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 vonstatten gehen, 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.

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).

• 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 Megabyte 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.

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 Reflexionseigenschaften 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 der CD-RW: 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.