Optyczne nośniki danych

26 maja 2021 | Tomasz Drewniak

Optyczne nośniki danych są bardzo popularne do dziś, nie każdy jednak wie jak działają oraz, czy zebrane tam dane na pewno są bezpieczne, szczególnie jeśli zamierzamy przechowywać coś przez dłuższy czas.

Nośniki optyczne, mają zazwyczaj kształt dysku (koła), nie jest to jednak konieczność, ponieważ nośniki o innych kształtach również mogą działać. Jest to jednak odstępstwo od reguły. Najczęstsze wymiary dysków optycznych to 120 mm średnicy i 1.2 mm grubości, chociaż do zastosowań o niskim zapotrzebowaniu na dane, również stosuje się dyski o średnicy 80 mm. Dyski optyczne są zazwyczaj zbudowane z plastiku poliwęglanowego stanowiącego podłoże dysku, później na to podłoże nanosi się odbijającą światło powłokę. Następnie na odbijającą warstwę nanosi się warstwę akrylu lub lakieru, która stanowi funkcję ochronną. W obecnych czasach prawie zawsze nanosi się również na samą górę dysku, warstwę tworzywa, na której można opisać dysk i jakie dane on przechowuje.

Przedstawienie graficzne, warstw dysku optycznego — A.      Warstwa plastiku poliwęglanowego, na której zapisywane są dane.
B.      Warstwa odbijająca światło.
C.      Warstwa ochronna z akrylu lub lakieru.
D.      Warstwa nadrukowana po której można pisać i która, zawiera dane na temat rodzaju dysku.
E. Czytnik dysku optycznego.

Odczyt i zapis danych odbywa się przy pomocy światła lasera niskiej mocy, o długości fali od 780 nm do 405 nm. Następnie światło lasera po przejściu przez specjalny układ optyczny, trafia na dysk optyczny.

Schematyczne przedstawienie zasady działania czytników optycznych. Najpierw światło które wytwarza laser, przechodzi przez dzielnik wiązki i zostaje skierowane na płytkę półfalową. Następnie trafia na soczewkę kolimacyjną, i na płytę. Światło odbiwszy się od płyty, ponownie przechodzi przez soczewkę, płytkę półfalową, dzielnik wiązki i w końcu przez soczewkę cylindryczną, trafia na czujnik optyczny.

Zależnie od tego co jest na dysku zapisane, w każdym momencie światło albo odbija się i trafia z powrotem do układu optycznego na czujnik, albo zostaje rozproszone. Czujnik światło to, przekształca w sygnał binarny. Jedynkę binarną otrzymuje się kiedy czujnik wykrywa zmianę tj. światło zaczyna padać na czujnik, lub światło przestaje padać na czujnik. Zero binarne otrzymuje się kiedy czujnik nie wykryje zmiany.

Wszystkie powyżej wymienione cechy są uniwersalne dla wszystkich typów, optyczny nośników danych. Nośniki te jednak możemy również, ze względu na zdolności do zapisywania i odczytywania danych, podzielić na:

Dyski ROM (read only memory):

są to dyski z których można tylko odczytywać dane. Są one najtańsze w produkcji i były pierwszym typem dysków optycznych który powstał. W przypadku dysków CD-ROM i DVD-ROM można zastosować pigmenty organiczne do zapisywania danych, wszystkie pozostałe rodzaje dysków optycznych wymagają sztucznych pigmentów (najczęściej stopy metali).

Dyski – R (recordable):

są to dyski na które można jednorazowo nagrać dane, później jednak możliwy będzie już tylko ich odczyt.

Dyski – RW lub -RE (rewritable):

są to dyski, które powstały najpóźniej. Umożliwiają one jednak wielokrotne nagrywanie, odczytywanie i usuwanie danych. Dzieje się to jednak przy pomocy efektów magnetycznych, w związku z tym do obsługi takich dysków optycznych, potrzebne są specjalne nagrywarki i czytniki.

Najważniejszym podziałem dysków optycznych jest jednak podział na generacje:

CD (Compact Disc):

są to dyski należące do pierwszej generacji. Pierwsze dyski CD zostały zaprezentowane w 1982 r. w Japonii. Zależnie od wersji ROM, R lub RW dyski mogą zostać nagrane bezpośrednio przy produkcji, przy pomocy lasera lub przy pomocy pola magnetycznego. Do nagrywania na dysku i do jego odczytywania używa się lasera o długości fali 780 nm. Odpowiada to bardzo bliskiej podczerwieni. Typowy dysk CD może pomieścić około 700 MB danych, uznaje się również, że taki dysk może pomieścić około 80 minut muzyki lub dźwięku. Dyski te występują tylko w wersjach jednowarstwowych. Maksymalna prędkość odczytu i zapisu danych w przypadku dysków CD wynosi do 62.4 Mbit/s.

Graficzne przedstawienie zasady działania dysku CD. Przedstawienie wielkości ścieżek na których są zapisane dane, długości fal światła służących do odtwarzania oraz grubości warstw dysku. — Skupiona wiązka lasera w czytnikach dysków CD ma około 1.6 μm średnicy (na rysunku wymiar z literą φ). Ścieżki z danymi są odsunięte od siebie o odległość około 1.6 μm (na rysunku litera p). Każdy bit jest zapisany na powierzchni o wymiarach 0.8 μm na 0.6 μm. (na rysunku litery W oraz I).

DVD (Digital Video Disc lub Digital Versatile Disc):

to dyski należące do drugiej generacji nośników optycznych. Pierwsze tego typu dyski powstały w 1996 r. w Japonii. DVD podobnie jak dyski CD, mogą zostać nagrane bezpośrednio przy produkcji, przy pomocy lasera lub przy pomocy pola magnetycznego. Główną różnicą w porównaniu do CD jest jednak sposób odczytywania danych. Odbywa się ono przy pomocy lasera o długości 650 nm. Odpowiada to czerwonemu kolorowi światła. Dyski DVD mogą być jednostronne lub dwustronne, a każda strona może być jednowarstwowa lub dwuwarstwowa. W przypadku dysków jednowarstwowych pojemność wynosi 4.7 GB na każdą stronę, a w przypadku dysków dwuwarstwowych pojemność wynosi 4.25 GB na każdą warstwę. Maksymalna prędkość odczytu i zapisu danych w przypadku dysków DVD wynosi do 264 Mbit/s.

Graficzne przedstawienie zasady działania dysku DVD. Przedstawienie wielkości ścieżek na których są zapisane dane, długości fal światła służących do odtwarzania oraz grubości warstw dysku. — Skupiona wiązka lasera w czytnikach dysków DVD ma około 1.1 μm średnicy (na rysunku wymiar z literą φ). Ścieżki z danymi są odsunięte od siebie o odległość około 0.74 μm (na rysunku litera p). Każdy bit jest zapisany na powierzchni o wymiarach 0.4 μm na 0.32 μm. (na rysunku litery W oraz I).

Warto również wspomnieć o krótkim epizodzie w latach do 2006 do 2008, kiedy stosowano dyski HD DVD. Były one pod pewnymi względami podobne do blu-ray i do zwykłych dysków DVD. Niestety połączenie to nie pozwoliło w pełni wykorzystać w potencjału nowych technologii. Z tego powodu szybko zrezygnowano dysków tego rodzaju. Dyski te mogły pomieścić 15 GB danych na każdą warstwę.

Graficzne przedstawienie zasady działania dysku HD DVD. Przedstawienie wielkości ścieżek na których są zapisane dane, długości fal światła służących do odtwarzania oraz grubości warstw dysku. — Skupiona wiązka lasera w czytnikach dysków DVD ma około 0.48 μm średnicy (na rysunku wymiar z literą φ). Ścieżki z danymi są odsunięte od siebie o odległość około 0.32 μm (na rysunku litera p). Każdy bit jest zapisany na powierzchni o wymiarach 0.15 μm na 0.13 μm. (na rysunku litery W oraz I).

BD (Blu-ray):

jest to bardzo popularne w dzisiejszych czasach medium, głównie do przechowywania filmów w bardzo wysokich jakościach, jak i do przechowywania gier video. Pierwsze dyski Blu-ray zaprezentowano w 2006 r. Dyski te mogą być nagrywane przy produkcji, lub przy pomocy lasera. Odczytywanie danych odbywa się przy pomocy lasera o długości fali 405 nm, jest to granica spektrum widzialnego i bliskiego ultrafioletu. Te dyski występują tylko w wersji jednostronnej, ale ta jedna strona może mieć maksymalnie 4 warstwy. Maksymalna prędkość odczytu i zapisu danych w przypadku dysków BD wynosi do 576 Mbit/s. Od 2016 r. na rynku znajdują się również dyski Ultra HD blu-ray, te dyski są przystosowane do odtwarzania danych w bardzo szybki sposób i w ich przypadku maksymalna prędkość odczytu danych wynosi 1152 Mbit/s.

Graficzne przedstawienie zasady działania dysku Blu-ray. Przedstawienie wielkości ścieżek na których są zapisane dane, długości fal światła służących do odtwarzania oraz grubości warstw dysku. — Skupiona wiązka lasera w czytnikach dysków DVD ma około 0.48 μm średnicy (na rysunku wymiar z literą φ). Ścieżki z danymi są odsunięte od siebie o odległość około 0.32 μm (na rysunku litera p). Każdy bit jest zapisany na powierzchni o wymiarach 0.15 μm na 0.13 μm. (na rysunku litery W oraz I).

Zestawienie pojemności różnych dysków optycznych.

Tabela w programie Microsoft excel, pokazująca różnice w pojemnościach różnych dysków optycznych

Trwałość dysków optycznych

Trwałość dysków optycznych zależy głównie od tego w jaki sposób są przechowywane oraz od jakości wykonania dysku. W przypadku dysków słabszej jakości, maksymalna wytrzymałość wynosi około 10 lat. Wiąże się to głównie z rozkładem barwnika, na którym zapisane są dane. Niestety nawet markowe dyski CD, DVD i BD mogą być słabszej jakości, wynika to z faktu, że takie firmy jak Sony, Philips itp. zlecają produkcję płyt podwykonawcom. Szansa na to, że płyta jest gorszej jakości jest również większa w przypadku płyt CD i DVD niż w przypadku płyt BD. Gdy mamy płytę dobrej jakości, i będziemy przechowywać ją w odpowiednich warunkach, szanse na utratę danych znacznie maleją. Najlepsze warunki do przechowywania dysków optycznych, to pomieszczenia bez dostępu światła o temperaturze 18 °C i względnej wilgotności 40%. Dobrze przechowywane dyski optyczne potrafią wytrzymać ponad 45 lat.

Istnieją specjalne dyski M-DISC (Millenial Disc) dostępne w technologii DVD i Blu-ray, wykonane ze specjalnych materiałów takich jak, szklisty węgiel. Materiał ten pozwala pozostać takim dyskom niewrażliwym na warunki przechowywania i pod warunkiem, że nie zostaną rozgrzane do ponad 200°C lub mechanicznie uszkodzone, mogą wytrzymać setki lat.

Internetowe boty – czym są i jak je dzielimy.