حافظه‌ها‌ی نوری

   حافظه‌های نوری، رسانه‌ی ذخیره‌سازی الکترونیکی است که از پرتوهای لیزر کم مصرف برای ضبط و بازیابی داده‌های دیجیتال یعنی دودویی استفاده می‌کند. در فناوری حافظه‌های نوری، یک پرتو لیزر داده‌های دیجیتالی را بر روی یک دیسک نوری یا لیزری به شکل حفره‌های کوچکی که در یک مسیر مارپیچی مرتب شده‌اند، رمزگذاری می‌کند. روی سطح دیسک یک اسکنر لیزری کم مصرف برای خواندن این حفره‌ها استفاده می‌شود، با تغییرات در شدت نور منعکس‌شده از چاله‌ها که به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌شوند. این فناوری در لوح فشرده که صدا را ضبط می‌کند استفاده می‌شود. در CD_ROM ( حافظه‌ی فقط خواندنی دیسک فشرده )، که می‌تواند متن و تصاویر و همچنین صدا را ذخیره کند. در WORM در دیسک‌های جدیدتر که کاملا قابل بازنویسی هستند.

   IBM ذخیره سازی نوری را به عنوان هر روش ذخیره سازی که از لیزر برای ذخیره و بازیابی داده ها از رسانه های نوری استفاده می کند، تعریف می کند. لوح فشرده یا CD و DVD نمونه هایی از رسانه های نوری هستند. حافظه های نوری ذخیره سازی داده ها بر روی یک رسانه ی قابل خواندن نوری است. داده ها با ایجاد علامت هایی در الگوی ثبت می شوند که می توان آن را با کمک نور بازخوانی کرد. نمونه ی قدیمی تر ذخیره سازی نوری که نیازی به استفاده از رایانه ندارد، میکروفرم است. ابزارهای دیگری برای ذخیره سازی نوری داده ها وجود دارد و روش های جدیدی در حال توسعه هستند. درایو دیسک نوری دستگاهی در رایانه است که می تواند CD_ROM یا سایر دیسک های نوری مانند DVD و دیسک های بلوری را بخواند.

   حافظه‌های نوری با سایر تکنیک‌های ذخیره‌سازی داده که از  فناوری‌های دیگری مانند مغناطیس مانند فلاپی دیسک‌ها و هارد دیسک‌ها یا نیمه هادی‌ها مانند حافظه‌ی فلش استفاده می‌کنند، متفاوت است. فضای ذخیره‌سازی نوری می‌تواند از یک درایو یکتا که یک CD_ROM را می‌خواند تا چندین درایو که چندین دیسک را می‌خواند. CDهای یکتا ( دیسک‌های فشرده ) می‌توانند حدود 700 مگابایت را در خود جای دهند. DVDهای تک لایه می‌توانند 4.7 گیگابایت را در خود جای دهند در حالی که دو لایه می‌توانند 8.5 گیگابایت را در خود جای دهند. با دو طرفه ساختن DVDها با سطوح قابل خواندن در دو طرف دیسک، می‌توان این حجم را به 9.4 و 17 گیگابایت افزایش داد.

   DVDهای HD قادر به ذخیره‌ی 15 گیگابایت با تک لایه و 30 گیگابایت با دو لایه بودند. دیسک‌های بلوری که با شکست دادن DVDهای HD در جنگ فرمت‌های نوری HDTV پیروز شدند، می‌توانند 25 گیگابایت برای تک لایه، 50 گیگابایت برای دیسک‌های دو لایه و تا 128 گیگابایت برای دیسک‌های چهار لایه را در خود جای دهند. ذخیره‌سازی نوری شامل CD و DVD است.

    ذخیره‌سازی نوری به شکل دیسک امکان ضبط بر روی یک دیسک فشرده را در زمان واقعی به شما می‌دهد. دیسک‌های فشرده دارای مزایای بسیاری نسبت به پخش‌کننده‌های نوار صوتی بودند، مانند کیفیت صدای بالاتر و توانایی پخش صدای دیجیتال. حافظه‌های نوری به دلیل ویژگی‌های سبز و کارایی آن با انرژی‌های بالا اهمیت پیدا کرد.

   با تلفیق دو تکنولوژی مغناطیس و نور، تلاش می‌شود تا دیسک‌هایی ایجاد شوند که هم خاصیت قابل پاک شدن و بازنویسی دیسک‌های مغناطیسی را داشته باشند و هم چگالی و ظرفیت بسیار بالای دیسک‌های نوری. به نظر می‌رسد که این دیسک‌ها در تولید انبوه به بازار مصرف عرضه شده است. قطر این دیسک‌ها 5 اینچ بوده، از نوع پاک‌شدنی هستند و از سرعت بسیار بالایی برخوردارند، سرعت انتقال در این دیسک‌هاحدود یک مگابایت در ثانیه و یا بیشتر است.

   در سال‌های اخیر دیسک‌های نوری به طور وسیعی برای سرگرمی، برنامه‌های تعلیم و تربیت و ارتباطات تصویری – صوتی به کار گرفته شده‌اند. در زمینه ذخیره اطلاعات، سیستم‌های ثبت نوری مستقیم به عنوان تجهیزات رایانه‌ای معروف شده‌اند، جایی که ترکیب ظرفیت اطلاعات خیلی زیاد و دسترسی سریع به آن‌ها توسط دیسک‌های نوری یک جایگزین جذاب برای روش‌های دیگر ذخیره حافظه رایانه‌ای است. ظرفیت اطلاعات زیاد، طول عمر زیاد و زمان طولانی نگهداری، کاربردهای ذخیره و ... را منحصر به خود کرده است.

1-1 مزیت‌های دیسک‌های نوری

   اصلی‌ترین مزیت دیسک‌های نوری بر دیگر سیستم‌ها مانند دیسک‌های صوتی معمولی و سیستم‌های نوار مغناطیسی، علاوه بر ذخیره اطلاعات به چگالی بالا، عدم تماس فیزیکی بین سیستم و ماده ذخیره اطلاعات است که از پاره شدن جلوگیری می‌نماید. علاوه بر این در دیسک‌های نوری، لایه ماده شفافی را می‌توان روی اطلاعات ذخیره شده نشانید تا آسیب نبیند. گرامافون اطلاعاتی را در سطح دیسک به صورت مارپیچ ضبط می‌کند که ردپا نامیده می‌شود. در عمل در دیسک‌های نوری، نه شیار و نه خط مداوم وجود دارد بلکه فقط علامت‌ها مارپیچ‌های شکسته‌ای را شکل می‌دهد. این علامت‌ها مساحت‌های کوچکی هستند که نسبت به اطراف خود فرق دارند. معمولا حفره‌هایی در سطح دیسک ایجاد می‌کنند. در نتیجه بازتاب در طول مسیر با توجه به توزیع حفره‌ها تغییر می‌کنند، که بیانگر ثبت اطلاعات است.

1-2 ذخیره و خواندن اطلاعات ذخیره شده

 

   برای خواندن اطلاعات ذخیره شده بازوی اپتیکی تغییرات بازتاب را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. یک عدسی در داخل بازو پرتو کم توان لیزر را به لکه کوچک نوری بر روی مسیر متمرکز می‌کند و همچنین نور بازتاب شده از دیسک را مجددا به آشکارساز نوری هدایت می‌کند.

   خروجی آشکارساز نوری براساس توزیع گودال‌های طول مسیر تغییر می‌کند و سیگنال الکتریکی را می‌دهد که می‌توانیم سیگنال صدا، تصویر و یا داده‌ها را دوباره به دست آوریم. سیگنال‌های صدا به صورت دیجیتال در دیسک ذخیره می‌شوند. نمونه‌های صدا با آهنگ  44.1KHZ به دست می‌آید و بلندی صدا برای هر نمونه به مقادیر عددی به صورت کلمه کد دوتایی، 16 بیتی در می‌آید. بیت‌های اضافی برای اصلاح خط اضافه می‌شود و بیت‌های فراوانی در فرکانس 4.3218MHZ بر روی دیسک ذخیره می‌شود.

   صفرها بیانگر سیگنال نوری کوچک و یک‌ها بیانگر سیگنال‌های قوی هستند، از این رو مسیر از حفره‌ها و فضاهایی با طول‌های مشخص تشکیل شده است. از طرفی، سیگنال‌های ویدیویی، به صورت آنالوگ ذخیره‌سازی می‌شوند، زیرا ذخیره‌سازی به روش دیجیتال احتیاج به پهنای باند بسیار بالا دارد. سیگنال ترکیبی ویدیو (با رنگ و اطلاعات تابشی) به صورت فرکانس مدوله می‌شود (FM) حدود فرکانس حامل 7.5MHZ  و صدا به آن بعدا با مدولاسیون اضافه می‌شود. این باعث می‌شود تا فاصله گودال‌های (مرکز تا مرکز) بر اساس مدولاسیون فرکانس صورت مربوطه تغییر کند. در حافظه‌های نوری داده‌ها هم به صورت آنالوگ و هم به صورت دیجیتال ذخیره می‌شوند.

   برای مفید واقع شدن در فرآیند کردن داده‌ها در الکترونیک تجهیزات ذخیره‌سازی باید قادر به بازسازی داده‌های ذخیره‌شده با حداقل میزان خطا و در حدود یک قسمت در 1210 باشد، که دیسک‌های نوری به این دقت رسیده‌اند. با دیسک‌های نوری به چگالی اطلاعات زیادی از یک لکه متمرکز شده بسیار کوچک لیزر دست یافته‌اند.

1-3 ثبت کردن

   فرآیند ثبت اطلاعات بستگی به این دارد که آیا قرار است اساسا دیسک به تعداد زیادی برای مشتریان بازار کپی‌برداری شود و یا برای ذخیره‌سازی مهیا می‌شود. بیشتر دیسک‌ها، به هر منظوری که تهیه شوند، حاوی اطلاعات زیادی با کیفیت خوب هستند. بنابراین کپی‌کردن آن‌ها نسبتا آسان و ارزان است.

1-4 مواد ثبت کننده

   گودال‌ها دارای ابعاد میکرون است و از این رو مواد ثبت‌کننده نیز باید دارای توان تفکیک بالا باشند و برای آن که بتوانیم توان لیزری مورد نیاز را به حداقل برسانیم باید دارای حساسیت خیلی بالا باشند. ترجیحا مواد ثبت‌کننده باید بتوانند ثبت زمان واقعی را انجام دهند و اجازه خواندنسریع اطلاعات ذخیره‌شده را نیز ممکن سازند. یعنی به طور ایده‌آل فرآیندهای مرحله‌ای بین نوشتن و خواندن وجود نداشته باشد.

خواندن داده‌ها از دیسک‌های نوری

   باریکه لیزر،  معمولا از یک لیزر دیود به دلیل اندازه قابل ملاحظه‌اش از طریق زیر لایه به لایه بازتاب‌کننده دیسک متمرکز می‌شود. عدسی متمرکز‌کننده شبیه به یک عدسی شیء است. قسمتی از نور بازتاب‌شده، که توسط دیسک مدوله شده است با همان عدسی گردآوری می‌شود و بر روی آشکارساز نوری هدایت می‌شود. نور به شدت از نواحی که گودال وجود ندارد (معمولا زمین خوانده می‌شود) بازتاب می‌شود و به طور وسیعی توسطگودال‌ها پراکنده می‌شود، به طوری که خروجی آشکارساز وقتی باریکه مسیر را طی می‌کند، تغییر می‌یابد. برای مثال، در ذخیره به روش دیجیتال، تغییر در میزان سیگنال بازتاب شده بیانگر انتقال از گودال به زمین و یا بالعکس است. در حقیقت این انتقالات به کار می‌روند تا یک‌ها را بیان کنند، در حالی که فاصله بین انتقالات گودال‌ها و یا زمین بیانگر تعداد صفرها است.

2-1 مزیت‌های استفاده از نور بازتابی به جای نور عبوری

   استفاده از بازتاب به جای نور عبوری چندین مزیت دارد. برای مثال از آنجایی که فقط یک سطح دیسک مورد استفاده قرار می‌گیرد ساختمان حرکت آزاد سیستم ساده می‌شود و تعداد قطعات نوری مورد نیاز کاهش می‌یابد. لایه نشانی محافظ نیز فقط بر روی یک طرفه لایه اطلاعات لازم است و ساختمان کنده‌کاری کم عمق‌تر از حالت عبوری است، این دو نکته باعث تولید انبوه دیسک می‌شود. نهایتا، سیستم کنترل خیلی ساده‌تر ساخته می‌شود و لکه و خراش‌های سطح محافظ از لایه اطلاعات جدا می‌شوند و از تمرکز خارج می‌شوند و به این طریق اثر آن بر روی سیگنال بازخوانی حذف می‌شود.

2-2 دیسک‌های نوری قابل پاک‌شدن

   برای خیلی از کاربردها مانند حسابگری و به‌روز کردن اطلاعات تسهیلات پاک‌کردن و درباره نوشتن مفید است. موادی که می‌توانند برای دیسک‌های نوری قابل پاک‌شدن مورد استفاده قرار گیرند شامل مواد مگنتو اپتیک، ترمو پلاستیک‌ها و لایه‌های نازک برای ذخیره دائمی و مواد فوتوکرومیک، فوتوفریک و فوتوکانداکتیو برای ذخیره‌سازی برای زمان‌های محدود به کار می‌روند. اگر ناحیه مجاز به سرد‌شدن در حضور میدان خارجی که در جهت غیرموازی با مغناطیس‌شدن اولیه است باشد، آن گاه نواحی که پلاریزاسیون را ذخیره کرده‌اند تشکیل می‌شوند. خواندن در این حالت معمولا با استفاده از اثر مگنتو-اپتیک کر (که آن باریکه پلاریزه نور که از سطح مغناطیس شده بازتاب می‌شود دارای صفحه پلاریزاسیون است و به میزانی که بستگی به شدت مغناطیس‌شدن و جهت مغناطیس‌شدن دارد نسبت به جهت پرتوی نور، می‌چرخد)، انجام می‌شود. باریکه پلاریزه شده دارای چرخش‌های متناوب است، بسته به اینکه کدام قسمت فیلم برخورد می‌کند و از آن بازتاب می‌کند، مقدار چرخش فقط چند دهم درجه است و معمولا با روش‌های آشکارسازی حساس، از عبور نور بازتابی از یک تقسیم‌کننده پرتو پلاریزه‌کننده و مقایسه دو نور تولید شده به دست می‌آید.

   پاک کردن و دوباره نوشتن به سادگی از گرم کردن لایه نازک روی دیسک تا دمای بالاتر از نقطه کوری و در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی به دقت هدایت شده انجام می‌شود. به وضوح لیزری که برای خواندن به کار می‌رود باید دارای توان به مراتب کمتر از توان لیزری که برای نوشتن به کار می‌رود، باشد تا از بین بردن داده‌های ذخیره‌شده جلوگیری شود.

   اخیرا توجه زیادی به دیسک‌های نوری قابل پاک‌کردن شده است و چندین سیستم چند لایه‌ای ارزیابی شده است. سیستم‌های دیسک نوری به طور رو به افزایشی در سیستم‌های ذخیره‌سازی انبوه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

                              

                                                          شکل 1

در شکل 1 انواع حافظه نشان داده شده است.

 

                              
                                                             

                                                              شکل 2

شکل 2 بیانگر این است که هر چه از پایین به سمت بالا می‌رویم هزینه تولید این حافظه‌ها گران‌تر و حجم این حافظه‌ها کمتر می‌شود و سرعت این حافظه‌ها بیشتر می‌شود.