Οπτικά μέσα αποθήκευσης

Σήμερα η έννοια της οπτικής αποθήκευσης παραπέμπει σε συστήματα αποθήκευσης δεδομένων που χρησιμοποιούν το φως για την αποθήκευση και ανάκτηση της πληροφορίας. Η φωτογραφία θα μπορούσε να θεωρηθεί ως η πρώτη μορφή οπτικής αποθήκευσης πληροφορίας, αφού οι πρώτες φωτογραφίες έκαναν την εμφάνισή τους πριν από 200 χρόνια περίπου. Ωστόσο, η αναλογική αποτύπωση της πληροφορίας που μας προσφέρει η κλασική φωτογραφία έχει περιορισμένες εφαρμογές αποθήκευσης δεδομένων. Από τότε που ανακαλύφθηκε το λέιζερ και εμφανίστηκαν οι πρώτοι ηλεκτρονικοί υπολογιστές, η αποτύπωση ψηφιακής πληροφορίας με τη βοήθεια του φωτός κατέστη πλέον εφικτή.

Η πρώτη οπτική συσκευή ψηφιακή αποθήκευσης και ανάκτησης δεδομένων ήταν εφεύρεση της IBM και ονομάζονταν “IBM 1369 Photostore”. Η πληροφορία αποθηκεύονταν σε πλαστικές κάρτες φιλμ με τη βοήθεια μιας ακτίνας ηλεκτρονίων. Η κάθε κάρτα είχε την ικανότητα να αποθηκεύει 4,6 εκατομμύρια bits και η επανεγγραφή ή διαγραφή της ήταν ανέφικτη. Η πρώτη συσκευή κατασκευάστηκε το 1967 και ακολούθησαν άλλες έξι, όλες με προορισμό κυβερνητικές υπηρεσίες και ερευνητικά εργαστήρια πανεπιστημίων, όπου η τεράστια για την εποχή αποθηκευτική ικανότητα δεδομένων της συσκευής ήταν αναγκαία [113].

Πολύ εύλογα θα θεωρούσε κανείς πως αυτή η πρωτογενή συσκευή οπτικής αποθήκευσης ψηφιακών δεδομένων της IBM θα αποτελούσε το θεμέλιο λίθο, πάνω στον οποίο θα οικοδομούνταν η βιομηχανία της οπτικής αποθήκευσης δεδομένων. Ωστόσο ο ασύμφορος και πολύπλοκος τρόπος λειτουργίας της συσκευής και η ασυναγώνιστη για την εποχή αποθηκευτική της ικανότητα, είχαν ως αποτέλεσμα να μείνει η εξέλιξή της στάσιμη. Η μεταγενέστερες συσκευές οπτικής αποθήκευσης είχαν τελείως διαφορετική προσέγγιση στο μηχανισμό αποθήκευσης και ανάκτησης των δεδομένων, αφού η εξέλιξη τους επηρεάστηκε σχεδόν εξ’ολοκλήρου από την ήδη ωριμασμένη τεχνολογία των συσκευών μαγνητικής αποθήκευσης και κυρίως των μαγνητικών δίσκων.

Η πλειοψηφία των συσκευών οπτικής αποθήκευσης που έχουν παρουσιαστεί στην αγορά μέχρι και σήμερα, βασίζονται αποκλειστικά στη φιλοσοφία της αποθήκευσης σε δίσκο. Επιπλέον, σε εργαστηριακό και ερευνητικό επίπεδο ακόμα, έχουν παρουσιαστή πρωτότυπα οπτικής αποθήκευσης σε οπτική ταινία, όπως επίσης και πειραματικές διατάξεις ολογραφικής και μοριακής οπτικής αποθήκευσης δεδομένων.

 

 

Οπτικοί δίσκοι

Η ηλεκτρονική οπτική αποθήκευση πληροφορίας έγινε γνωστή στο ευρύτερο κοινό μετά το 1973 με την εμφάνιση του οπτικού δίσκου VLP (Video Long Play - δίσκος αναπαραγωγής βίντεο μεγάλης χρονικής διάρκειας). Οι VLP δίσκοι συνήθως χρησιμοποιούνταν για την αναλογική αποθήκευση εικόνων και βίντεο. Η αποθήκευση της πληροφορίας ήταν εφικτή μέσω εξειδικευμένων και πανάκριβων συσκευών, οι οποίες δεν ήταν προσιτές στον κοινό χρήστη του δίσκου. Ο τελικός χρήστης του VLP δίσκου ήταν σε θέση να παρακολουθήσει τα δεδομένα του δίσκου μέσω της πολύ φτηνότερης συσκευής αναπαραγωγής. Η οπτική αποθήκευση ψηφιακής πληροφορίας βρήκε εμπορική εφαρμογή και κοινοποιήθηκε το 1982 με τη μορφή του οπτικού δίσκου μουσικής CD-DA (Compact Disk – Digital Audio, Συμπαγής Δίσκος – Ψηφιακού Ήχου) από δυο μεγάλες εταιρείες, τη Sony και τη Philips. Ο δίσκος CD-DA πρωτοχρησιμοποιήθηκε για την αποθήκευση ήχου σε ψηφιακή μορφή μέσω εξειδικευμένων και πανάκριβων συσκευών, τις οποίες για ακόμα μια φορά είχαν την ευχέρεια να χρησιμοποιούν οι εκδοτικές εταιρείες. Ο τελικός χρήστης είχε τη δυνατότητα μόνο να ακούσει την προ-αποθηκευμένη μουσική μέσω της κατάλληλης συσκευής, γνωστής σε όλους μας ως CD-Player, χωρίς να του παρέχετε η δυνατότητα να γράψει σε οπτικά δισκάκια τη μουσική της επιλογής του. Κατόπιν, γύρω στο 1985, η συνεργασία της Sony και της Philips οδήγησε στην επέκταση του οπτικού συμπαγή δίσκου για την αποθήκευση δεδομένων ηλεκτρονικών υπολογιστών. Ο οπτικός δίσκος δεδομένων ονομάστηκε CDROM (Compact Disk – Read Only Memory, Ψηφιακός Δίσκος – Μνήμης μόνο προς Ανάγνωση) και η αποθήκευση των δεδομένων για ακόμα μια φορά ήταν προνόμιο μόνο των εκδοτικών εταιριών, οι οποίες χρησιμοποιούσαν το μέσο για τη χαμηλού κόστους δημοσίευση λογισμικού για ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Παρόλα αυτά, η μεγάλη αποδοχή του συμπαγή οπτικού δίσκου από το κοινό και η τεράστια εμπορική επιτυχία που γνώρισε σαν μέσο ψηφιακής αποθήκευσης, οδήγησαν πολλές εταιρείες κατασκευής ηλεκτρονικών συσκευών και μέσων αποθήκευσης να συνεργαστούν κάτω από κοινά πλαίσια προτύπων και κανόνων, με αποτέλεσμα να οδηγούν την εξέλιξη της οπτικής αποθήκευσης δεδομένων με πολύ γοργούς ρυθμούς, χωρίς όμως να παρουσιάζονται προβλήματα εμπορικής εκμετάλλευσης και αποδοχής των εξελιγμένων συσκευών και μέσων οπτικής αποθήκευσης δεδομένων από την αγορά.

Η αρχή λειτουργίας των σύγχρονων συστημάτων οπτικής αποθήκευσης και ανάγνωσης ψηφιακών δεδομένων, βασίζεται στον τρόπο με τον οποίο αντανακλάται μια τεχνητή ακτίνα φωτός από την επιφάνεια του μέσου αποθήκευσης. Ως πηγή φωτός χρησιμοποιούνται συσκευές εκπομπής ακτίνων λέιζερ που είναι γνωστές ως δίοδοι λέιζερ. Η ακτινοβολία λέιζερ είναι η πλέον κατάλληλη για την οπτική αναγνώριση και εγγραφή δεδομένων, για το λόγω ότι παρουσιάζει χαρακτηριστικά τα οποία ακτινοβολίες από φυσικές ή άλλου τύπου τεχνικές πηγές εκπομπής στερούνται. Η ακτινοβολία λέιζερ είναι μια δέσμη φωτός μονοχρωματική, δηλαδή εκπέμπεται σε σταθερό μήκος κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, το οποίο μπορεί να ποικίλει, ανάλογα με την τεχνολογία της πηγής εκπομπής, από 300 μέχρι 2000 νανόμετρα και συντονισμένη, γεγονός που δικαιολογεί την υψηλή ενέργεια που φέρει η ακτίνα λέιζερ. Η δίοδος λέιζερ είναι η τεχνολογία που επέτρεψε την εμπορική εκμετάλλευση της τεχνολογίας οπτικής αποθήκευσης δεδομένων. Τα πλεονεκτήματα των διόδων εκπομπής ακτίνων λέιζερ είναι πολλά, τα σημαντικότερα από αυτά είναι το πολύ χαμηλό κόστος κατασκευής τους, οι χαμηλές ενεργειακές απαιτήσεις τους, η ικανοποιητική ισχύ της παραγόμενης ακτινοβολίας για την εγγραφή και την ανάγνωση πληροφορίας από την επιφάνεια του αποθηκευτικού μέσου, η δυνατότητα εκπομπής ακτινοβολίας συνεχόμενης ή παλλόμενης ροής, αντίστοιχα για την ανάγνωση ή εγγραφή της πληροφορίας και το πολύ μικρό τους μέγεθος.

Η τυπική διάταξη οπτικής εγγραφής και ανάγνωσης ψηφιακών δεδομένων, που συναντάται στις σύγχρονες συσκευές οπτικής αποθήκευσης, δηλαδή στιςσυσκευές εγγραφής και ανάγνωσης οπτικών δίσκων, αποτελείται από:

• Την πηγή ακτινοβολίας λέιζερ μεταβλητής ισχύος, η οποία είναι ικανή να επιφέρει, στη μέγιστη ισχύ λειτουργίας της, αλλαγές στη δομή του μέσου αποθήκευσης για την εγγραφή των δεδομένων, όπως επίσης την ικανότητα παροχής ακτινοβολίας συνεχόμενης ροής χαμηλής ισχύος, για την ανάγνωση των δεδομένων από το μέσο χωρίς όμως να προκαλεί τη μεταβολή του.
  
• Τα κατάλληλα οπτικά για την εστίαση της δέσμης σε όσο το δυνατό μικρότερη περιοχή της επιφάνειας του μέσου αποθήκευσης.
  
• Τον οπτικό αισθητήρα ανίχνευσης του ποσού της ακτινοβολίας που αντανακλάται από την επιφάνεια του μέσου, για την ανάγνωση των αποθηκευμένων δεδομένων.
  
• Την κατάλληλη διάταξη μετακίνησης των παραπάνω (α, β και γ που σχηματίζουν την κεφαλή οπτικής εγγραφής και ανάγνωσης), ώστε να υπάρχει πλήρη εκμετάλλευση της επιφάνειας του μέσου αποθήκευσης.
  
• Το μηχανισμό περιστροφής του μέσου, αφού όλες οι συσκευές οπτικής αποθήκευσης δεδομένων που έχουν παρουσιαστεί μέχρι σήμερα βασίζονται στην αρχιτεκτονική του περιστρεφόμενου δίσκου.
  
• Το ηλεκτρονικό υποσύστημα διασύνδεσης της συσκευής με άλλες συσκευές (interface), όπως για παράδειγμα ηλεκτρονικούς υπολογιστές, εγγραφείς βίντεο ή δεδομένων κ.α.

Επίσης, η συμβολή της τεχνολογίας των υλικών και μεθόδων κατασκευής των μέσων οπτικής αποθήκευσης είναι εξίσου σημαντική, αφού ήταν ο κύριος παράγοντας που επέτρεψε τη χρήση συσκευών οπτικής αποθήκευσης στο ευρύτερο κοινό. Διαφανή οργανικά υλικά όπως ο πολυανθρακίτης (polycarbonate) αποτελούν το κυριότερο δομικό στοιχείο των οπτικών αποθηκευτικών μέσων, ενώ ειδικές επιστρώσεις από φωτοευαίσθητες οργανικές ενώσεις, παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούνται στα φωτογραφικά φιλμ, με οπτικές ιδιότητες που καθορίζονται από την ενέργεια του λέιζερ κατά την εγγραφή των δεδομένων, αποτελούν το βασικό μέσο αποθήκευσης.

Εικόνα 99. Τυπική διάταξη συσκευής εγγραφής και ανάγνωσης οπτικών δίσκων

 

Η δομή του τυπικού μέσου οπτικής αποθήκευσης, που δεν είναι άλλο από τον οπτικό δίσκο, απαρτίζεται από τέσσερα βασικά στρώματα. Ξεκινώντας της περιγραφή από την κάτω επιφάνεια του δίσκου, αυτά είναι:

• Το κύριο δομικό στρώμα του δίσκου. Είναι το παχύτερο στρώμα και κατασκευάζεται από πολυανθρακίτη (polycarbonate), ένα στερεό, ανθεκτικό και διαφανές οργανικό υλικό, το οποίο επιτρέπει τη διέλευση της δέσμης ακτίνων λέιζερ, ενώ ταυτόχρονα προσδίδει στο μέσο άριστη αντοχή στις μηχανικές καταπονήσεις.
• Το στρώμα αποθήκευσης δεδομένων. Είναι ένα λεπτό φωτοευαίσθητο στρώμα, του οποίου η διαύγεια στο φως μεταβάλετε ανάλογα με τη θερμότητα που λαμβάνει από την ακτίνα λέιζερ κατά την εγγραφή των δεδομένων. Αν η θερμοκρασία του υλικού περάσει κάποιο οριακό σημείο, τότε η περιοχή αυτή καθίσταται μόνιμα ημιδιαφανή μέσω μιας χημικής αντίδρασης που ενεργοποιείται με τη θερμοκρασία. Συνεπώς, από την περιοχή που «κάηκε» αντανακλάται λιγότερη ακτινοβολία λέιζερ και με τον τρόπο αυτό καθιστάτε εφικτή η εγγραφή δεδομένων.
• Tο στρώμα αντανάκλασης της ακτίνας λέιζερ. Η στρώση αυτή είναι απαραίτητη για την ανάγνωση της γραμμένης πληροφορίας αφού πάνω της αντανακλάτε σχεδόν ολόκληρη η ακτίνα λέιζερ και επιστρέφει μεταφέροντας την πληροφορία από το στρώμα αποθήκευσης πίσω στην οπτική κεφαλή. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για το στρώμα αυτό είναι συνήθως ο αργύρου ή ο χρυσός και ανάλογα με το τι θα χρησιμοποιηθεί ο δίσκος αποκτά το αντίστοιχο χρώμα. Η χρήση ευγενών μετάλλων, όπως ο χρυσός και ο άργυρος, για την κατασκευή του φωτο-ανακλαστικού στρώματος, εγγυάται την αποφυγή οξείδωσης του αποθηκευτικού μέσου.
• Το προστατευτικό στρώμα, το οποίο προστατεύει τα δύο προηγούμεναστρώματα από τυχόν αποκόλληση ή εκδορές.

Οι κοινές επιφάνειες των στρωμάτων β, γ και δ δεν είναι λείες αλλά παρουσιάζουν ένα ανάγλυφο αποτελούμενο από διαδοχικές κοιλότητες. Αυτό το ανάγλυφο δημιουργία κατά την κατασκευή του δίσκου, όπου γίνεται η χάραξη του σπειροειδούς ίχνους πάνω στο οποίο θα γράφεται η πληροφορία. Το ίχνος αυτό δημιουργείται έτσι ώστε να μεταβάλλει τη σκέδαση της δέσμης των ακτίνων λέιζερ από την επιφάνεια του δίσκου και με αυτό τον τρόπο αυτό να μεταβάλλει αντίστοιχα την ποσότητα της ακτινοβολίας που επιστρέφει στον οπτικό αισθητήρα ανάγνωσης των δεδομένων.

Σε αντίθεση με τα πρότυπα οργάνωσης της πληροφορίας των μαγνητικών δίσκων σε ίχνη και τομείς, η πληροφορία στην επιφάνεια του οπτικού δίσκου διαμορφώνεται σε σπειροειδή διάταξη. Η εγγραφή των δεδομένων αρχίζει από το εσωτερικό του δίσκου και συνεχίζει τη σπειροειδή της πορεία πάνω στο ίδιο ίχνος μέχρι το εξωτερικό του, ακολουθώντας τη χάραξη του δίσκου.

 

 

 

 

 

 

Κατά τη διάρκεια της εγγραφής των δεδομένων, καθώς αυτά γράφονται στην επιφάνεια του δίσκου πλησιάζοντας στο εξωτερικό του, ο δίσκος επιβραδύνεται ώστε η σχετική ταχύτητα μεταξύ της κεφαλής και του αποθηκευτικού μέσου κάτω από αυτή να είναι πάντα σταθερή. Αυτό είναι αναγκαίο λόγω των περιορισμών που θέτει η κεφαλή εγγραφής αλλά και το μέσο αποθήκευσης. Ο περιορισμός αυτός είναι ο ελάχιστος χρόνος που απαιτείται για το κάψιμο του στρώματος αποθήκευσης δεδομένων και είναι αυτός που καθορίζει το μέγιστο ρυθμό εγγραφής των δεδομένων. Ο ίδιος περιορισμός ισχύει και κατά την ανάγνωση των δεδομένων, με τη διαφορά πως αυτή τη φορά ο ρυθμός ανάγνωσης δεν καθορίζεται από το λέιζερ και το μέσο αποθήκευσης αλλά από τον αισθητήρα ανίχνευσης της ανακλώμενης ακτινοβολίας [114].

Οι εμπορικά διαθέσιμες συσκευές οπτικής αποθήκευσης που είναι διαθέσιμες στην αγορά προς το παρόν, είναι όλες βασισμένες στην τεχνολογία της αποθήκευσης σε δίσκο.

Υπάρχουν πολλές παραλλαγές οπτικής αποθήκευσης σε δίσκο, οι οποίες διαφοροποιούνται ως προς το μέγεθος και δομή του δίσκου, τον τύπο του λέιζερ που χρησιμοποιείται και τα ηλεκτρονικά της αναγνώρισης των δεδομένων και καθοδήγησης της κεφαλής. Παρακάτω περιγράφονται αναλυτικά τα βασικά χαρακτηριστικά της κάθε παραλλαγής, ξεκινώντας από την παλαιότερη και καταλήγοντας στην πιο πρόσφατη. Η βασική αρχή λειτουργίας τους παραμένει η ίδια, όπως έχει περιγραφτεί παραπάνω. Ωστόσο σε περίπτωση διαφοροποίησής της, θα δηλώνεται ξεχωριστά ποια είναι αυτή η αλλαγή και θα διασαφηνίζεται ο τρόπος με τον οποίο επηρεάζει τη λειτουργία και τα χαρακτηριστικά της συσκευής και των αντίστοιχων μέσων αποθήκευσης.

 

CD R (Compact Disk Recordable - Συμπαγής Δίσκος Εγγράψιμος)

Ο εγγράψιμος οπτικός δίσκος CD R έκανε την εμφάνισή του γύρω στο 1990 και είναι η τεχνολογία που επέτρεψε τους κοινούς χρήστες Η/Υ να επωφεληθούν από τα πλεονεκτήματα της οπτικής αποθήκευσης δεδομένων. Ο χρήστης της τεχνολογίας αυτής έχει στη διάθεσή του μια συσκευή οπτικής αποθήκευσης και ανάγνωσης δεδομένων σε αφαιρούμενους οπτικούς δίσκους, οι οποίοι έχουν πάχους 1,2mm και διάμετρο 12 cm με χωρητική ικανότητα δεδομένων 650 με 700 Megabytes. Στο εμπόριο εκτός των δίσκων διαμέτρου 12 cm κυκλοφορούν δίσκοι διαμέτρου 8 cm με χωρητικότητα 185 Megabytes, όπως επίσης και δίσκοι σε σχήμα και μέγεθος πιστωτικής κάρτας με χωρητικότητα 50 Megabytes. Η πληροφορία γράφεται στο μέσο με τον τρόπο που περιγράψαμε προηγουμένως με τη βοήθεια υπέρυθρης (μήκος κύματος 780 νανόμετρα nm) ακτινοβολίας λέιζερ. Η αποθηκευμένη πληροφορία δεν είναι δυνατό να διαγραφεί από την επιφάνεια του αποθηκευτικού μέσου, με την προϋπόθεση αυτό να επαναχρησιμοποιηθεί όπως ένας κοινός μαγνητικός δίσκος. Η ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων κατά την εγγραφή και ανάγνωση δεδομένων κυμαίνεται από 0,15 και φτάνει μέχρι τα 7,8 Megabytes ανά δευτερόλεπτο, για τις συσκευές οδήγησης απλής και 52πλής ταχύτητας αντίστοιχα, ενώ ο μέσος χρόνος προσπέλασης των δεδομένων κυμαίνεται ανάλογα με τη συσκευή από 80 μέχρι 120 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Τα δεδομένα αποθηκεύονται σε ένα στρώμα μόνο στη μια πλευρά του δίσκου, αυτή της ετικέτας και ανάλογα με τις συνθήκες αποθήκευσης και τη μεταχείριση του μέσου, αυτά μπορούν να διατηρηθούν από 5 μέχρι και 100 χρόνια.

 

CD RW (Compact Disk ReWritable - Συμπαγής Δίσκος Επανεγγράψιμος)

Ο δίσκος CD RW είναι εξέλιξη του CD R με τη διαφορά πως προσφέρει τη δυνατότητα διαγραφής της αποθηκευμένης πληροφορίας και της επανεγγραφής του μέσου. Αυτό είναι εφικτό με τη χρήση ιδικού μεταλλικού κράματος στο στρώμα αποθήκευσης δεδομένων, το οποίο όταν θερμανθεί από την ακτίνα λέιζερ αλλάζει την κατάστασή του (φάση), με αποτέλεσμα να αλλάζουν και οι οπτικές του ιδιότητες. Θερμαίνοντας το στρώμα αυτό πάνω από το σημείο τήξης του, αυτό χάνει την κρυσταλλική του δομή με αποτέλεσμα να γίνεται αδιαφανές στο σημείο εκείνο και έτσι η ακτίνα λέιζερ να το διαπερνά και να ανακλάται από το επόμενο στρώμα πίσω στον αισθητήρα ανάγνωσης των δεδομένων.

Κατά τη διαγραφή των δεδομένων, η ακτίνα λέιζερ λειτουργεί σε μικρότερο ενεργειακό επίπεδο από αυτό της εγγραφής, καταφέρνοντας έτσι να θερμάνει το στρώμα αποθήκευσης σε θερμοκρασία ελαφρός μικρότερη από το σημείο τήξης του και να το υποβάλλει σε ανόπτηση ανακρυστάλλωσης, δηλαδή να επανασχηματιστούν οι κρυσταλλικές δομές του υλικού αποθήκευσης. Με τον τρόπο αυτό η επιφάνεια του υλικού του στρώματος αποθήκευσης αποκτά την αρχική της μορφή, η οποία εμποδίζει την ακτίνα λέιζερ να ανακλαστεί από το στρώμα ανάκλασης, και έτσι το μέσο είναι ξανά έτοιμο για την εγγραφή δεδομένων.

 

DVD R (Digital Versatile Disc Recordable – Εγγράψιμος Ψηφιακός Δίσκος Πολλαπλών Εφαρμογών)

Ο δίσκος DVD είναι ο διάδοχος του CD, εμφανίστηκε στην αγορά το 1996 ως αντικαταστάτης της βιντεοκασέτας και από τότε μέχρι σήμερα χρησιμοποιείται από τις εκδοτικές εταιρίες για τη φθηνή μαζική διάθεση έργων βίντεο. Ωστόσο η μεγάλη του χωρητική ικανότητα και η συμβατότητα των συσκευών εγγραφή και ανάγνωσης DVD με τους δίσκους CD, κατέστησε τα DVD ως την καλύτερη και οικονομικότερη λύση σποραδικής αποθήκευσης δεδομένων για ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Η τεχνολογία των συσκευών ανάγνωσης και εγγραφής δίσκων DVD είναι παρόμοια με αυτή των συσκευών οδήγησης CD. Επίσης, το μέγεθος του δίσκου DVD είναι ίδιο με το μέγεθος του CD, κατά συνέπεια, μια συσκευή εγγραφής και ανάγνωσης DVD έχει την ικανότητα να διαβάσει και να γράψει δίσκους CD το ίδιο εύκολα με τους δίσκους DVD. Οι αλλαγές που ευθύνονται για τη διαφοροποίηση του DVD από το CD έγκεινται στα μικρότερα ίχνη δεδομένων, που αποτυπώνονται στην επιφάνεια του μέσου κατά την εγγραφή, λόγω της χρήσης ακτινοβολίας λέιζερ με μικρότερο μήκος κύματος από αυτό των CD (630 με 650 nm – κόκκινο φως) και των καλύτερων οπτικών συστημάτων για την εστίασή της, τεχνική που συντέλεσε στην αύξηση της επιφανειακής πυκνότητας του δίσκου. Με τον τρόπο αυτό, στον δίσκο DVD είναι εφικτό να αποθηκευτούν 7 φορές περισσότερα δεδομένα απ’ ότι σε ένα δίσκο CD της ίδιας διαμέτρου. Έτσι η χωρητικότητα σε δεδομένα του κοινού δίσκου DVD πλησιάζει τα 4,7 Gigabytes.

Η χωρητικότητα αυτή αντιπροσωπεύει τους δίσκους DVD μονής όψης και μονής στρώσης δεδομένων, με δομή παρόμοια με αυτή που έχει ο δίσκος CD. Για την περαιτέρω αύξηση της χωρητικότητας σε δεδομένα των δίσκων DVD, η οποία δημιουργήθηκε από την ανάγκη να χωρέσουν περισσότερο των 133 λεπτών βίντεο σε ένα δίσκο DVD, οδήγησε στους δίσκους DVD με διπλό στρώμα δεδομένων. Στους δίσκους DVD διπλού στρώματος, το πρώτο στρώμα ανακλά μερικός τη δέσμη των ακτίνων λέιζερ, ενώ το δεύτερο την ανακλά πλήρως. Η πρόσβαση στο δεύτερο στρώμα του δίσκου DVD διπλής στρώσης, είναι εφικτή εστιάζοντας τη δέσμη λέιζερ στο κάτω στρώμα, διαπερνώντας το πρώτο στρώμα δεδομένων μερικής ανάκλασης. Επομένως, ο αισθητήρας της ανακλώμενης ακτινοβολίας λέιζερ και συνεπώς των δεδομένων, αντιλαμβάνεται την ακτινοβολία που επιστρέφει από το καλύτερα εστιασμένο στρώμα δεδομένων, λόγω της ισχυρότερης ενέργειας που φέρει. Τα δεδομένα στο δεύτερο στρώμα αποθήκευσης γράφονται από το σημείο που σταμάτησαν τα δεδομένα του πρώτου στρώματος και επομένως η διεύθυνση τους ξεκινά από το εξωτερικό του δίσκου και εξελίσσονται προς το εσωτερικό του. Οι δίσκοι DVD μονής όψης και διπλής στρώσης προσφέρουν χωρητικότητα δεδομένων λίγο μικρότερη από το διπλάσιο του αντίστοιχου δίσκου μονής όψης και μονής στρώσης, περίπου ίση με 8,54 Gigabytes.

Ένα τέχνασμα για την περαιτέρω αύξηση της χωρητικότητας του δίσκου DVD είναι η χρήση και των δύο όψεων του δίσκου για την αποθήκευση δεδομένων. Σαν αποτέλεσμα η χρήση και των δύο όψεων μας δίνει διπλάσια χωρητικότητα δεδομένων, η οποία καθορίζεται από τη χρήση μονής ή διπλής στρώσης δεδομένων στα 9,4 και 17 Gigabytes αντίστοιχα. Ωστόσο η παραγωγή δίσκων διπλής όψης είναι δυσκολότερη και δεν υπάρχει χώρος στην επιφάνεια τους για τη συμβατική ετικέτα, η οποία περιορίζεται σε μια μικρή περιοχή στο κέντρο του δίσκου. Άλλη μια ιδιοτροπία των δίσκων διπλής όψης είναι πως η χρήση τους απαιτεί συσκευές ικανές να διαβάζουν και τις δύο πλευρές του δίσκου, ή την επέμβαση του χρήστη για τη χειροκίνητη αλλαγή της πλευράς του δίσκου.

 

DVD RW, RAM (Digital Versatile Disc, ReWritable, Random Access Memory – Επανεγγράψιμος, Μνήμης Τυχαίας Προσπέλασης, Ψηφιακός Δίσκος Πολλαπλών Εφαρμογών)

Ο επανεγγράψιμος δίσκος DVD βασίζεται στην ίδια αρχή λειτουργίας που βασίζεται και ο δίσκος CD RW, με τη μόνη διαφορά στην αύξηση της επιφανειακής χωρητικής ικανότητας του δίσκου, που επέφερε η τεχνολογική υπεροχή της οπτικής κεφαλής των DVD. Προς το παρών δεν έχουν εμφανιστεί επανεγγράψιμοι δίσκοι διπλής όψης ή και διπλής στρώσης, ακόμα πιο απίθανο αν αναλογιστεί κανείς τον τρόπο που αποθηκεύονται και διαγράφονται τα δεδομένα στους επανεγγράψιμους δίσκους. Έτσι, ο κοινός επανεγγράψιμος δίσκος DVD είναι σε θέση να χωρέσει περίπου τον ίδιο όγκο δεδομένων με ένα κοινό δίσκο DVD μονής στρώσης και μονής όψης. Στην αγορά κυκλοφορούν πολλοί τύποι επανεγγράψιμων δίσκων DVD, αυτοί είναι οι δίσκοι +RW, -RW και -RAM έχοντας ο καθένας τους δικούς του υποστηρικτές, που αποτελούνται από συνομοσπονδίες μεγάλων εταιριών κατασκευής όπως η Hitachi, Sony, Yamaha, Pioneer κ.α. Τυπικά να αναφερθεί πως οι δίσκοι DVD RAM εμπεριέχονται σε προστατευτικό πλαστικό κέλυφος (δισκέτα) και για το λόγο αυτό η χρήση τους περιορίζεται μόνο σε ιδικές συσκευές που δέχονται τέτοιου είδους δισκέτες. Οι διαφορές μεταξύ των υπόλοιπων επανεγγράψιμων δίσκων DVD είναι μηδαμινές και οι περισσότερες συσκευές εγγραφής και ανάγνωσης DVD είναι συμβατές και με τους δύο τύπους.

 

Οπτικοί δίσκοι WORM (Write Once Read Many - Μονής Εγγραφής Πολλαπλής Ανάγνωσης) διαφορετικής φόρμας

Πολλοί κατασκευαστές συσκευών οπτικής αποθήκευσης δεδομένων, με σκοπό να ικανοποιήσουν τις αποθηκευτικές ανάγκες απαιτητικών χρηστών, δημιούργησαν οπτικές συσκευές και μέσα πέρα από τους περιορισμούς που έθεταν τα πρότυπα του CD και του DVD.

Βασιζόμενοι στην ήδη υπάρχουσα τεχνολογία οπτικής αποθήκευσης, κατασκεύασαν συστήματα με χωρητική ικανότητα μεγαλύτερη από αυτή που μπορούσαν να προσφέρουν τα CD ή τα DVD. Έτσι, αυξάνοντας τη διάμετρο του μέσου ή και βελτιώνοντας την κεφαλή εγγραφής και ανάγνωσης της συσκευής, προσφέρονται λύσεις οπτικής αποθήκευσης δεδομένων, των οποίων η χωρητική ικανότητα σε ψηφιακά δεδομένα ξεκινά από 1 με 2 Gigabytes, για δίσκους των 3,5 και 5,25 ιντσών και ξεπερνά τα 20 και 30 Gigabytes για δίσκους των 12 και 14 ιντσών. Ωστόσο το κόστος τέτοιων λύσεων, λόγω μικρής ζήτησης και περιορισμένης παραγωγής, είναι αρκετά μεγαλύτερο ανά μονάδα Megabyte σε σύγκριση με τους κοινά αποδεκτούς οπτικούς δίσκους.

 

Αποθήκευση σε οπτικούς δίσκους με μπλε λέιζερ

Η νέα γενιά συσκευών και μέσων οπτικής αποθήκευσης σε δίσκο, η οποία θα αντικαταστήσει τους δίσκους DVD, είναι οι συσκευές εγγραφής και ανάγνωσης οπτικών δίσκων με χρήση ακτίνας λέιζερ μπλε χρώματος, δηλαδή με μήκος κύματος από 370 έως 520 νανόμετρα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Η τεχνολογία αυτή είναι η φυσική εξέλιξη του DVD, η οποία επηρεάστηκε ευεργετικά από την εξέλιξη της τεχνολογίας των ημιαγωγών εκπομπής λέιζερ.

Η χρήση ακτίνας λέιζερ μικρότερου μήκους κύματος επιτρέπει τη συρρίκνωση του ίχνους που καταλαμβάνουν τα δεδομένα πάνω στην επιφάνεια του μέσου και συνεπώς συντελεί στην αύξηση της χωρητικής ικανότητας σε δεδομένα του μέσου. Μειώνοντας το μήκος κύματος της δέσμης λέιζερ από τα 650 στα 405 νανόμετρα είναι δυνατό να αυξηθεί η χωρητική ικανότητα του συμβατικού οπτικού δίσκου κατά 2,6 φορές. Σε συνδυασμό με ισχυρότερους φακούς για την εστίαση του λέιζερ πάνω στην επιφάνεια του μέσου, οι συσκευές εγγραφής και ανάγνωσης σε οπτικούς δίσκους με διάμετρο 12 cm και χωρητική ικανότητα άνω των 20 Gigabytes είναι πλέον πραγματικότητα [220].

 

 

Εικόνα 102. Η εξέλιξη των οπτικών δίσκων και η αύξηση της χωρητικής τους ικανότητας (σχηματική αναπαράσταση της επιφανειακής πυκνότητας σε ίχνη δεδομένων, που επιτυγχάνεται με τη χρήση ακτίνας λέιζερ μικρότερου μήκους κύματος και καλύτερων οπτικών για την εστίασή της) [220]

 

Οπτικές ταινίες

Η οπτική αποθήκευση δεδομένων σε ταινία είναι παραλλαγή της αποθήκευσης σε μαγνητικές ταινίες, η οποία ξεκίνησε ερευνητικά ως μια προσπάθεια κατασκευής αφαιρούμενων αποθηκευτικών μέσων με τεράστια χωρητικότητα δεδομένων, η οποία θα ξεκινά από μερικές εκατοντάδες Gigabytes στοχεύοντας να ξεπεράσει τα 1000. Η αρχή λειτουργίας των οπτικών ταινιών είναι παρόμοια με αυτή των μαγνητικών ταινιών. Η κύρια διαφορά τους έγκειται πως η εγγραφή και ανάγνωσή της οπτικής ταινίας πραγματοποιείται με τη βοήθεια ακτίνων λέιζερ από μια οπτική κεφαλή και όχι με μαγνητικά πεδία όπως συνηθίζεται στις μαγνητικές ταινίες.

Η οπτική ταινία δεν είναι καινούργια τεχνολογία. Έχει ιστορία εξέλιξης περίπου 40 χρόνων και στην αγορά κατά καιρούς είχαν κάνει την εμφάνισή τους συσκευές και μέσα οπτικής εγγραφής δεδομένων σε ταινίες, από λίγες εταιρίες που δραστηριοποιούνται σε αυτό τον τομέα. Ωστόσο το υπερβολικά μεγάλο κόστος της συσκευής και του μέσου αποθήκευσης, όπως επίσης και η σχετικά ανώριμη τεχνολογία, η οποία στερείται σε ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων, περιόρισαν τη χρήση τους σε πολύ λίγες εφαρμογές. Παρά την εμπορική αποτυχία των πρώτων συστημάτων οπτικής αποθήκευσης σε ταινία, η έρευνα για την εξέλιξή τους δε σταμάτησε. Οι οπτικές ταινίες προορίζονται να αντικαταστήσουν τις μαγνητικές ταινίες στα επόμενα 10 χρόνια, αφού ήδη η μαγνητική αποθήκευση πλησιάζει στα όριά της λόγω του υπέρ-παραμαγνητικού φαινομένου [221].

 

Το μέλλον της οπτικής αποθήκευσης

Στα ερευνητικά κέντρα μεγάλων εταιριών και πανεπιστημίων, το μέλλον της αποθήκευσης ψηφιακών δεδομένων διαγράφεται κυριολεκτικά λαμπρό. Καθώς η μαγνητική αποθήκευση απειλείται από το υπερ-παραμαγνητικό φαινόμενο, η οπτική αποθήκευση δεδομένων φαίνεται να αποτελεί τη λύση στο πρόβλημα της αποθήκευσης και διατήρησης του ολοένα αυξανόμενου όγκου πληροφορίας που παράγεται ανά την υφήλιο. Τεχνολογίες οπτικής αποθήκευσης όπως η ολογραφική, η ογκομετρική με φθορισμό, η κοντινού πεδίου, η σιδηρο-ηλεκτρική μοριακή, είναι μερικές από τις τεχνολογίες που θα παραλάβουν τη σκυτάλη της οπτικής αποθήκευσης από τη σημερινή συμβατική τεχνολογία της επιφανειακής αποθήκευσης σε προ-χαραγμένους οπτικούς δίσκους.

Στόχος των νέων τεχνολογιών οπτικής αποθήκευσης είναι η όσο το δυνατό μεγαλύτερη συρρίκνωση των bits, αλλά και η μέγιστη δυνατή εκμετάλλευση του φυσικού όγκου του αποθηκευτικού μέσου.

Η ολογραφική αποθήκευση δεδομένων έχει τις βάσεις της στην οπτική θεωρία της συμβολής των ακτίνων λέιζερ. Τα δεδομένα αποθηκεύονται μέσω της ακτινοβολίας λέιζερ στο εσωτερικό του μέσου αποθήκευσης, το οποίο είναι κατασκευασμένο από οργανικό φωτο-πολυμερές υλικό ή ανόργανο κρύσταλλο. Κατά την ολογραφική αποθήκευση δεδομένων, μια δέσμη λέιζερ διαιρείται σε 2 ακτίνες, η μία εκ των οποίων φωτίζει την περιοχή του αποθηκευτικού μέσου, ενώ η δεύτερη, αφού πρώτα λάβει την πληροφορία προς αποθήκευση περνώντας μέσα από μια οθόνη υγρών κρυστάλλων, ή κάποια άλλη συσκευή μορφοποίησης της ακτίνας λέιζερ, κατευθύνεται στην περιοχή του μέσου που φωτίζει η πρώτη δέσμη. Στο σημείο συνάντησης των δύο ακτίνων, το φωτοευαίσθητο υλικό του μέσου αποθήκευσης μεταβάλλεται αλλού περισσότερο και αλλού λιγότερο, ανάλογα με τους κροσσούς συμβολής που δημιουργούνται από τη συμβολής των δύο ακτίνων. Για την ανάγνωση των αποθηκευμένων δεδομένων, μια δέσμη ακτίνων λέιζερ εστιάζεται στην περιοχή του μέσου όπου έχουν αποθηκευτεί τα δεδομένα και κατόπιν, έχοντας την πληροφορία από τα δεδομένα, προβάλλεται πάνω σε έναν αισθητήρα εικόνας (κάμερα) [127].

 

 

Εικόνα 103. Σχηματική αναπαράσταση του τρόπου λειτουργίας της ολογραφικής
αποθηκευτικής συσκευής [127]

 

Η ολογραφική αποθήκευση είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία η οποία θα προσφέρει ευμεγέθεις αποθηκευτικούς χώρους, σε συνδυασμό με πολύ υψηλές ταχύτητες πρόσβασης και μεταφοράς δεδομένων. Ωστόσο, η τεχνικομηχανική (hardware) σύνθεση των συσκευών ολογραφικής αποθήκευσης είναι πολύ προηγμένη και ακριβή, με αποτέλεσμα η μαζική τους παραγωγή να καθυστερήσει αρκετά. Οι ερευνητές υποθέτουν πως οι πρώτες συσκευές ολογραφικής αποθήκευσης θα κάνουν την εμφάνισή τους μετά από 10 χρόνια, εποχή που η συμβατική οπτική αποθήκευση με χρήση μπλε ακτίνων λέιζερ θα φτάνει στα όριά της [128].

 

 

 

Εικόνα 104. Πειραματική διάταξη ολογραφικής αποθήκευσης σχεδιασμένη και
κατασκευασμένη από ερευνητές του πανεπιστημίου Stanford των Η.Π.Α. [127]

 

Η ογκομετρική αποθήκευση με φθορισμό είναι μια παραλλαγή της συμβατικής τεχνολογίας οπτικής αποθήκευσης, που χρησιμοποιείται σήμερα στις συσκευές εγγραφής και ανάγνωσης οπτικών δίσκων τύπου CD/DVD, και πιθανότατα η τεχνολογία που θα παραλάβει τη σκυτάλη μετά τους δίσκους μπλε ακτίνων λέιζερ. Η διαφοροποίησή της σε σχέση με τη συμβατική οπτική τεχνολογία απαντάται κυρίως στον τρόπο ανίχνευσης της αποθηκευμένης πληροφορίας, ο οποίος δεν βασίζεται στην αντανάκλαση της ακτίνας λέιζερ από κάποιο ανακλαστικό στρώμα κάτω από τα δεδομένα, αλλά στο φως που παράγεται από τον φθορισμό των δεδομένων, λόγω χρήση ιδικών φθορίζων υλικών κατασκευής του μέσου αποθήκευσης. Η τεχνολογία αυτή, λόγω της έλλειψης των ανακλαστικών επιφανειών και της διαφανούς φύσης των υλικών κατασκευής του μέσου επιτρέπει τη δημιουργία δίσκων με περισσότερα των 2 στρωμάτων αποθήκευσης δεδομένων, χαρακτηριστικό που πρωτοεμφανίστηκε στους δίσκους DVD. Τα πρώτα δισκάκια που θα πρωτοεμφανιστούν στην αγορά θα έχουν 10 στρώματα αποθήκευσης και διάμετρο 12 εκατοστά και θα είναι ικανά να αποθηκεύουν 140 Gigabytes δεδομένων, χωρίς να απαιτούν την αλλαγή της πλευράς του δίσκου όπως συμβαίνει με τους δίσκους DVD των 4 στρωμάτων (διπλής στρώσης, διπλής πλευράς) [128].

Άλλη μια υποψήφια τεχνολογία οπτικής αποθήκευσης του κοντινού μέλλοντος είναι η οπτική αποθήκευση κοντινού πεδίου. Η μέθοδος αυτή βασίζεται στο φαινόμενο κοντινού πεδίου, που δημιουργείται όταν η ακτίνα λέιζερ, που χρησιμοποιείται για την εγγραφή της πληροφορίας, περάσει μέσα από μια οπή με μέγεθος μικρότερο από το μήκος κύματος της. Έτσι είναι εφικτό να σμικρυνθεί ακόμα περισσότερο το ίχνος που καταλαμβάνει στην επιφάνεια του αποθηκευτικού μέσου ένα Bit δεδομένων, φτάνοντας σε επίπεδο που το μέγεθος του να είναι υποπολλαπλάσιο του μήκους κύματος της ακτίνας λέιζερ εγγραφής. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, με τη χρήση της συμβατικής τεχνολογίας οπτικής αποθήκευσης, το ελάχιστο μέγεθος του ίχνους που καταλαμβάνει ένα Bit αποθηκευμένης ψηφιακής πληροφορίας στην επιφάνεια του μέσου αποθήκευσης, καθορίζεται από το μήκος κύματος της ακτίνας λέιζερ της αποθηκευτικής συσκευής [129].

Η σιδηροηλεκτρική μοριακή οπτική αποθήκευση είναι μια τεχνολογία αποθήκευσης δεδομένων σε μοριακό επίπεδο, η οποία αν και σε θεωρητικό στάδιο ακόμα, υπόσχεται οπτικούς δίσκους των 3,5 ιντσών με χωρητική ικανότητα 10 Terabytes, διάρκεια ζωής 100 χρόνια και 400.000 φορές ταχύτερη πρόσβαση στα δεδομένα σε σχέση με τη σημερινή τεχνολογία οπτικής αποθήκευσης. Η αρχή λειτουργίας της βασίζεται πάνω σε θεωρίες κβαντομηχανικής που διατυπώθηκαν από τον Αϊνστάιν και τον Πλανκ και αφορούν τη αλληλεπίδραση μεταξύ φωτονίων ηλεκτρονίων και άλλων στοιχειώδες σωματιδίων της ύλης. Με αυτή τη μέθοδο ψηφιακής αποθήκευσης, τα δεδομένα θα αποθηκεύονται στη λεπτή επιφάνεια του μέσου, η οποία θα απαρτίζεται από σιδηρομαγνητικούς νανοκρυστάλλους περοβσκίτη, με τη βοήθεια υπεριώδους ακτινοβολίας λέιζερ και την εφαρμογή κατάλληλων ηλεκτρικών πεδίων. Η ανάγνωση των δεδομένων θα πραγματοποιείται και πάλι με τη χρήση υπεριώδους ακτινοβολίας λέιζερ, αυτή τη φορά όμως χαμηλότερης ισχύος, η οποία ανακλώμενη από την επιφάνεια του αποθηκευτικού μέσου, θα ανιχνεύεται από ένα νανοοπτικό ημιαγωγό (τρανζίστορ) [132].