 Minuten erweitert (es gibt auch die Ansicht, dass dies einfach eine schöne Marketinggeschichte ist). Die Datenmenge, die auf eine solche Disc passt, beträgt 640 MB. Die Ingenieure entwickelten auch die Klangqualität. Beispielsweise wurde die Abtastrate der Stereo-Signale auf 44,1 kHz (für einen Kanal 22,05 kHz) mit einer Bit-Tiefe von 16 Bit festgelegt. So entstand der Red Book Standard.

Der Name der neuen Technologie entstand nicht zufällig - er wurde aus mehreren Optionen gewählt, darunter Minirack, Mini Disc, Compact Rack. Letztendlich kombinierten die Entwickler zwei Namen und schufen die hybride Bezeichnung 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 CDs, die als Yellow Book oder CD-ROM bekannt wurde. Die neue Spezifikation machte es möglich, dass auf den Discs nicht nur Audio, sondern auch Text- und Grafikinformationen gespeichert werden konnten. Der Typ der Disc wurde automatisch beim Lesen des Headers erkannt. Das Problem war, dass eine Compact Disc, die dem Yellow Book Standard entsprach, nur mit bestimmten Typen von Speichermedien arbeiten konnte, die nicht universell waren.

Am 17. August 1982 wurde in der Philips-Fabrik in der deutschen Stadt Langenhagen die erste CD produziert. Auf ihr war das Album The Visitors von der Gruppe ABBA aufgezeichnet. Es ist erwähnenswert, dass die Lackbeschichtung der ersten Discs nicht besonders hochwertig war, sodass Käufer von Compacts diese oft beschädigten. Im Laufe der Zeit verbesserte sich die Qualität der Discs. In den ersten Jahren wurden sie ausschließlich in Hi-Fi-Anlagen verwendet, sie wurden als Ersatz für Schallplatten und Kassetten genutzt.

Seit 2000 sind 700-MB-Discs auf dem Markt erhältlich, die es ermöglichen, Audio mit einer Gesamtdauer von bis zu 80 Minuten aufzunehmen. Sie haben die 650-MB-Discs vollständig vom Markt verdrängt. Es gibt auch Medien mit einem Volumen von 800 MB, aber sie sind nicht mit allen Laufwerken kompatibel, weshalb solche Discs nicht besonders verbreitet sind. Der verfügbare Speicherplatz konnte durch die Verringerung des Abstands zwischen den Bahnen vergrößert werden. So beträgt zum Beispiel bei 650-MB-Discs der Abstand zwischen den Bahnen 1,7 µm, während dieser bei 800-MB-Discs auf 1,5 µm reduziert wurde. Auch beträgt die Geschwindigkeit der ersten 1,41 m/s, während die der zweiten 1,39 m/s ist.

Die DANE-Spezifikation ist in

Die Disc besteht aus mehreren Schichten. Der Träger ist aus Polycarbonat, seine Dicke beträgt 1,2 mm, der Durchmesser 120 mm. Auf dem Träger befindet sich eine weitere Schicht – Metall (das kann Gold, Silber oder am häufigsten Aluminium sein). Der metallische Schicht wird dann durch einen Lack geschützt, auf den die Grafiken aufgetragen werden. Der Träger schützt die metallische Schicht zuverlässig, sodass sehr tiefe Kratzer das Lesen nicht beeinträchtigen. Der Durchmesser des Lochs in der Disc beträgt 15 mm.

Das Datenformat für Discs ist Red Book (wie oben erwähnt). Fehler beim Lesen werden mit Hilfe des Reed-Solomon-Codes korrigiert, sodass leichte Kratzer die Lesbarkeit der Disc nicht beeinträchtigen.

Die Daten werden auf der Disc in Form einer spiralförmigen Spur von sogenannten Pits (Vertiefungen) aufgezeichnet, die in die Polycarbonatbasis gedrückt werden. Die Tiefe jedes Pits beträgt etwa 100 nm, die Breite 500 nm. Die Länge des Pits liegt zwischen 850 nm und 3,5 µm. Pits streuen oder absorbieren Licht, während der Träger es reflektiert. So ist die aufgezeichnete Disc ein hervorragendes Beispiel für ein reflektierendes Beugungsgitter.

Die Disc wird mit einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 780 nm gelesen, der von einem Halbleiterlaser emittiert wird. Das Prinzip des Lesens besteht darin, die Änderung der Intensität des reflektierten Lichts zu registrieren. Der Laserstrahl konvergiert auf der Informationsschicht, wobei der Durchmesser des Lichtflecks in diesem Fall 1,2 µm beträgt. Das maximale Signal wird zwischen den Pits registriert. Wenn es auf einen Pit trifft, wird eine geringere Lichtintensität registriert. Änderungen der Intensität werden in ein elektrisches Signal umgewandelt, mit dem die Ausrüstung arbeitet.

Wie eine Disc erstellt wird

• Die erste Phase besteht in der Vorbereitung der Daten für die Serienproduktion;
• Die Fotolithografie ist die zweite Phase, ein Prozess zur Erstellung eines Stempels für die Disk. Zunächst wird eine Glasscheibe hergestellt, auf die eine Schicht fotoreaktiven Materials aufgetragen wird, auf der die Informationen gespeichert werden. Das Material verändert seine physikalisch-chemischen Eigenschaften unter dem Einfluss von Licht;
• Die Datenspeicherung erfolgt mittels eines Laserstrahls. Bei Erhöhung der Laserleistung (wenn ein Pit erstellt werden muss) werden die chemischen Bindungen der Moleküle des fotoreaktiven Materials zerstört, und es erstarrt;
• Der Fotoreist wird abgetragen (auf verschiedene Weise, von Plasma bis zu Säure), die nicht durch den Laserstrahl betroffenen Bereiche werden von der Matrix entfernt;
• Die Disk wird in ein Galvanikbad gelegt, wo eine Schicht Nickel auf ihre Oberfläche abgeschieden wird;
• Die Disks werden durch Druckguss geprägt, wobei die ursprüngliche Glasscheibe als Vorlage dient;
• Anschließend wird Metall auf die Informationsschicht aufgebracht;
• Auf die Außenseite wird ein Schutzlack aufgetragen, auf dem dann das grafische Bild aufgebracht wird.

Und was ist mit CD-RW?

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

Dies war ein echter Durchbruch im Bereich der Datenspeicherung. Denn einen kostengünstigen und speicherfähigen Datenträger zu erhalten, war der Traum von Tausenden von Ingenieuren und Benutzern. CD-RW ähnelt in Aufbau und Funktionsweise einer normalen CD, jedoch ist die beschichtete Schicht eine spezielle Legierung aus Chalcogeniden. Am häufigsten wird eine Legierung aus Silber-Indium-Tellur verwendet. Bei einer Erwärmung über den Schmelzpunkt wechselt diese Legierung von einem kristallinen in einen amorphen Zustand.

Der Phasenübergang ist in diesem Fall umkehrbar, was die Grundlage für den Wiederbeschreibungsprozess bildet. Die Dicke der aktiven Schicht der Disc beträgt nur 0,1 μm, sodass der Laser leicht auf das Material einwirken kann. Der Schreibprozess erfolgt unter Einwirkung des Laserstrahls, wobei die aktive Schicht in diesem Fall in den geschmolzenen Zustand übergeht (in den Bereichen, in denen der Laser gewirkt hat). Anschließend diffundiert die Wärme in das Substrat, und die Schmelze geht in den amorphen Zustand über. An den amorphen Abschnitten ändern sich Eigenschaften wie die dielektrische Permittivität, der Reflektionsfaktor und somit die Intensität des reflektierten Lichts. Diese tragen die Informationen über die Aufzeichnung auf der Disc. Das Auslesen erfolgt mit einem Laser mit geringerer Leistung, der keinen Einfluss auf die aktive Schicht haben kann. Beim Schreiben wird die aktive Schicht auf bis zu 200 Grad Celsius erhitzt, sodass sie erneut einen Phasenübergang in den kristallinen Zustand vollziehen kann.

Die mehrfache Verwendung von CD-RWs führt zu mechanischer Ermüdung der Arbeitsschicht. Daher haben die Ingenieure, die die Technologie entwickelt haben, Materialien mit einem niedrigen Ermüdungsansammlungskoeffizienten verwendet. CD-RW kann etwa tausend Schreibzyklen standhalten.

DVD – noch mehr Speicherplatz!

Die ersten DVDs erschienen 1996 in Japan als Antwort auf die Nachfrage von Nutzern und Unternehmen nach immer größeren Speichermedien. Ursprünglich wurden Hochkapazitätsdiscs von mehreren Unternehmen gleichzeitig entwickelt. Es entstand eine unabhängige Entwicklungslinie: Multimedia Compact Disc (Philips und Sony) – Super Disc (8 große Konzerne, darunter Toshiba und Time Warner). Kurz darauf vereinigten sich beide Richtungen unter dem Einfluss der IBM Corporation. Sie überzeugte die Partner davon, die Fehler der "Formatkriege" nicht zu wiederholen, als es einen Wettstreit um die Vorherrschaft zwischen den Videokassettestandards "Video Home System" und "Betamax" gab.

Die Technologie wurde im September 1995 angekündigt, und im selben Jahr veröffentlichten die Entwickler die Spezifikationen. Das erste DVD-Schreibgerät wurde 1997 vorgestellt.

Die Aufzeichnungskapazität konnte bei gleichbleibenden Abmessungen durch den Einsatz eines roten Lasers mit einer Wellenlänge von 650 nm gesteigert werden. Der Spurabstand beträgt dabei das Doppelte des CD-Abstands und beträgt 0,74 μm.

Blu-Ray – das modernste optische Speichermedium

Eine weitere Art optischer Speichermedien mit einer deutlich höheren Datendichte als CD oder DVD. Der Standard wurde von dem internationalen Konsortium BDA entwickelt. Der erste Prototyp erschien im Oktober 2000.

Die Technologie sieht den Einsatz eines kurzwelligen Lasers (Wellenlänge 405 nm) vor, daher der Name. Der Buchstabe „e“ wurde entfernt, da der Ausdruck blue ray im Englischen allgemein gebräuchlich ist und nicht patentiert werden kann. Der Einsatz eines blauen (blau-violetten) Lasers ermöglichte es, die Spur auf 0,32 μm zu verengen, wodurch die Datendichte erhöht wurde. Die Lesegeschwindigkeit des Mediums wurde auf 432 Mbit/s erhöht.

UDF — universelles Diskformat

UDF ist eine Spezifikation des Dateisystemformats, das von keinem Betriebssystem abhängt. Es wurde entwickelt, um Dateien auf optischen Medien — sowohl CD als auch DVD und Blu-Ray — zu speichern. UDF hat keine Beschränkung von 2 und 4 GB für schreibbare Dateien, sodass dieses Format ideal für hochkapazitive Discs — DVD und Blu-Ray — geeignet ist.

Optische Discs und 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, so Vertreter von Sony, bis zu 100 Jahre erhalten.

Dennoch verlieren alle Arten von optischen Discs allmählich an Beliebtheit — mit der Entwicklung des Internets entfällt die Notwendigkeit für Benutzer, Daten auf Discs zu speichern. Informationen können in der Cloud gespeichert werden, was viel bequemer ist (wie sicherer das ist, ist eine andere Frage). CDs sind weit weniger beliebt als vor einigen Jahren, aber ein vollständiges Vergessen (wie im Fall von Audiokassetten) droht ihnen wahrscheinlich nicht — sie werden genutzt, um Archive wichtiger Geschäftsinformationen zu erstellen.

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 verbreiten. Am aktivsten werden sie zur Erstellung von Backups eingesetzt. Und wenn Sony die Wahrheit über die jahrzehntelange Haltbarkeit der aufgezeichneten Daten sagt, wird die Wirtschaft diese neue Technologie sehr aktiv nutzen.

Quelle: habr.com