Herstellung, Aufbau und Funktion optischer Speichermedien

 
Die Vielfalt optischer Speichermedien ist riesig. Unmittelbar springen Begriffe wie CD (Compact Disc) oder DVD (Digital Versatile Disc) in den Sinn, obwohl optische Speicher bereits vor unzähligen Jahren vorhanden waren, denn schon vor Ewigkeiten wurden Informationen mithilfe von Licht festgehalten und weitergegeben.

Und genau dies entspricht der Definition und Funktion eines optischen Speichermediums – auch aus heutiger Sichtweise. Bücher, Kunstgemälde, ja sogar Keilschrift oder Wandmalereien hielten Daten und Informationen bereit, die nur unter Zuhilfenahme von Licht erfassbar waren.

Bildquelle: Bushmen rock painting, Drakensberg mountains © EcoView - Fotolia

Bildquelle: Bushmen rock painting, Drakensberg mountains © EcoView – Fotolia

Das Entschlüsselungsinstrument zum Lesen der Informationen war und ist das menschliche Auge. Bei den bereits erwähnten, eher archaisch anmutenden optischen Informationsträgern handelt es sich allerdings um analoge optische Speicher.

Zum Auslesen von digitalen Informationen bedarf es spezieller Lesegeräte. Um die Daten der menschlichen Wahrnehmung zugänglich zu machen, müssen diese durch technische Systeme in ein leserliches oder auch hörbares Format übertragen werden.

Dieser technisch sehr anspruchsvolle Prozess kann jedoch nur vonstattengehen, wenn die optischen Datenträger derartig konstruiert sind, dass sie von Fotodetektoren in Laufwerken durch den physikalischen Prozess der Lichtreflexion ausgelesen und an einen Prozessor weitergeleitet werden können.

Zielsetzung der anschließenden Ausführungen soll es sein, das technisch diffizile Herstellungsverfahren von optischen Datenträgermedien zu erläutern, konkret auf den Aufbau und die Funktion optischer Speichermedien einzugehen und schlussendlich einen Blick in eine mögliche Zukunft der optischen Datenspeicherung zu werfen.

Name Kürzel Kapazität (Durchschnitt) Zeitraum
Laserdisc LD 300 MB 1971 – 2001
Compact Disc CD 650–900 MB seit 1981
MiniDisc MD 140 MB seit 1989
Magneto Optical Disc MOD 0,1–16,7 GB seit 1990
Phasewriter Dual PD 600 MB 1995–1999
Digital Versatile Disc DVD 4,7–17 GB seit 1995
Laser Intensity Modulation Direct OverWrite Limdow-Disc 2,6 GB seit 1996
GD-ROM 1,2 GB seit 1997
Fluorescent Multilayer Disc 1998–2003
Versatile Multilayer Disc VMD 5–20 GB 1999–2010
Ultra Density Optical UDO 30–60 GB seit 2000
TeraDisc 2000–2008
HD-FVD FVD 5,4–15 GB seit 2001
Blu-ray Disc BD 25–100 GB seit 2002
Professional Disc for Data PDD 23 GB 2003–2006
Digital Multilayer Disk 2004–2007
Multiplexed Optical Data Storage MODS-Disc seit 2004
Universal Media Disc UMD 900 MB – 1,8 GB seit 2004
Holographic Versatile Disc HVD seit 2004
Protein-coated Disc PCD seit 2005
M-DISC 4,7 GB (DVD-Format), 25 GB (Blu-Ray-Format) seit 2009

Quelle: wikipedia.de

Die Geschichte der optischen Speicher beginnt im Grunde mit der Erfindung der Laserdisc in den 1970/80er Jahren, führt weiter zur CD-ROM (Read Only-Memory) und über einfach und mehrfach beschreibbare Datenträger bis zur Entwicklung der modernen Blu-ray-Disc, die ebenfalls als Vorstufe zukünftiger optischer Speichermedien anzusehen ist.

Außerhalb dieser Ereignisgeschichte fanden Bemühungen zur Entwicklung alternativer optischer Datenträger nur wenig Erfolg, häufig aufgrund technischer Schwierigkeiten oder komplizierter und kostenintensiver Fertigungsprozesse. Im Folgenden stehen lediglich die kommerziell am häufigsten genutzten optischen Datenträger im Fokus: die Compact Disc (CD), die Digital Versatile Disc (DVD) sowie zum Teil die Blu-ray-Disc (BD).
 

 

CD Herstellung
Bild CD-Produktion und CD Pressung - MK DiscPress
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DVD Herstellung
DVD Pressung und DVD Produktion bei MK DiscPress
DVD Pressung im Presswerk:
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Funktion und Aufbau optischer Datenträger – die CD

Seit dem Zeitpunkt, als es das erste Musikalbum im CD-Format in die industrielle Fertigung schaffte, was übrigens das Album „The Visitors“ von ABBA gewesen ist, hat sich am Aufbau einer CD nichts geändert. Die Produktion des ersten optischen Datenträgers mit digitalem Informationsgehalt in Form einer Pressung lief sogar noch vor Veröffentlichung des ersten CD-Players an.

Bildquelle: abba postage stamp © sirylok - Fotolia

Bildquelle: abba postage stamp © sirylok – Fotolia

Eine Standard-CD wiegt heute wie damals ziemlich genau 18 Gramm, ist gerade einmal 1,2 mm dick und besitzt einen Durchmesser von 120 mm. Das so charakteristische Mittelloch des Mediums weist einen Durchmesser von 15 mm auf. Betrachtet man die CD während des Abspieles von der Datenseite aus, so bewegt sich diese entgegen des Uhrzeigersinns. Ihr Aufzeichnungsbereich liegt zwischen 46 und 117 mm. Dieser unterteilt sich in drei große Abschnitte: dem Lead-In, dem Datenbereich sowie dem Lead-Out.

Bildquelle: mkdiscpress.de

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  • Lead-In: Der Lead-In ist der physikalische Startpunkt jedes Brenndurchgangs (Session). Hier findet sich das Inhaltsverzeichnis der CD, das sogenannte TOC, wieder. Des Weiteren ist hier festgelegt, ob es sich um eine Single- oder Multi-Session-CD handelt. Sofern eine CD noch nicht abgeschlossen ist, ist es möglich, weitere Sessions anzuhängen, die beim Lead-In beginnen. Das Lead-In nimmt einen Bereich von 4.500 Sektoren oder 9 Megabyte bzw. circa einer Minute ein.
  • TOC: TOC steht für table of contents. Es ist das Inhaltsverzeichnis der CD, speichert beispielsweise den Startpunkt und das Ende jedes Tracks.
  • Track: Jede CD besteht mindestens aus einem Track. Bei einer Single-CD ist es genau ein Track, Multi-Session-CDs können mehrere Tracks vorweisen. Bei Daten-CDs handelt es sich um Datentracks, bei einer Audio-CD um Audio-Tracks.
  • Lead-Out: Das Lead-Out markiert das physikalische Ende des Datenträgers und ist der Endpunkt jeder Session. Es nimmt 6.750 Sektoren ein, was 13 Megybyte oder 1,5 Minuten entspricht.

Der physikalische Aufbau ist universal für jede Compact Disc gültig. Mit bloßem Auge ist der sogenannte Schichtenaufbau jedoch nicht zu erkennen. Obwohl man es kaum glauben mag, setzt sich die herkömmliche Compact Disc (CD-ROM) aus insgesamt vier Schichten zusammen. Besonderheiten von einfach und mehrfach beschreibbaren Varianten werden im Kapitel „CD brennen – Datenträger eigenständig duplizieren“ gesondert behandelt.

Grundlage bildet immer ein Trägermaterial, ein Kunststoff, welches einen Lichtbrechungsindex von genau 1,55 für die Pressung oder den Brennvorgang aufweisen muss. Die Trägerschicht nimmt den größten Teil des insgesamt 1,2 Millimeter dicken Silberlings ein. Die eigentliche Datenspur befindet sich allerdings in der daraufliegenden Metallschicht, die gerade einmal 0,05 bis 0,1 μm dick ist.

Diese Legierung besteht in der Regel aus Aluminium. Mitunter wird jedoch auch Messing verwendet, was manchen Platten das charakteristische goldfarbene Aussehen beschert. Oberhalb der Legierung liegt eine UV-unempfindliche Schutzschicht, ein Lack, der 10 bis 30 μm dick ist und schlussendlich als Trägermaterial für das Label fungiert, das mit einer Stärke von circa 5 μm den Abschluss des optischen Datenträgers bildet.

Bildquelle: mkdiscpress.de

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Datenrepräsentation durch Lands und Pits

Manch einem mag es ein Rätsel sein, wie sich auf solch einer kleinen Scheibe eine Vielzahl unterschiedlicher Datenarten speichern lässt. Sämtliche Daten sind auf der CD in einer Spur festgehalten, die von innen nach außen verläuft. Bei einer Standard-CD beträgt der Spurabstand einer CD 1,6 μm. Sie ist standardmäßig 6,4 Kilometer lang und weist 22.188 Windungen auf.

Fährt man die Datenspur mit einem Rasterelektronenmikroskop ab, so entdeckt man kleine Erhebungen und Vertiefungen in der Metallschicht. Jede einzelne Vertiefung bekommt die Bezeichnung Pit. Der Bereich zwischen den Pits wird als Land bezeichnet.

Bildquelle: Data disc background © Сake78 (3D & photo) - Fotolia

Bildquelle: Data disc background © Сake78 (3D & photo) – Fotolia

Bleibt die Frage offen, wie die Daten schlussendlich ausgelesen werden können. Die Antwort zeigt letztendlich, warum es sich bei der CD um einen optischen Datenträger handelt:

Um eine CD lesen zu können, muss diese durch Pits und Lands moduliert sein. Dieser Wechsel in der physikalischen Struktur des Datenträgers, der sich durch unterschiedliche Reflektionseigenschaften von Licht manifestiert, repräsentiert das Datenabbild der Compact Disc.

Die Daten werden mithilfe eines Fotodetektors aufgenommen, der die Intensität der Reflexionsstrahlung zwischen Pit und Land auswertet, weswegen in diesem Fall auch von Datenrepräsentation gesprochen wird. Mithilfe der photoelektrischen Zelle wird das Signal an einen Prozessor weitergegeben, wo daraufhin ein binärer Code generiert wird, der die Grundlage zur Verarbeitung der digitalen Information bildet.

Fälschlicherweise wird davon ausgegangen, dass Pits und Lands die logischen Werte 1 bzw. 0 repräsentieren. Eigentlich wird die digitale 1 durch den Übergang von Pit zu Land und andersherum definiert. Alle anderen Zustände erhalten den logischen Wert 0.

Bildquelle: mkdiscpress.de

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Aus der Datenrepräsentation und dem oben abgebildeten Schema ergibt sich, dass auf dem optischen Datenträger keine zwei Einsen hintereinander stehen können. Aus rein technischen Gründen ist es zwingend notwendig, dass innerhalb der Datenstruktur einer CD nach dem logischen Wert 1 immer mindestens zwei Nullen folgen müssen. Andernfalls könnten die Daten nicht ausgelesen werden.

Spurabschnitte werden in sogenannte Bitzellen unterteilt, die eine jeweilige Länge von 0,2776 μm vorweisen. Der Wechsel von Pit zu Land bzw. Land zu Pit wird in diesem Fall als Kanalbit-Eins bezeichnet. Ein Kanalbit entspricht der kleinsten Zeiteinheit, die auf der CD verwendet wird. Das Kanalbit stellt genau 1/4,321,800 Sekunden dar.

Erfolgt allerdings kein Wechsel, steht dies für eine logische Kanalbit-Null. Genau wie nach jedem logischen Wert 1 mindestens zwei Nullen erfolgen müssen, dürfen maximal zehn Kanalbits-Nullen aufeinander folgen, da andernfalls auch hier Schwierigkeiten beim Auslesen eintreten würden.
 

Eight-to-fourteen-Modulation

Es erschließt sich also, dass eine maximale und minimale Anzahl an Kanalbit-Nullen zwischen zwei Kanalbit-Einsen definiert ist. Daraus ergibt sich jedoch, dass es nicht möglich ist, ein Byte durch acht Kanalbits zu kodieren. Denn ist bekannt, dass mit einem Byte insgesamt 28=256 unterschiedliche Werte dargestellt werden können.

Verwendet man hingegen 14 Bits, so würden aus den 16.384 denkbaren Kombinationen lediglich 267 Varianten die notwendigen Bedingungen der Datenstruktur der CD erfüllen. Um also gewährleisten zu können, dass bei 14-Bit-Codewörtern der Abstand zwischen zwei Kanalbit-Einsen eingehalten wird, werden sogenannte Trennbits eingefügt (000, 001, 010 oder 100). Die Methode, acht Anwenderbits durch 14 Kanalbits darzustellen, bezeichnet man als Eight-to-fourteen-Modulation. Die drei Trennbits mit einberechnet, werden folglich insgesamt 17 (14+3) Bits benötigt, um ein Byte auf der CD zu repräsentieren.

Dezimal Hex Binär Eight to Fourteen Modulation
0 00 00000000 01001000100000
1 01 00000001 10000100000000
2 02 00000010 10010000100000
3 03 00000011 10001000100000
4 04 00000100 01000100000000
5 05 00000101 00000100010000
6 06 00000110 00010000100000
7 07 00000111 00100100000000
8 08 00001000 01001001000000
9 09 00001001 10000001000000
10 0A 00001010 10010001000000
11 0B 00001011 10001001000000
12 0C 00001100 01000001000000
13 0D 00001101 00000001000000
14 0E 00001110 00010001000000
15 0F 00001111 00100001000000

Tabelle: Auszug aus der Modulationstabelle. Quelle: physics.udel.edu

Damit es überhaupt möglich ist, Daten bei der Pressung oder dem Brennen der Disc effektiv speichern zu können, werden mehrere Bytes zu gemeinsamen Bereichen, den sogenannten Frames, zusammengefasst. Sie setzen sich jeweils aus 588 Kanalbits zusammen, von denen allerdings nur 408 Bit nutzbare Daten enthalten.

Die nächstgrößere Einheit sind Sektoren, die sich aus 98 Frames zusammensetzen. Ein herkömmliches Singlespeed-Laufwerk ist imstande, 75 Sektoren in der Sekunde auszulesen. Die konkrete Adressierung von Sektoren kann daher sehr präzise über die Zeit gesteuert werden.

Die ersten 12 Bytes eines Sektors werden grundsätzlich als Synchronisierungsdaten für CD-Player benötigt. Drei Bytes werden zu Adressierungszwecken verwendet, 2048 Byte sind Nutzdaten und 288 Bytes dienen zur Fehlererkennung und Fehlerkorrektur. Demzufolge umfasst ein Sektor genau 2352 Byte, die für Nutzdaten verwendet werden können.
 

Auslesen von Daten auf der CD

Zum Auslesen einer CD fährt ein infraroter Laser mit der Wellenlänge 780 nm über die Pitstruktur. Dabei tastet sich der Laser entlang der Rückseite des optischen Datenträgers voran, wobei eine sehr präzise Fokussierung vonnöten ist, um korrekt ablesen zu können. Dieser hochkomplexe Mechanismus ist unter der Bezeichnung Pick-up bekannt. Mittlerweile gibt es unterschiedliche technische Umsetzungen der Pick-up-Methode, wobei der Verlauf des Lasers aber grundsätzlich immer derselbe bleibt. Im Folgenden soll nur eine mögliche Abtastmethode vorgestellt werden.

Bildquelle: CD / DVD burning concept © Nmedia - Fotolia

Bildquelle: CD / DVD burning concept © Nmedia – Fotolia

Beim Lesen der CD wird das Laserlicht der Diode mithilfe einer Linse und eines Strahlleiters fokussiert und polarisiert. Die Kollimatorlinse ordnet die divergierenden Lichtstrahlen parallel an und das nach dem Strahlleiter angeordnete λ/4-Plättchen dreht das polarisierte Licht. Eine weitere Linse bündelt das Laserlicht und fokussiert dieses auf den optischen Datenträger, von wo es zurück zum λ/4-Plättchen reflektiert wird.

Bildquelle: mkdiscpress.de

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Die Intensität der Reflektion hängt davon ab, ob das Licht auf Pit oder Land trifft. Das λ/4-Plättchen ist nun imstande, die Polarisation des reflektierten Lichts von der CD erneut zu drehen und verhindert dadurch, dass dieses zurück zur Laserdiode geworfen wird. Durch den Strahlleiter gelenkt, findet das reflektierte Licht seinen Zielort beim Fotodetektor, wo letztendlich ein elektrisches Signal erzeugt wird, aus welchem sich eine konkrete Information extrahieren lässt.

Trifft das Licht ausgehend von der Laserdiode nach dem Durchlaufen des Objektivsystems auf die Unterseite der CD, so besitzt der Lichtpunkt des Lasers einen Durchmesser von 0,8 mm. Allerdings ist dieser Wert zu groß, um die sehr kleinen Strukturen der Pits zu erfassen. Notwendig wäre ein Durchmesser von maximal 1.7 μm.

Bildquelle: mkdiscpress.de

Bildquelle: mkdiscpress.de

Die physikalische Beschaffenheit der CD selbst ist es, die diesen Umstand günstig beeinflusst. Trifft das Licht des Lasers auf das Trägermaterial, so weist dieses an jeder Stelle einen punktuellen Lichtbrechungsindex von 1,55 auf. Der Brechungseffekt beim Auftreffen des Lichts auf die Kunststoffschicht bricht das Licht auf das notwendige Maß.

Aus dieser physikalischen Beschaffenheit heraus ergibt sich die Antwort auf die Frage, warum kleinere Verunreinigungen oder Beschädigungen wie Kratzer nicht zwangsläufig dazu führen, dass die Daten der CD nicht mehr ausgelesen werden können. Denn eine Änderung der Lichtbrechung träte erst bei Beschädigungen ein, die Schaden in einer Größenordnung von mehr als 0,5 mm Tiefe an der Trägerschicht herbeiführen würden.

Von der CD zur DVD

Bildquelle: background of the DVD © Kuleshin - Fotolia

Bildquelle: background of the DVD © Kuleshin – Fotolia

Es ranken sich vielerlei Mythen, was letztendlich genau dazu führte, dass Wissenschaft und Technik Überlegungen anstellten, wie das begrenzte Speichervolumen von circa 650 bis 700 Megabyte einer CD aufgestockt werden könnte. Was letztendlich auch zu den ersten Überlegungen geführt hat, am Ende der Entwicklung wurde die Digital Versatile Disc, die DVD, auf den Markt gebracht, die gleich mehrere Gigabyte Daten speichern konnte und ein neues Zeitalter optischer Datenspeicherung einläutete.

Wer bedenkt, dass die DVD sich zumindest auf den ersten Blick kaum von der CD unterscheidet, mag ins Stutzen kommen. Wie ist es möglich, dass sich deutlich mehr Informationen auf eine DVD schreiben lassen, wenn der Aufbau von CD und DVD identisch ist?

Der limitierende Aspekt für die Begrenzung von Speicherdichte auf optischen Datenträgern stellt das optische Auflösungsvermögen dar, welches maßgeblich durch die Wellenlänge des Lichts und die numerische Apertur bestimmt wird. Genau diese Problematik konnte durch eine technische Weiterentwicklung bei der DVD gelöst werden.
 

Das Problem des optischen Auflösungsvermögens

Aus den vorangegangenen Ausführungen wurde bereits ersichtlich, dass die Speicherkapazität eines optischen Datenträgers durch die Anzahl der Pits und Lands determiniert wird, welche als Informationsträger dienen und das Datenabbild eines optischen Speichermediums darstellen. Diese ordnen sich in einer Datenspur an. Um die Speicherkapazität des Mediums zu erhöhen, wurde die Überlegung angestellt, dass der Abstand zwischen den Spurrillen verringert werden könnte. Hierdurch ließen sich mehr Pits und Lands als Informationsabbilder auf einem gleich großen Datenträger übertragen, wodurch sich die Speicherkapazität erhöhen ließe.

Leider hätte diese Idee dazu geführt, dass sich Daten nicht mehr auslesen ließen. Sind die Pits und Lands wesentlich kleiner als der Lichtspot des Lasers, können die Daten nicht extrahiert werden.

Der kleinstmögliche Abstand zwischen den einzelnen Spuren lässt sich mathematisch durch folgende Formel errechnen:

dmin = lambda / AN

Lambda steht für die Wellenlänge des Lichts, AN beschreibt hingegen die numerische Apertur. Diese setzt sich zusammen aus dem Produkt von n, dem Brechungsindex des vom Laser durchstrahlten Trägermaterials, mit dem Quotienten des Objektivradius r und dem Abstand der Datenschicht zur Fokussierungslinse f.

AN = n · r / f

Aus den Gleichungen lassen sich zur Optimierung der Speicherkapazität bei gleichgroßem Datenträger folgende logische Schlussfolgerungen ziehen:

Die Speicherkapazität kann durch…

  1. Verkleinerung der Wellenlänge des Laserlichts erzielt werden, sodass der Laser Pits und Lands erfassen kann.
  2. Veränderung der numerischen Apertur bzw. Verringerung des Abstands zwischen Trägermaterial und Linse erreicht werden.

Eine Veränderung in der numerischen Apertur war allerdings durch die dafür notwendigen Linsen beschränkt, was technisch erst heutzutage umgesetzt werden kann. Weitaus bessere Möglichkeiten sah man in einer Veränderung der Wellenlänge verwendeter Laser. Heutzutage finden sich sogenannte Halbleiterlaser (Laserdioden) in nahezu jedem modernen Computersystem. Aktuell können nur Halbleiterlaser kostengünstig produziert werden und sind klein genug, um in modernen Laufwerken Platz zu finden.

Somit war eine Möglichkeit gefunden worden, wie die durch geringere Spurenführung optimierte Datendichte auf einem optischen Datenträger physikalisch greifbar gemacht werden konnte. Zwar unterscheiden sich CD, DVD und sogar Blu-ray auch in ihrem grundsätzlichen physikalischen Aufbau voneinander, Kernunterschied zwischen den optischen Datenträgern ist jedoch die Verwendung von Lasern mit unterschiedlicher Wellenlänge zum Auslesen der Datenbestände.
 

Aufbau einer DVD

Bezüglich der Abmessungen unterscheidet sich eine DVD in keiner Weise von einer CD. Beide Datenträger sind optisch kaum zu unterscheiden.

Im Gegensatz zur CD besteht die DVD allerdings aus zwei transparenten Trägerschichten, die an der Rückseite miteinander verklebt sind. Dabei ist jede einzelne dieser Schichten imstande, zwei Datenschichten aufzunehmen, was praktisch aber nur sehr selten umgesetzt wird.

Wird sich für die doppelte Datenauflage entschieden, so wird die erste Schicht mit einer Dicke von 0,05 bis 0,1 μm aufgetragen. Sie besitzt die Eigenschaft, sowohl reflektierend als zum Teil auch transparent zu sein.

Über der ersten Datenschicht wird eine zweite transparente Schicht aufgesetzt, die eine Dicke von 55 μm vorweist. Erst dann folgt die letzte Datenschicht, die 0,05 bis 0,1 μm dick und vollreflektierend ist.

Im Vergleich zur CD werden DVDs nicht mit einem UV-unempfindlichen Lack ausgestattet, weswegen sie Umwelteinflüssen weniger geschützt gegenüberstehen. Im offenen Handel verkaufte DVDs besitzen zumeist nur eine Datenschicht. Hierdurch entfällt die zweite transparente Schicht. Nur bei diesen Varianten ist es möglich, Grafiken, Logos, Schrift und mehr auf die Oberfläche zu platzieren, was erklärt, warum die volle Speicherkapazität der DVD nur selten ausgenutzt wird.

Zum Lesen von DVDs werden Laser mit einer Wellenlänge von 650 nm verwendet. Dadurch ist es möglich, kleinere Strukturen der Datenträgerebene auszulesen. Die kleineren Pits und Lands ermöglichen demzufolge eine höhere Datendichte. Minimale und maximale Pitlänge betragen bei der DVD 0,4 bzw. 1,87 μm.
 

Lesen einer DVD

Bildquelle: Record © Petrovich12 - Fotolia

Bildquelle: Record © Petrovich12 – Fotolia

Handelt es sich um eine einschichtige DVD, so läuft der Lesevorgang wie bei der CD ab. Bei einer zweischichtigen DVD ist der Vorgang jedoch etwas komplizierter.

Zuerst fokussiert sich der Laser auf die tiefer liegende reflektierende Datenschicht. Die halbdurchlässige Schicht wird dabei vorerst ignoriert. Dabei verläuft der Leseprozess von innen nach außen. Konträr dazu liest der Laser die Daten der halbdurchlässigen Schicht in umgekehrter Richtung aus. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Lesekopf sich während des Lesens neu positionieren muss. Auch die Umdrehungsgeschwindigkeit der Disc muss für diesen Vorgang nicht angepasst werden.
 

Fertigung eines optischen Datenträgers

Entscheidend für den kommerziellen Durchbruch optischer Datenträger war die Möglichkeit, die Medien durch kostengünstige industrielle Prozesse herzustellen. Mittlerweile werden optische Datenträger als Massenware vornehmlich durch das Verfahren des Spritzpressens gefertigt. Sicherlich hat ein jeder schon einmal von einem CD-Presswerk gehört.

Allerdings spielt nicht nur der Fertigungsprozess der Pressung eine zentrale Rolle, sondern auch das verwendete Material. Besonders an das Trägermaterial werden während der Produktion hohe Anforderungen gestellt. So muss es nicht nur kostengünstig in der Produktion und Beschaffung sein, sondern zugleich über chemische Eigenschaften verfügen, welche den Fertigungsprozessen der Pressung standhalten können und die speziellen Bedingungen erfüllen, die beim Auslesen der Datenspur gefordert sind. Zu diesen Materialeigenschaften zählen:

  • Optische Homogenität
  • Lichtdurchlässigkeit
  • Niedrige Viskosität

 

Das Trägermaterial Polycarbonat

Bild: blaues + schwarzes Kunststoffgranulat © digitalstock - Fotolia

Bild: blaues + schwarzes Kunststoffgranulat © digitalstock – Fotolia

Mittlerweile hat sich zur DVD- wie auch CD-Produktion durch Pressung das Trägermaterial Polycarbonat durchgesetzt. Bei Polycarbonat (PC) handelt es sich um ein Polyester, das durch Polykondensation aus Bisphenol A und Phosgen (OCCl2) hergestellt wird. PC weist eine hohe Schlagfestigkeit und Wärmeformbeständigkeit auf. Letzteres ist besonders bei der Wiedergabe durch CD-Abspielgeräte wichtig.

Des Weiteren kann Polycarbonat eine günstige Doppelbrechung zugeschrieben werden. Dies umfasst das Auftreten von Brechzahlen aufgrund der Eigenspannung und Anordnung der Makromoleküle, die letztendlich zu Phasendifferenzen führen und Fehler während des Lesevorgangs verursachen können. Beim industriellen Fertigungsverfahren des Spritzgießens tritt diese mechanische Verspannung bei Polycarbonat-Schichten kaum auf.

Zu den weiteren Produktionsstoffen beim Pressen zählen Metalle und Legierungen als Reflexionsschichten sowie Lacke, die zum Schutz der Reflexionsschicht dienen. Bei der Produktion einmalig wiederbeschreibbarer Datenträger wie CD-R und DVD-R ist zudem ein spezieller Farbstoff vonnöten.
 

Industrielle Herstellung von Datenträgern durch das Spritzguss-Verfahren

Die Herstellung der glänzenden Silberlinge ist faszinierend, wird in einem CD-Presswerk umgesetzt und bezeichnet die Replikation eines Datenträgers. Mittlerweile lassen sich die Datenträger sogar farblich unterschiedlich gestalten. Die Herstellung kann dabei auf zwei unterschiedliche Arten erfolgen.

  • Spritzprägeverfahren: Hierbei werden die die Pitstrukturen, die als Informationsträger dienen, in die Polycarbonatscheibe gepresst.
  • Spritzgußverfahren: Dieser Fertigungsprozess wird auch als Injection Molding bezeichnet. Das Polycarbonat wird dabei auf circa 350 Grad Celsius erhitzt und im flüssigen Aggregatzustand in eine individuelle Matrize gefüllt. Durch Erkalten des Trägermaterials entsteht die fertige Polycarbonatscheibe samt fertiger Datenstruktur.

Bei beiden Fertigungstechniken besitzt der optische Datenträger schlussendlich sämtliche Informationsdaten, sodass ein abschließendes Brennen des Speichermediums nicht mehr vonnöten, ja sogar gar nicht mehr möglich ist.

Produktionsschritte zur Herstellung einer CD im Überblick:

  • Vorbereitung: Im Spritzgussverfahren muss das Polycarbonat, das in der Regel als Granulat vorliegt, für mindestens zwei Stunden in einem Silo auf 120 Grad Celsius erwärmt werden.
  • Plastifizieren: In der Spritzgussmaschine sorgen Heizwiderstände letztendlich für eine Erwärmung auf 320 bis 350 Grad Celsius, was eine Änderung des Aggregatszustands von fest zu flüssig herbeiführt.
  • Einspritzen und Nachdrücken: Unterhalb der Spritzgussmaschine befindet sich eine motorbetriebene Presse, die den Kunststoff in die Gussform drückt. Die Spritzgussform setzt sich wiederum aus zwei Teilen zusammen, einem festen und einem beweglichen Element, sodass das Endprodukt nach der Fertigung ausgegeben werden kann.
  • Abkühlen: Ein integriertes Kühlsystem sorgt letztendlich für das Erkalten des Kunststoffes und somit für die Aushärtung des Polycarbonats.
  • Entformen: Innerhalb der Gussform befindet sich ein sogenannter Stamper, der für die Spiralbildung auf der Polycarbonatscheibe verantwortlich ist. Bevor das Endprodukt mechanisch aus der Gussform geworfen wird, sorgt ein Schneidewerkzeug mit einer Schneide von 0,8 Millimeter Stärke für die Entfernung überstehender Produktionsreste.

Schlussendlich werden die Strukturen noch mit einem reflektierenden Material mittels eines Dampfverfahrens beschichtet. Hierfür wird sehr häufig Aluminium verwendet. Anschließend sorgt eine Schicht in Form eines Lacks für den Schutz der Polycarbonatscheibe und bewahrt diese vor mechanischen Beschädigungen und Umwelteinflüssen.
 

Qualitätskontrolle CD

Bildquelle: CD/DVD prüfen, Daten suchen © blobbotronic - Fotolia

Bildquelle: CD/DVD prüfen, Daten suchen © blobbotronic – Fotolia

Beim Spritzguss-Verfahren handelt es sich um einen komplizierten technischen Ablauf. Wer bedenkt, wie fein die Datenstruktur einer CD ausfällt, dem wird ersichtlich, dass präzise Fertigungstechniken und hochmoderne Gerätschaften zur CD Produktion vonnöten sind. Qualitätskontrollen sind daher bei solche Produktionen unerlässlich, bestimmen sie doch letztendlich die Leserlichkeit eines optischen Datenträgers im Laufwerk.

Während der Prüfung werden optische sowie funktionelle Auffälligkeiten nach der CD-Herstellung noch im CD-Presswerk notiert und ausgebessert, wenn denn möglich. Hierzu zählen unter anderem:

  • Beulenkontrolle: Beim Stamper handelt es sich um ein Verschleißteil. Ist dieser nicht eben, so können kleine Ausbeulungen auf dem Datenträger die Folge sein, was diesen unleserlich macht.
  • Gratbildung: Ist Luft zwischen den Spritzgussformen vorhanden oder sind die Schneidewerkzeuge nicht mehr scharf, führt dies zur Gratbildung.
  • Fließspuren: Sogenannte flow marks entstehen, wenn das Polycarbonat nicht ordnungsgemäß in die Form eingespritzt wurde.
  • Kratzer: Beschädigungen an der Oberfläche des Datenträgers in Form von Kratzern lassen sich in der Regel auf defekte Spritzgussformen zurückführen.
  • Geometrische Form: Die CD als optischer Datenträger besitzt eine reglementierte Form. Aus diesem Grunde muss auch eine Prüfung der Maße vorgenommen werden. Hier spielt insbesondere die Spiralbildung eine gewichtige Rolle. Breite, Tiefe sowie Radius und Spurweite müssen kontrolliert werden.
  • Physikalische Eigenschaften: Wesentlich für die Leserlichkeit einer CD ist die physikalische Eigenschaft des Polycarbonats, Licht zweimal zu brechen. Man spricht in diesem Fall von einer Bi-Refraktion. Die Brechung des Lichts darf weder zu groß noch zu niedrig ausfallen. Da das Verfahren des Spritzgießens mechanische Spannungen innerhalb des Kunststoffes herbeiführen kann, muss diese physikalische Eigenschaft des Materials vor Abschluss der Produktion überprüft werden.
  • Mechanische Eigenschaften: CD-Qualität zeichnet sich ebenfalls durch Robustheit des Materials aus, weswegen die Biegesteifigkeit des Polycarbonats überprüft wird.

 

CD-Lebensdauer – was die Haltbarkeit einer CD beeinflusst

80 Jahre soll eine herkömmliche CD aus dem Handel halten. Dies ist der Zeitraum, der von den meisten Herstellern angegeben wird. Dabei stellt sich die Frage, welche Faktoren letztendlich die Lebensdauer einer Compact Disc beeinflussen.

Bildquelle: Data loss © Claudio Divizia - Fotolia

Bildquelle: Data loss © Claudio Divizia – Fotolia

Neben der Bewahrung der CD vor schadhaften Umwelteinflüssen muss dafür Sorge getragen werden, dass CDs vor mechanischen Beschädigungen geschützt werden. Ist die reflektierende Schicht der CD zerstört, wird das Auslesen der Datenstruktur durch Licht unmöglich – der optische Datenträger kann seiner Funktion nicht mehr nachkommen und ist unbrauchbar.

Doch auch ohne mechanische Einwirkung besitzt eine Compact Disc nur eine begrenzte Lebenszeit. Die Ursache hierfür ist in den verwendeten Materialien zu finden, welche die CD konstruieren. Der unterschiedliche materielle Aufbau von CD-R und CD-RW führt dazu, dass beide Datenträger in der Regel unterschiedlich lange haltbar sind – gleiches kann natürlich auch auf die DVD übertragen werden.

Für sämtliche CD-Varianten gilt, dass die oberste Lackschicht nicht beschädigt sein darf. Andernfalls können Sauerstoff und Wasser an tieferliegendes Aluminium gelangen, was unweigerlich zur Oxidation führt.

Die Herstellerangaben zur Haltbarkeit einer CD basieren übrigens auf konkreten Alterungstests, die in der Regel über 40 Tage ausgeführt werden. Die CDs werden hierbei verschiedenen Witterungsbedingungen wie Sonnenlicht oder Feuchtigkeit ausgesetzt. Auf Basis der Testergebnisse lässt sich eine ungefähre Aussage über die Lebenserwartung einer CD ableiten.

CD-R CD-RW
Die Haltbarkeit der CD-R nach einem Brennvorgang hängt vom verwendeten Farbstoff während der CD-Herstellung ab.

  • Cyanin: In der Regel maximal zehn Jahre haltbar.
  • Azofarbstoffe und Phthalocyanine: Über 100 Jahre haltbar.

Manche Hersteller verwenden anstatt von Aluminium Gold als Beschichtungsmaterial. Gold ist im Vergleich zu Aliminium widerstandsfähiger gegen Oxidation.

Eine CD-RW ist maximal 30 Jahre haltbar. Dies lässt sich durch die Art und Weise erklären, wie die Daten auf die CD geschrieben werden. Dabei werden keine Farbstoffe verbrannt. Daten werden durch Wechsel von kristallinen und amorphen Zuständen fixiert. Bei langsamer Rekristallisation infolge von hohen Temperaturen gehen diese schneller wieder verloren.

Compact Discs werden am besten an einem kühlen, trockenen und dunklem Ort mit passenden Verpackungen gelagert. Bei Beschriftung sollte darauf geachtet werden, nur spezielle Schreiber zu verwenden, die kein Lösemittel enthalten, da hierdurch die Lackschicht der Compact Disc angegriffen und aufgelöst wird. Auch Kugelschreiber dürfen nicht verwendet werden, da sie Kratzer auf der CD verursachen.

Bildquelle: CD Stift © bpstocks - Fotolia

Bildquelle: CD Stift © bpstocks – Fotolia

Die Haltbarkeit eines optischen Datenträgers ist vordergründig zur Datenarchivierung relevant. Aus diesem Betrachtungswinkel sollte jedoch nicht nur die Lebenserwartung der CD beachtet werden, sondern auch der technische Fortschritt. Letztendlich muss die Frage gestellt werden, ob Laufwerke in zehn oder mehr Jahren noch imstande sein werden, optische Datenträger aus unserer Zeit zu lesen. Dies lässt sich gut am Beispiel von CD, DVD, HD-DVD und Blu-ray festmachen.

Mit einem DVD-Laufwerk kann man in der Regel sowohl CDs als auch DVDs lesen. Grund hierfür ist die große Ähnlichkeit in der Wellenlänge des verwendeten Lasers sowie im Fokussiersystem. Im Zeitalter der Blu-ray-Disc besteht die Schwierigkeit, dass viele Laufwerke Laser verwenden, die auf einer Wellenlänge basieren, die das Auslesen von CD und DVD unmöglich machen. Es benötigt in diesem Fall also Laufwerke, die über verschiedene Laser und Linsensysteme verfügen, die allerdings sehr hohe Kosten in der Produktion verursachen und daher nur für viel Geld zu haben sind.

HDD (Festplatte) CD DVD USB-Stick
Speicherkapazität Bis 10 TB 700 MB 4,7 / 8,5 GB 16 GB
Empfindlich gegenüber:
UV-Licht wenig stark stark wenig
Kratzer nein stark stark nein
Erschütterungen stark wenig wenig wenig
Magnetfelder stark wenig wenig stark
Elektrostatik stark wenig wenig stark
Wiederbeschreibbarkeit beliebig oft limitiert limitiert beliebig oft
Datensicherheit sehr hoch mittel mittel niedrig

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Weiterentwicklung optischer Datenträger noch immer zügig voranschreitet, muss gerade in Bezug auf Datenarchivierung das richtige Medium ausgewählt werden. Dabei kommt nicht nur der natürlichen Lebensdauer eines optischen Datenträgers, denn viel mehr auch der technischen Entwicklung eine zentrale Bedeutung zu.
 

CD brennen – Datenträger eigenständig duplizieren

Bildquelle: disc drive © kittiyaporn1027 - Fotolia

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Soll eine DVD- oder CD-Kleinserie erstellt werden, so wird zumindest im privaten Rahmen auf das Pressen der Datenträger verzichtet. DVD- und CD-Rohlinge lassen sich mit spezieller Hardware, einem sogenannten Brenner, beschreiben, was den DVD- oder CD-Rohling bereits von der herkömmlich gepressten CD oder DVD unterscheidet.

Während DVDs und Compact Discs durch Pressung eine unveränderliche Pitstruktur besitzen, zeichnen sich beschreibbare Datenträger durch einen Schichtenaufbau aus, der je nach Aufbau der Schicht ein einmaliges oder mehrmaliges Beschreiben des Mediums gestattet.

Da sich das DVD- und CD-Brennen problemlos am eigenen PC bewerkstelligen lässt, ist dies die Methode, die vornehmlich für kleinere Auflagen oder zum Kopieren eines optischen Datenträgers umgesetzt wird. Man spricht beim CD- oder DVD-Brennen daher auch von der Duplikation eines optischen Datenträgers.
 

Modellierte Vertiefungsspuren in beschreibbaren Datenträgern

Sämtliche Rohlinge besitzen eine modulierte Spur, die als Vertiefungs- oder Positionsspur, manchmal auch als Pregroove bezeichnet wird und die der Positionierung des Lasers während des Brennprozesses dient. Lediglich bei der DVD+R erfolgt die Positionierung des Lasers durch sogenannte Pre-Pits.

Bereits bei der CD-Herstellung wurde diese Spur mit einer Frequenz von 22,05 kHz auf den optischen Datenträger moduliert. Sie bestimmt unter anderem die Umdrehungsgeschwindigkeit der CD während des Schreibvorgangs. Am Anfang einer solchen Positionsspur können beispielsweise Informationen zum Hersteller eines Rohlings oder zur empfohlenen Schreibleistung abgelesen werden.

Ob ein Brennvorgang erfolgreich verläuft, das hängt maßgeblich von der Beschaffenheit der Positionsspur ab. Minderwertige Rohlinge weisen Schwankungen auf. Bei hochwertigeren CD-Rohlingen verläuft die Positionsspur gleichmäßig über den gesamten Datenträger.

Je nach Art des Datenträgers wird bestimmt, in welchen Bereichen des physischen Abbilds des Datenträgers überhaupt geschrieben bzw. gebrannt wird. Vertiefte Bereiche werden dabei als Groove, erhöhte Bereiche als Land bezeichnet. Sogenannte Adress-Pits unterteilen das physische Abbild wiederum in Sektoren und Spuren, wodurch die Daten auf dem Datenträger korrekt angeordnet werden können (Adressierung).
 

Einfach und mehrfach beschreibbare Medien

Allerdings läuft der Brennprozess je nach verwendetem Medium teils unterschiedlich ab. In der Praxis müssen einfach und mehrfach beschreibbare Datenträger unterschieden werden. Werden Informationen bei einfach beschreibbaren Datenträgern durch das Verbrennen eines Farbstoffs auf CD oder DVD gebrannt, so werden Lösch- und Schreibvorgang auf wiederbeschreibbaren Datenträgern mittels Erwärmung von Materialien erreicht, die ihren kristallinen und amorphen Zustand je nach Temperatur wechseln und hierdurch einen optischen Kontrast erzielen.
 

Schichtenaufbau und Schreiben einer CD-R

  • Bei einer CD-R handelt es sich um einen einfach beschreibbaren Datenträger.
Bildquelle: CDs © Maria Eppele - Fotolia

Bildquelle: CDs © Maria Eppele – Fotolia

Aufbau:

Die CD-R ist wie eine gepresste CD mit einem Trägermaterial ausgestattet, das einen Lichtbrechungsindex von 1,55 innehat. Darüber befindet sich ein Gemisch aus organischen Farbstoffen in Form von Cyanin, Azo oder auch Phtalocyanin. Darauf ist eine reflektierende Schicht aufgetragen, die häufig aus Gold oder Silber besteht. Letztendlich folgt eine UV-unempfindliche Schutz- und Versiegelungsschicht.
 

Schreibvorgang:

Beim Schreibvorgang wird derselbe Laser wie zum Lesen des Datenträgers verwendet. Allerdings muss hierbei weitaus mehr Energie aufgewendet werden. Die organische Farbschicht wird durch den Laser auf circa 250 bis 400 Grad Celsius erhitzt, wodurch eine chemische Reaktion ausgelöst wird. Infolgedessen entstehen kleine Bläschen, welche die darauf liegende Reflexionsschicht aufbrechen und die notwendige Änderung in der Intensität der Lichtreflektion herbeiführen; innerhalb des Grooves entstehen folglich Pits als Informationsträger. Dabei wird die maximale Schreibgeschwindigkeit des Rohlings durch die Geschwindigkeit der Reaktion der Farbpigmente determiniert.

Hieraus erschließt sich, dass es sich bei dieser Methode um einen destruktiven Prozess handelt, der irreversibel ist, da sich die Reflexionsschicht nicht wieder reparieren lässt. Dies ist der Grund, weswegen eine CD-R lediglich einfach beschreibbar ist.

Noch vor einiger Zeit waren die Photodetektoren in Lesegeräten nicht allesamt imstande, die schwachen Intensitätsunterschiede zu registrieren, was zu Leseschwierigkeiten vor allem in einfachen Audio-Playern führte. Das Aufbrechen der Reflexionsschicht hatte zur Folge, das Licht zum Teil diffus reflektiert wurde, was die Intensität der Lichtreflektion herabsetzte.
 

Schichtenaufbau und Schreiben einer CD-RW

  • Bei einer CD-RW handelt es sich um einen mehrfach beschreibbaren Datenträger.

Aufbau:

Auch die CD-RW besitzt als Trägermaterial eine Polycarbonat-Scheibe mit entsprechenden Materialeigenschaften. Allerdings besteht die CD-RW im Gegensatz zur einfach beschreibbaren CD-R aus insgesamt sechs Schichten. Neben der Polycarbonatschicht sind auch Reflexions- und Schutzschicht vorhanden. Zusätzlich ist noch eine polykristalline Silber-Tellur-Antimon-Indium-Legierung vorzufinden, die von einer nicht leitenden Dielektrikum-Schicht ummantelt ist, welche sich aus einem Silizium-Sauerstoff-Zink-Schwefel-Gemisch zusammensetzt. Sie dient als thermische Isolationsschicht und fungiert als mechanische Grenze zu den umliegenden Layern (Schichten).
 

Schreibvorgang:

Beim Schreibvorgang arbeitet der Brenner mit maximaler Leistung. Dazu wird die Legierung auf 500 bis 700 Grad Celsius erhitzt, wodurch sich der Aggregatzustand des Gemisches von fest zu flüssig modifiziert. Dies bewirkt, dass sich die einzelnen Moleküle diffus bewegen und nach Abkühlung willkürlich anordnen, was als amorpher Zustand bezeichnet wird und wodurch Reflexionskraft eingebüßt wird. Der polykristalline Zustand wird dabei als Pit, der amorphe als Land definiert. Während des Abtastens des Datenträgers durch das Lesegerät können beide Zustände optisch auseinandergehalten werden. (Phase Change Technology)

Im Gegensatz zur CD-R handelt es sich beim Schreiben einer CD-RW also nicht um einen destruktiven Prozess, sondern lediglich um die Ausnutzung der chemischen Struktur der Legierung bei verschiedenen Temperaturen und Aggregatzuständen, die sich physikalisch zunutze gemacht wird.
 

Sonderfall DVD-RAM

Eine gewisse Sonderstellung unter den beschreibbaren optischen Datenträgern nimmt die DVD-RAM ein. Rein optisch lässt sie sich relativ einfach an den rechteckigen Sektormarkierungen auf der Rückseite der DVD erkennen. Auch eine DVD-RAM basiert auf der Phase Change Technology.

Bildquelle: DVD-RAM © thomasp24 - Fotolia

Bildquelle: DVD-RAM © thomasp24 – Fotolia

Die Besonderheit liegt allerdings in der einfachen Tatsache, dass zum Beschreiben des Datenträgers kein Brenner vonnöten ist. Aufgrund der bereits erwähnten Sektorierung lässt sich die DVD-RAM wie eine herkömmliche Festplatte oder Diskette verwenden.

Der physikalische Schreibvorgang ist dabei derselbe wie bei RW-Medien. Ein verbessertes Defektmanagement gewährleistet allerdings, dass fehlerhafte Sektoren auf dem Datenträger nicht beschrieben werden können. Zudem muss zum Beschreiben der DVD-RAM nicht der gesamte Informationsbestand des Datenträgers gelöscht werden. Hieraus ergeben sich die wesentlichen Vorteile der DVD-RAM, die die gespeicherten Informationen länger konserviert und eine weitaus höhere Wiederbeschreibbarkeit als andere optische Datenträger vorweist. Aufgrund der schwierigeren und kostenintensiveren Produktion hat sich dieses Datenträgerformat bisher jedoch nicht durchsetzen können.
 

Optische Datenträger im technischen Vergleich –Blu-ray vs. CD/DVD

Bildquelle: Blu Ray disc boxes. © amnachphoto - Fotolia

Bildquelle: Blu Ray disc boxes. © amnachphoto – Fotolia

HD-TV heißt das große Stichwort, das Ende der neunziger Jahre den Multimediamarkt eroberte. Hochauflösendes Fernsehen war nun möglich – zumindest in der Theorie. Denn es waren zwar die technischen Voraussetzungen vorhanden, allerdings fehlte es an HD-Speichermedien.

Bislang dienten optische Datenträger vornehmlich zur Datenspeicherung. Zwar hatten auch Musik- und Filmindustrie CDs und DVDs genutzt, allerdings war die Notwendigkeit einer Weiterentwicklung der optischen Datenträger erst gegeben, als hochauflösendes Filmmaterial auf mobilen Datenträgern gespeichert werden musste, das dementsprechend mehr Speicherplatz benötigte.

Im Verlauf dessen machten sich die großen Multimedia-Konzerne an die Arbeit und entwickelten die DVD Blue, die kurz darauf als Blu-ray bekannt werden sollte. Als Konkurrenzprodukt etablierte sich kurzfristig die HD-DVD, die gegenüber der Blu-ray aus technischer Sicht viele Vorteile liefert, sich bis dato aber nicht durchsetzen konnte und mittlerweile für tot erklärt wurde.

Ursache hierfür soll vor allem das bessere Digital Rights Management der Blu-ray gewesen sein, das dem Speichermedium einen besseren Kopierschutz zusagte, was seitens der Filmindustrie besonders wichtig gewesen ist. Allerdings war auch in diesem Fall wieder die preiswerte Produktion kurzwelliger Laserdioden zwingende Voraussetzung für die Massentauglichkeit der Blu-ray.
 

Blu-ray – Aufbau und Funktion

Was ist Blu-ray eigentlich? Prinzipiell handelt es sich hierbei um einen herkömmlichen optischen Datenträger, der einer CD und DVD sehr ähnlich ist. Bereits in den vorangegangenen Kapiteln wurde der Aufbau der Datenträger sehr konkret beschrieben. Zudem wurde bereits festgestellt, dass sich DVD und CD insbesondere durch einen Schichtenaufbau unterscheiden, durch eine engere Datenstruktur von Lands und Pits sowie den daraus notwendigen Wellenlängen der Laser, die für Lese- und Schreibvorgänge auf den Datenträgern vonnöten sind.

Die Blu-ray besitzt dieselben Maße wie die CD und DVD. Da es Laufwerke gibt, die alle drei Datenträgerformate lesen können, ist die Notwendigkeit eines einheitlichen Größenstandards sehr einfach zu erklären. Was sich aber logischerweise unterscheidet, ist der konkrete Aufbau der Discs. Bestanden CD und DVD aus vier oder sogar sechs unterschiedlichen Schichten, so kann eine Blu-ray-Disc bis zu acht Datenschichten übereinander tragen.

Je nach Kodierung der Schicht können bis zu 27 GB gespeichert werden. Allerdings ist dies nur in der Theorie der Fall. Herkömmliche im Handel greifbare Blu-rays besitzen in der Regel maximal zwei Layer.

Bildquelle: Blu-ray/DVD Writing © TAlexTech - Fotolia

Bildquelle: Blu-ray/DVD Writing © TAlexTech – Fotolia


 

Die Technik hinter der Blu-ray-Disc

Damit Blu-rays überhaupt gelesen bzw. geschrieben werden können, müssen neuartige Laser genutzt werden.

Die höhere Kapazität der Blu-ray-Disc basiert wie beim Vergleich von CD und DVD ebenfalls auf den multiplen Schichten sowie einer höheren Auflösung in der Fokussieroptik.

Der „blaue Laser“, der prägnanter als tief-violetter Indiumgalliumnitrid-Diodenlaser bezeichnet werden muss, besitzt ein anderes Fokussierverhalten als Laser, die zum Lesen von CDs und DVDs eingesetzt werden. Dies machte es notwendig, die Datenschicht an den Rand der Blu-ray zu verschieben. Auch aus diesem Grunde sind die Discs weitaus kratzempfindlicher als andere Datenträger. Deswegen war die Entwicklung einer neuen dünnen Schutzschicht vonnöten, was durch das Unternehmen TDK umgesetzt wurde. Bei der als „Durabis“ bekannten Schutzschicht handelt es sich um eine wasserabweisende Polymerbeschichtung.

Allerdings ergibt sich aus dem Fokussierverhalten, das auf einer größeren numerischen Apertur basiert, auch ein Vorteil: Die optischen Eigenschaften des Trägermaterials sind bei der Blu-ray nur wenig interessant; sie sind weder für Reflexionsfähigkeit des Lichts noch für die Lesefähigkeit relevant, können demnach auch undurchsichtig sein. Blu-rays, zum Beispiel aus Metall, können dadurch mit höheren Umdrehungszahlen betrieben werden, was wiederum in verbesserten Übertragungsraten resultiert.

Bezeichnung DVD Blu-ray
Wellenlänge des Lasers in μm 650 450
Spotgröße in μm 1,03 0,59
min. Pit-Länge in μm 0,4 0,15

Die Datendichte bei einer Blu-ray ist bis zu fünfmal so hoch wie bei der DVD. Durch die geringere Wellenlänge des Lasers wird ein kleinerer Lasersport ermöglicht. Dadurch lässt sich die Datenspur dichter staffeln wie auch die minimale Länge der einzelnen Pits vergrößern.
 

Häufige Anwendungsgebiete optischer Speichermedien

Aufgrund der unterschiedlichen elementaren Eigenschaften optischer Datenträger haben sich für einfach und vielfach beschreibbare CDs, DVDs sowie Blu-rays verschiedene Einsatzgebiete herausgebildet, die im Folgenden zusammengefasst werden sollen.

Optischer Datenträger Anwendungsgebiet
CD-ROM Aufgrund geringer Speicherkapazität kaum noch gefragt, vor allem für Audio-Aufnahmen eingesetzt
CD-R, CD-RW Nur noch selten verwendet, hauptsächlich für ältere Laufwerke und CD-Player eingesetzt
DVD-ROM Verwendet für Ton- und Filmaufnahmen sowie als Datenspeicher
DVD+R, DVD-R, DVD+RW, DVD-RW Die noch immer am häufigsten verwendeten Medien zur Datenspeicherung und -archivierung
DVD-RAM Wird aufgrund der Fähigkeit zur Wiederbeschreibung und des Defektmanagements hauptsächlich für Backups verwendet
HD-DVD, Blue-ray-Disc Eingesetzt als Datenspeicher und für hochauflösendes Videomaterial, entwickelt als Nachfolger der einfachen DVD

 

Vorteile und Nachteile optischer Datenträger

Optische Datenträger sind aus der modernen multimedialen Welt kaum noch wegzudenken. In einer Zeit, da unzählige Datenmengen in digitaler Form verbreitet und archiviert werden müssen, haben optische Datenträger ihren berechtigten Platz. Ein Blick auf die Vor- und Nachteile optischer Speichermedien zeigt relativ deutlich, wo CD, DVD und Blu-ray ihre Stärken ausspielen können.
 

Vorteile:

  • Wirtschaftlich und vielseitig: Optische Datenträger lassen sich durch Presswerke in hoher Stückzahl sehr kostengünstig produzieren, können jedoch auch in kleiner Auflage durch simples Brennen dupliziert werden.
  • Haltbar: Aufgrund des berührungslosen Lesens sind optische Datenträger prinzipiell ewig haltbar und nutzen sich während des Gebrauchs nur gering ab.
  • Portabel: Klein und handlich, stellen optische Speichermedien nur geringe Anforderungen an Logistik und Transport.

 

Nachteile:

  • Geringe Kapazitäten: Im Vergleich zu Festplatten besitzen optische Datenträger deutlich weniger Kapazitäten und sind daher nur bedingt für Backup-Zwecke geeignet.
  • Schlechte Materialbeständigkeit: Die für die Produktionen der Medien verwendeten Materialien unterliegen einem natürlichen Verfallsdatum und sind stark von Umgebungs- bzw. Lagerungsbedingungen wie Verpackungen abhängig.
  • Anfällig für mechanische Belastung: Optische Speichermedien beweisen nur geringe Widerstandskraft gegen mechanische Beanspruchung.
  • Begrenzte Wiederbeschreibbarkeit: Wiederbeschreibbare Discs besitzen begrenzte Schreibzyklen, die häufig noch unterhalb der von Herstellern angegeben Werte liegen.

 

Ausblick in die Zukunft – die Hologramm-CD

Die Blu-ray-Disc ist noch gar nicht allzu lange massentauglich geworden, da sinnieren kluge Köpfe bereits über Speichermedien, die noch bessere Datentransferraten sowie größere Speicherkapazitäten liefern. Aber warum eigentlich? Die Informationsflut unserer Zeit ist beispiellos, Computersysteme werden immer komplexer und führen letztendlich dazu, dass der Bedarf an Massenspeichern mit immer größeren Kapazitäten permanent zunimmt.

Stießen CD und DVD bereits schnell an ihre Grenzen, konnte zumindest die Blu-ray-Disc vorübergehend Abhilfe schaffen, vor allem in Bezug auf Speicherung von HD-Videomaterial. Aber im Vergleich zu Festplattenspeichern ist auch der Blu-ray-Disc eine klare Grenze gesetzt. Der Nachteil von Festplattensystemen liegt in der Mobilität und selbstverständlich in aufwendigeren Fertigungsprozessen. Es obliegt also der Wissenschaft, neue portable optische Speichermedien zu schaffen mit noch mehr Speicherkapazität, die aber ähnlich flexibel wie ihre Vorgänger sein müssen.

CD, DVD und auch Blu-ray basieren, wie die Ausführungen gezeigt haben, auf einem sehr ähnlichen Schichten-Prinzip. Mittlerweile stoßen optische Datenträger und Apparaturen zum Auslesen der Daten auf ihre technischen, vor allem physikalischen Grenzen, sodass die Verkleinerung von Pits und Lands nicht mehr umgesetzt werden kann. Ein neues Format muss her, das mit der Holographic Versatile Disc (HVD) womöglich schon bald realisiert werden könnte.
 

Funktionsprinzip der Hologramm-CD

Wie auch CD, DVD und Blu-ray wird die HVD mithilfe eines Lasers, also Lichts, beschrieben und ausgelesen – logisch, denn es handelt sich auch in diesem Fall um einen optischen Datenträger.

Die Holographic Versatile Disc soll ein Datenvolumen von bis zu 3,9 TB speichern können, übertrifft demnach sämtliche Vorgänger um ein Vielfaches. Die Datentransferrate der HVD läge bei 1 Gbit/s. Zum Vergleich: Blu-ray bringt es gerade einmal auf 36 Mbit/s. Mit diesen Werten stünde der neue optische Datenträger sogar einer Festplatte in Nichts nach.

Grundsätzlich ist der Aufbau der HVD mit unseren heutigen optischen Speichern zu vergleichen.

Bildquelle: mkdiscpress.de

Bildquelle: mkdiscpress.de

Zum Auslesen der Daten werden gleich zwei Laser verwendet, ein roter wie ein blau-grüner mit einer Wellenlänge von 650 nm sowie 532 nm. Diese werden zu einem einzigen Laserstrahl zusammengefasst. Der blau-grüne Laser ist für das Auslesen der Informationen verantwortlich, die durch ein codiertes Interferenzmuster auf der Hologrammschicht des Datenträgers gespeichert sind.

Unterhalb der Datenschicht befindet sich eine CD-ähnliche Schicht, die der Datenstruktur einer Compact Disc ähnelt, denn auch hier sind Pits und Lands moduliert. Der rote Laser, der sowohl durch die Hologrammschicht wie auch durch die dichroitische Schicht hindurchgeht, wird erst von einer darunterliegenden Aluminiumschicht reflektiert. Er dient hauptsächlich dem Zweck, die dort zu findenden Hilfsdaten und Steuerinformationen der Disc auszulesen, die für die korrekte Positionierung des Lesekopfs vonnöten sind. Hieraus ergibt sich bereits ein wesentlicher Unterschied zur CD oder DVD. Dort sind die Steuerinformationen zwischen den eigentlichen Daten platziert. Durch den anderen Aufbau der HVD wird letztendlich eine schnellere Adressierung erreicht.
 

Quellen:

http://www.uni-muenster.de/Physik.AP/Denz/Forschung/Forschungsaktivitaeten/Datenspeicherung/funktionsprinzip.html

http://wr.informatik.uni-hamburg.de/_media/teaching/sommersemester_2012/sds-12-zuercher-zukuenftige_speichertechnologien-ausarbeitung.pdf

http://www.hardware-datenrettung.de/aufbau_cd.html

https://www.tu-chemnitz.de/informatik/RA/news/stack/kompendium/vortraege_96/CDROM/cdrom2.html

http://www.physics.udel.edu/~watson/scen103/efm.html

http://windows.microsoft.com/de-de/windows/which-cd-dvd-format#1TC=windows-7

http://de.wikibooks.org/wiki/DVD-RAM/_Kapitel1

http://www.itwissen.info/definition/lexikon/digital-versatile-disc-random-access-memory-DVD-RAM.html

http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/stufen/polykondensation/polyester/cd/cd.vlu/Page/vsc/de/ch/9/mac/stufen/polykondensation/polyester/cd/cdrom.vscml.html

http://www.christiani.de/pdf/74776_probe.pdf

http://wr.informatik.uni-hamburg.de/_media/teaching/wintersemester_2008_2009/04-optischespeichermedien-nimser.pdf