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Grundlagen optische Aufzeichnungsverfahren

Inhaltsverzeichnis

1. Grundlagen

Bei der Aufzeichnung von analogen oder digitalen Videosignalen entstehen riesige Mengen an Daten. Soll beispielsweise ein Videosignal in Standardauflösung (720x576 Pixel 50Hz interlaced) aufgezeichnet werden, entsteht folgender Speicherbedarf:
Jede der drei Grundfarben soll mit einer Auflösung von 8 Bit dargestellt werden. Ein RGB-Pixel beansprucht also 24 Bit. Bei einer Auflösung von 720 (horizontalen) x 576 (vertikalen) Pixeln belegt ein Vollbild 414.720 x 30 = 9,95328 MBit (= 1,24416 MByte) Speicher. Bei 25 Vollbildern pro Sekunde kommt man also auf 248,832 MBit (=31,104 MByte) an Daten pro Sekunde!
Solche Datenmengen lassen sich zwar mühelos auf magnetischen Bändern unterbringen, nur haben diese den Nachteil, dass ein Zugriff auf die Daten nur sequentiell möglich ist und dass sich Bänder nur schlecht vervielfältigen lassen. Auch sind Magnetbänder wenig robust und haben eine begrenzte Lebensdauer.
Als mögliche Alternative kamen daher Mitte der 1960er Jahre optische Speicher ins Visier der Entwickler. Vorausgegangen war eine Entdeckung, die erst alles ermöglichen sollte: der Laser. Erst 1960 zum ersten Mal demonstriert, standen schon wenige Jahre später recht preiswerte Gas-Laser (z.B. NeHe) zur Verfügung, die für eine Massenproduktion geeignet schienen. Der Laser wurde für die Entwicklung von optischen Speichern deswegen relevant, weil nur mit ihm so kleine Strukturen erzeugt und gelesen werden können, um eine Speicherdichte zu erzeugen, wie sie von einem optischen Speicher gefordert wurde.
Wie solche Strukturen auf ein Medium gebracht werden können, wurde Ende der 60er Jahre u. a. von David P. Gregg in den USA und bei Philips in Eindhoven erforscht und in Patenten manifestiert.

Abb. 1.1.1: Auszug aus der Patentschrift von David P. Gregg [1]

1.1. Grundsätzlicher Aufbau von (gepressten) optischen Speichern

Ein optisches Speichersystem besteht im Prinzip aus zwei Komponenten: dem Speichermedium und dem Schreib-/Lesesystem.
Die erste Generation der verschiedenen optischen Speichersysteme war ausschließlich gepresst und somit nur lesbar. Die später hinzugekommenen beschreibbaren (WORM = Write Once Read Multiple) und wiederbeschreibbaren ( RW = Re-Writable) Medien unterscheiden sich von diesen in ihrem Aufbau und im Herstellungsprozess erheblich.

Abb. 1.1.2: Mikroaufnahme einer gepressten CD
Abb. 1.1.2: Mikroaufnahme einer gepressten CD [2]

Optische Speicher sind meist runde Scheiben aus transparenten Kunststoff ( Polycarbonat, Acryl) mit einem Durchmesser von 7,6-30 cm und 1,2 mm Dicke. Je nach System sind die Information entweder in einer spiralförmigen Spur oder in mehreren konzentrischen Spuren abgelegt. Der Spurabstand beträgt z.B. bei der CD 1,6 µm. Die Informationen selber sind als Vertiefungen (" Pits") in der Oberfläche (" Land") der Disk eingepresst. Die Pressformen (Stempel) zur Herstellung von optischen Medien werden von gläsernen Mutterdisks ( Glassmaster) abgeleitet, in die die Pits mittels starker Laser (z.B. CO2-Laser) gebrannt wurden.
Nach dem Pressen werden die Scheiben auf der Prägeseite mit einem reflektierenden Material, meist Aluminium, beschichtet. Zum Schutz vor Umwelteinflüssen wird die reflektierende Schicht anschließend per Spin-Coating mit einem Schutzlack überzogen und meist im Siebdruckverfahren bedruckt.

Abb. 1.1.3: Größenvergleich der Strukturen von aktuellen optischen Medien
Abb. 1.1.3: Größenvergleich der Strukturen von aktuellen optischen Medien

 

Abbildung 1.1.3 zeigt einen Vergleich der Strukturgrößen und der Speicherdichten der aktuellen drei optischen Medien CD-ROM, DVD-ROM und BD-ROM. Eine (einlagige) Blu-ray Disc kann die Datenmenge von mehr als fünf DVDs oder 38 CDs aufnehmen. Um die Speicherkapazität pro Disk weiter zu erhöhen, wurden mehrlagige (Multilayer-) Medien entwickelt.

Abb. 1.1.4: Aufbau der wichtigsten optischen Medien

 Die äußere Datenebene (Layer 0, Abbildung 1.1.4) ist mit einer halbtransparenten Reflexionsschicht versehen. So kann der Laser, der die Disk liest, durch Layer 0 "hindurchschauen" und auf die innere Datenebene (Layer 1) fokussiert werden. Wenn das Wiedergabegerät eine mehrlagige optische Disk liest, startet es mit Layer 0. Der Spurbeginn ist innen auf dem Medium; erreicht der Laser-Pickup den äußeren Rand des Medium, fokussiert er auf Layer 1 und liest diese von Außen nach Innen. Das Nachfokussieren des Lasers beim Layer-Wechsel erfolgt so schnell, dass dieses nicht bemerkt werden kann.

1.2. Auslesen von optischen Medien

Zum Auslesen der Disk rotiert diese mit 200 bis zu 10'000 Umdrehungen pro Minute. Abhängig vom System kommen unterschiedliche Geschwindigkeitsregelungen zur Anwendung.
Beim CLV- ( Constant Linear Velocity = Konstante lineare Geschwindigkeit) Verfahren nimmt die Umdrehungsgeschwindigkeit der Disk abhängig von der Position des Laser-Pickup von Innen (z.B. CD: 495 U/min) nach  Außen (CD: 212 U/min) hin ab. Somit bleibt die vom Pickup gelesene Datenrate über das ganze Medium hinweg konstant.

Beim CAV- (Constant Angular Velocity = Konstante Winkelgeschwindigkeit) Verfahren bleibt die Umdrehungsgeschwindigkeit der Disk immer konstant. Dieses hat zur Folge, dass die gelesene Datenrate innen niedriger ist als am äußeren Rand der Disk.Das Auslesen der auf der optischen Disk befindlichen Informationen wird mit einem Laserstrahl vorgenommen. Die Wellenlänge (= Farbe) des Lasers muss zu den mechanischen Eigenschaften, genauer die Tiefe der Pits auf dem Medium, angepasst sein. Wie in Abb. 1.1.5 dargestellt, sollte die Tiefe der Pits auf dem Medium etwa ein Viertel oder die Hälfte der Wellenlänge des Lasers betragen.

Abb. 1.1.5: Auslesen der Spur eines optischen Speichers

Der Laserstrahl wird auf "Land" fokussiert. Trifft der Laserstrahl auf "Land" (Abb. 1.1.5 links), wird der Strahl total reflektiert. Die Phasenlage des reflektierten Lichts ist gleich der Phasenlage des einfallenden Laserstrahls. Im Prisma wird das reflektierte Licht auf einen Fotodetektor (Fotodioden-Array) umgelenkt. Durch die Gleichphasigkeit von einfallendem und reflektierten Licht beeinflussen sich diese gegenseitig nicht und das reflektierte Licht erzeugt am Fotosensor eine hohe Signalamplitude.

Bei der Kodierung der Informationen in Pits und Lands kommen mehrere Verfahren zum Einsatz. Bei analog aufgezeichneten Signalen können die Abstände der Pits zueinander beispielsweise die Nulldurchgänge einer FM darstellen. Damit ließe sich der Träger eines Videosignales kodieren.

Bei digitalen Signalen stellen die Pits und Land keineswegs die Bits direkt dar. Vielmehr liegt die Information in den Zustandsübergängen. So kodiert der Übergang von Pit nach Land oder von Land nach Pit eine 1, während keine Änderung eine Reihe von Nullen erzeugt. Bei digitalen Medien, insbesondere Datenmedien, sind die Daten meist durch mehrere Verfahren ( Redundanz, Verschachtelung, Reed Solomon-Kodierung, ...) vor Fehlern und Verfälschung, z.B. durch Schmutz oder Kratzer auf der Disk, gesichert.

Abb. 1.1.6: Ausgangssignale bei digitalen optischen Speichern

1.3. Aufbau eines typischen Laser-Pickups

Die Aufgabe des Laser- Pickups ist es, die analogen oder digitalen Daten auf der optischen Disk wiederzugewinnen. Der erzeugte Datenstrom wird dann in Ton, Bilder, Video oder auch Programmcode interpretiert. Im Gegensatz zur alten Vinyl-Schallplatte, wo der Pickup von einen Diamanten in der Spur geführt, arbeitet ein optischer Pickup berührungslos und muss über eine elektronische Steuerung in der Spur gehalten werden. Weiterhin sind die Strukturen auf den optischen Scheiben um etliche Potenzen kleiner als die auf einer Schallplatte. Für die Praxis bedeutet das, dass ausgeklügelte Servosysteme die Position und den Fokus des Pickups auf Bruchteile von Mikrometer genau um das Optimum herum halten müssen.

Abb. 1.1.4: Prinzipieller Aufbau eines Laser-Pickups
Abb. 1.1.4: Prinzipieller Aufbau eines Laser-Pickups

Abbildung 1.1.4  zeigt den prinzipiellen Aufbau eines optischen CD-Pickups älterer Bauweise. Bei modernsten Pickups können manche Komponenten nicht mehr vorhanden oder anders angeordnet sein.
Der Laserstrahl wird von einem Halbleiterlaser (Laserdiode) erzeugt und mit einem Beugungsgitter in einen Hauptstrahl und mehrere Nebenstrahlen aufgeteilt. Die Wellenlänge des Laserlichts beträgt 780 nm (DVD: 650 nm, Blu-ray: 405 nm). Die optische Leistung beträgt nur einige Milliwatt. Der erzeugte Strahl ist nicht rund, sondern zeigt eine Divergenz von ca. 10°x30° in X- und Y-Richtung. Als erstes passiert das Laserlicht ein polarisierendes Prisma, das nur das von der Disk reflektierte Licht auf den Fotosensor leitet. Die folgende Kollimator-Linse korrigiert die Divergenz des Laserstrahls und macht ihn zu einem parallelen Strahl.
Die Objektiv-Linse sitzt in einer kleinen Spule, die, wenn von Strom durchflossen, die Objektiv-Linse in zwei Richtungen, auf und ab, bewegen kann. Dieser kleine Aktuator funktioniert so ähnlich wie eine Schwingspule in einem Lautsprecher. Kleine Permanentmagnete erzeugen ein Magnetfeld. Zur Fokuskorrektur wird in die Spule ein definierter Strom mit einer definierten Richtung geschickt. Die Spule erzeugt ein elektromagnetisches Feld und wird vom Feld der Permanentmagnete in die entsprechende Richtung abgelenkt, bis der Fokus optimal ist. Ein weiterer, ähnlich konstruierter (hier nicht dargestellter) Aktuator korrigiert die laterale Abweichung des Lasers von der Spur.
Der kollimierte und auf die Datenschicht fokussierte Laserstrahl durchdringt den klaren Kunststoffkörper der Disk und wird von der aufgedampften Metallschicht reflektiert.

Das reflektierte Licht nimmt den gleichen Weg zurück bis es auf das polarisierende Prisma trifft. Bis zu diesem Punkt hat das reflektierte Licht zweimal durch das λ/4-Plättchen passiert (einmal auf dem Weg zur Disk, einmal als reflektiertes Licht). Das λ/4-Plättchen hat die Eigenschaft Laserlicht um eine Viertel Wellenlänge zu verzögern. Nach zweimaliger Passage hat das reflektierte Licht im Prisma eine Phasenverschiebung 180° gegenüber dem Licht aus der Laserdiode und wird deshalb vom polarisierenden Prisma auf den Fotosensor reflektiert.

Fokussierung des Lasers

Abb. 1.1.5: Fokussierung des Laserstrahls

Die Sensorfläche der Fotodiode im Pickup ist in mehrere Bereiche unterteilt. Auf jeder Fläche kann die einfallende Lichtmenge separat gemessen werden. Die zentrale Sensorfläche dieses Fotodioden-Arrays ist in vier Quadranten unterteilt. Hier trifft der Hauptstrahl auf aus dem das Datensignal generiert wird. Das Datensignal ist die Summe aus A+B+C+D (Abb. 1.1.7).
Die Messwerte werden zudem Komparatoren zugeführt, die daraus die Korrekturströme für den Fokusaktuator erzeugen. Der Fokus ist korrekt, wenn (A+C)-(B+D)=0 ist. Dieser Zustand tritt nur ein, wenn der Laser-Spot kreisrund ist.  Ist der Laser nicht korrekt fokussiert, verzerrt die zylindrische ("astigmatische") Linse vor dem Sensor den Strahl in seiner Längs- bzw. Querachse (Abb. 1.1.5). Durch die ellipsoide Verzerrung des Spots sinken die  Signalspannungen der entsprechenden Sensorflächen, was zu einer Veränderung der Fokuskorrekturspannung zum Fokus- Servo führt.

Tracking

Abb. 1.1.6: Spurlagekorrektur (Tracking) bei optischen Medien (oben: Spurlage falsch, mitte: Spurlage korrekt unten: Spurlage falsch)

Die vom Beugungsgitter erzeugten Nebenstrahlen sind vor und nach dem Hauptstrahl positioniert und seitlich etwas versetzt. Bei einer optimalen Spurlage (Tracking) sind die Ausgangssignale von E und F gleich groß (Abb. 1.6 Mitte). Weicht die Spurlage nach oben ab (Abb. 1.1.6 unten) wird die Lichtmenge in Sensorfeld E durch die geringere Reflektion der Pits verringert, während die Lichtmenge auf Feld F sich nicht verändert. Würde sich die Spurlage nach unten verschieben, wird Sensor F weniger Licht erhalten als Sensor E (Abb. 1.1.6 oben). Die in einem Komparator erzeugte Korrekturspannung steuert den Tracking-Servo an.

Abb. 1.1.7: Erzeugung des Datensignals und der Korrekturspannungen

1.4. Einmal- und Wiederbeschreibbare optische Medien

Das Grundprinzip der Speicherung von Daten auf optischen Medien beruht auf den in das Kunststoffsubstrat gepressten Vertiefungen, den Pits. Dieses Grundprinzip kann für beschreibbare und wiederbeschreibbare Medien nicht verwendet werden, da die Erzeugung solcher Vertiefungen (Ablation) sehr hohe Laserleistungen zum Schreiben erfordert. Auch wurden keine Materialien gefunden, die es gestatteten, bereits geschriebene Information wiederholt zu löschen.
Die Wirkung der Pits auf den Laserstrahl, nämlich die Änderung der Menge des reflektierten Lichts, kann allerdings auch über andere Wirkungsmechanismen nachvollzogen werden.

1.4.1. Beschreibbare Medien ("Recordable/writable Media")

Beschreibbare optische Medien sind optische Speicher auf die Daten geschrieben, aber nicht wieder gelöscht werden können (WORM = Write Once Read Multiple). Solche Medien werden zumeist zur Weitergabe oder Verbreitung von Einzelmedien und Kleinserien eingesetzt, da ein Glasmastering und Pressen von Datenträgern erst bei größeren Stückzahlen sinnvoll ist.
Beim "Brennen" von beschreibaren Medien werden mit einem starken Laserstrahl (5 mW (CD, 1x) bis 150mW (15fach DVD)) Zonen verminderter Reflektivität in einer Schicht  aus einem organischen Farbstoff (Dye) erzeugt. Beim Auslesen des Mediums kann der Wechsel von den eingebrannten Markierungen zur unversehrten Farbschicht (und umgekehrt) von einem Laser-Pickup wie ein Wechsel von "Pit" nach "Land" detektiert werden.

Farbstoffe zur Beschichtung von beschreibbaren Medien

Cyanin
Der Farbstoff der beim ersten weit verbreiteten WORM-Medium, der CD-R,  verwendet wurde, war Cyanin. Die aktive Schicht meist grün oder grünblau gefärbt. Die ersten Cyaninbeschichtungen  waren noch relativ instabil und empfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit und Lichteinflüssen (Sonnenstrahlen, Halogenlampen). Die Medien waren nicht zur Archivierung von Daten geeignet. Später wurden Mischen mit metallstabilisierten Cyanin entwickelt, die eine weitaus höhere Langlebigkeit zeigen. 

Phthalocyanin
Phthalocyanin ist ebenfalls ein organischer Farbstoff und zeichnet sich durch hohe chemische und thermische Stabilität aus. Die Farbe der Medien ist meist gold, silbrig oder leicht grün. Phthalocyanin ist der heute am meisten zur Herstellung von beschreibbaren Medien verwendete Farbstoff. Mit Phthalocyanin beschichtete Medien sollen bei richtiger Lagerung über 100 Jahre lang lesbar sein.

Azofarbstoffe
Azofarbstoffe sind synthetische Farbstoffe. Azo-beschichte Medien erschein blau oder violett. Die Haltbarkeit von Azo-beschichteten Medien soll mehrere Jahrzehnte betragen.

1.4.2. Wiederbeschreibbare optische Medien

Abb. 1.1.7: Funktionsprinzip von Phase-Change-Speichern (nach [3])

Als besonders effektiv erwiesen sich bestimmte, 1968 von S. R. Ovshinsky entdeckte, chalkogenide ("erzschaffende") Verbindungen von Selen (Se) und Tellur (Te). Solche Verbindungen, beispielsweise aus AgInSbTe oder AgInSbSeTe, weisen abhängig von der Temperatur (= Phase) aus der die Erstarrung erfolgte, unterschiedliche Gitterstrukturen auf. Die Atome richten sich entweder geordnet/ kristallin oder  ungeordnet/ amorph aus. Mit der Struktur ändern sich auch die optischen Eigenschaften (Reflektivität) und elektrischen Eigenschaften (elektr. Widerstand). Stoffe mit solchen Eigenschaften werden als Phase-Change-Materialien bezeichnet. Als Dünnfilmbeschichtung kann der Phase-Change-Effekt als Speicher oder Schalter (" Ovonic Memory") genutzt werden.

Abb. 1.1.8: Markierungen auf einem Phase-Change Disk Medium
Abb. 1.1.8: Markierungen auf einem Phase-Change Disk Medium (nach [3])

Abb. 1.1.7 und 1.1.8 zeigen das Funktionsprinzip von Phase-Change-Speichern.
Nach dem Erhitzen einer festen Substanz bis zu Ihrer Schmelzpunkttemperatur wird bei dieser Temperatur Schmelzwärme aufgenommen, ohne dass die Temperatur weiter ansteigt. Diese Form von Wärme wird latente Wärme (Enthalpie) genannt, weil diese keine Temperaturänderung bewirkt. Die Menge der latenten Wärme  ist im amorphen Zustand höher als im kristallinen Zustand. Ändert sich die Struktur vom amorphen zum kristallinen Zustand, steigt die Reflektivität. Diese Differenz kann mit einem normalen Laser-Pickup detektiert werden (Abb. 1.1.9).

Schreiben einer Markierung
Abb. 1.1.9 Lesen eines Phase-Change Disk Mediums
Abb. 1.1.9 Lesen eines Phase-Change Disk Mediums

Bestrahlt ein Schreiblaser eine kristalline Beschichtungsstelle (a) mit hoher Leistung, steigt die Temperatur über den Schmelzpunkttemperatur tm und der Zustand ändert sich von (b) nach (c) und (d, bei GeTe-Sb2Te3-Sb etwa 600°). Bewegt sich der Laserspot weiter, sinkt die Temperatur sehr schnell über die Zustände ((c) und (e) auf Raumtemperatur (f) ab. Erfolgt die Abkühlung  ausreichend schnell, erstarrt die Beschichtungsstelle im amorphen Zustand. Die Abkühlgeschwindigkeit ist abhängig von den verwendeten chemischen Elementen und deren Anordnung im Gitter.

Löschen einer Markierung

Bestrahlt ein Schreiblaser eine amorphe Markierung (f) mit niedriger Leistung, steigt deren Temperatur bei (e) über die Glastemperatur tg. Die amorphe Markierung wandelt sich in den kristallinen Zustand um und die Markierung ist gelöscht (Abb. 1.1.8).
Standard Phase-Change Disk Medien erlauben ein mehrere 100'000-maliges Überschreiben von Markierungen.

Aufbau von Phase-Change-Medien
Abb. 1.1.10: Querschnitt eines typischen Phase-Change Disk Mediums

Abb. 1.1.10 zeigt den Querschnitt eines grundlegenden Phase-Change Disk Mediums (hier dargestellt: DVD-RW) mit vier Schichten. Dies sind die untere dielektrische Schicht (aus ZnS-SiO2), die aktiven Schicht (aus GeTe-Sb2Te3-Sb), die oberen dielektrischen Schicht (aus ZnS-SiO2) und der reflektierenden Schicht aus einer Aluminiumlegierung. Die dielektrischen Schichten sollen die aktive Schicht isolieren und die mechanische Verformung der aktiven Schicht beim Schreiben der Markierungen kompensieren.

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Auszug aus der Patentschrift von David P. Gregg: Quelle: Google Patents
http://www.google.com/patents/US3430966

[2] Mikroaufnahme einer gepressten CD: Lizenz: Public Domain via Wikimedia Commons,
Quelle: "AREM_CD_GEPRESST.jpg" by Bigdaddy1234; processed by Akroti
http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AREM_CD_GEPRESST.jpg

[3] Quelle: T.Ohta, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials Vol. 3, No. 3, Sept.01

 

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