Оптические диски. 
Физические и цифровые основы компьютера

В отличие от жестких дисков, в которых привод и носитель входят в состав одного устройства, оптические диски съемные и являются самостоятельными компонентами, а привод представляет собой отдельное устройство. По типу носителя различают компакт-диски (Compact Disk — CD) и DVD диски (Digital Versatile Disks — цифровые универсальные диски). Собственно говоря, DVD можно рассматривать как следующее поколение оптических дисков, обеспечивающее более высокую плотность хранения информации и скорость передачи данных за счет иной организации носителя.

Оптические диски изготавливаются из пластмассы, на поверхность которой наносится отражающий слой. Для записи информации используется различие интенсивности (или фазы) отраженного света, соответствующего нулю и единице данных, возникающее за счет углублений (ямок, pits), формируемых в отражающем слое, либо за счет изменения коэффициента отражения света от этого слоя.

Информация считывается при освещении диска лазерным лучом с длиной волны порядка 0,6 — 0,8 мкм. Ровные поверхности (как ямки, так и их отсутствие) соответствуют нулевым битам, перепады высот (края ямок) — единичным битам (это соответствует методу записи «без возврата к нулю» на магнитных поверхностях). Протяженность ровной поверхности определяет количество подряд идущих нулей.

Первые оптические диски получили название компакт-дисков (CD) не допускали записи (изменения хранимой) информации, то их, по аналогии с постоянными ЗУ (Read-Only Memory), стали называть CD-ROM, хотя это название точнее отнести к паре диск-привод, считывающий с диска информацию.

По возможности смены хранимой информации, будучи по своей природе функциональными «родственниками» постоянных ЗУ, оптические диски также разделяются на прессованные, с однократной записью (записываемые — Recordable или R) и перезаписываемые (Rewritable или RW, хотя есть и иные аббревиатуры). Прессованные компакт-диски изготавливаются на заводах, обычно большими тиражами, что обеспечивает низкую их себестоимость. Прессованные диски можно отличить по белому (алюминиевому) цвету рабочей поверхности. Записываемые диски имеют цвета зеленоватых или синих оттенков, что зависит от материала отражающего слоя и используемого в записывающем слое красителя.

Записывающий слой у RW дисков представляет собой композитный материал (например, смесь серебра, иридия, теллура и антимония), который может изменять свое фазовое состояние, переходя либо в кристаллическую фазу, либо в аморфное состояние. Причем переход в одно или другое состояние происходит при нагреве материала сфокусированным лазерным лучом и последующим охлаждением.

Нагрев до температуры порядка 200 °C с последующим охлаждением переводит материал в аморфную фазу (стирание информации), а нагрев до температуры 500−700°C и последующее охлаждение переводят соответствующий участок записывающего слоя в кристаллическое состояние. Области кристаллизации при чтении обеспечивают лучшее отражение считывающего луча лазера, тогда как области, находящиеся в аморфном состоянии, в значительной степени поглощают этот луч.

Диэлектрические слои служат для отвода избытка тепла при записи, а сам лазер должен обеспечивать три режима:

• — запись, в котором мощность луча лазера максимальна;
• — стирание, с меньшей мощностью луча;
• — чтение, с минимальной мощностью лазерного луча, не позволяющей изменить состояние записывающего слоя.

Компакт-диски в стандартном варианте допускают запись 650 — 700 Мбайт информации. DVD диски внешне похожи на CD диски и по размерам, и по материалу, из которого изготовлена их основа. Однако они имеют несколько иную организацию. Во-первых, размеры ямок и шаг витков спиральной дорожки DVD в два с лишним раза меньше, чем у CD (шаг витка 0,74 мкм вместо 1,6 мкм, а минимальная длина ямки 0,4 мкм вместо 0,84 мкм). Во-вторых, на DVD дисках информация может быть записана не в один, а в два слоя, да еще и на обе стороны диска, а не на одну, как у компакт-диска. Кроме того, в DVD дисках применяют иное кодирование. Все перечисленное позволяет записывать на стандартные DVD до 17 Гбайт данных.

DVD диски состоят из двух соединенных между собой половинок («сторон») толщиной по 0,6 мм каждая. Если одна из половинок не используется для хранения информации, то такие диски называют односторонними, если же данные хранятся на обеих половинках, то это двусторонние диски. При этом если половинка имеет один слой для хранения (записи) информации, то такой диск называют однослойным, а если данные хранятся в двух слоях, то — двухслойным. В двухслойным диске один (верхний) из отражающих слоев полупрозрачный, поэтому оказывается возможным считывать данные как с этого слоя, так и с расположенного под ним обычного отражающего слоя посредством фокусировки считывающего луча лазера на нужном слое. Причем переключение между слоями оказывается даже быстрее по времени, чем позиционирование на другое место в одном и том же слое.

Записываемые и перезаписываемые DVD диски организованы аналогично CD дискам, используя в качестве записывающего слоя краситель и материал, изменяющий фазовое состояние соответственно. Эти диски могут быть односторонними и двусторонними, но в основном однослойными, хотя начинают появляться и двухслойные варианты.

Типовой привод оптических дисков состоит из платы электромеханической, оптической и электронной частей.

Электромеханическая часть, в общем аналогичная жестким дискам, имеет некоторые особенности. Она включает в себя двигатель, вращающий шпиндель, систему позиционирования оптической головки (головок при использовании двусторонних дисков) чтения (и записи в записывающих приводах) и систему загрузки дисков. В случае пропадания питания освободить оказавшийся в приводе диск можно, опустив раму с помощью шпильки или скрепки через маленькое отверстие, имеющееся на лицевой панели привода рядом с кнопкой загрузки/выгрузки диска.

Оптическая часть включает в себя лазерный светодиод, систему фокусировки, фотоприемник и усилитель.

Система фокусировки обеспечивает фокусирование лазерного луча на отражающем слое (в том числе, и в двухслойных DVD дисках) и состоит из пластмассовой линзы, подвижной в направлении, перпендикулярном плоскости диска. Для управления перемещением линзы используется катушка с током в поле постоянного магнита — прием, аналогичный используемому при радиальном позиционировании головок в жестких дисках. Эта система позволяет отслеживать поперечные биения оптического диска даже при относительно высоких скоростях его вращения.

Электронная часть представляет собой контроллер, обеспечивающий управление всеми процессами работы привода и интерфейс с шинами ЭВМ. Как правило, в ней также имеется цифро-аналоговый преобразователь, позволяющий воспроизводить звук, записанный на Audio CD.