Dyski CD (ang. Compact Disk) i DVD (ang. Digital Video Disk) są obecnie spotykane powszechnie. Używa się ich do zapisu muzyki, filmów, programów komputerowych, itp. Każdy współczesny komputer osobisty jest wyposażany standardowo w stację DVD, która pozwala odczytywać takie dyski. Coraz popularniejsze stają się również nagrywarki DVD, które, oprócz funkcji odczytu, pozwalają również na zapis danych na specjalnych dyskach optycznych - tzw. optycznych dyskach zapisywalnych - CD-R, DVD-R. Niektóre z tych dysków umożliwiają nawet wielokrotny zapis - dyski CD-RW, DVD-RW.

Dyski kompaktowe CD opracowano pierwotnie do zapisu muzyki w postaci cyfrowej. Jak zapisać cyfrowo dźwięk? Otóż dźwięk składa się z fali akustycznej, czyli zmian ciśnienia gazu, które przemieszczają się od źródła do odbiorcy. Falę tę odczytuje się za pomocą specjalnych przetworników - mikrofonów. Mikrofony zamieniają falę akustyczną w odpowiednio zmienne napięcie elektryczne. Zmiany napięcia na wyjściu mikrofonu są proporcjonalne do zmian ciśnienia gazu, które docierają do mikrofonu. Napięcie to jest wzmacniane i mierzone przez tzw. przetwornik analogowo cyfrowy (ang. A/D converter), który przetwarza wartość napięcia na odpowiadającą mu liczbę dwójkową. Pomiar napięcia nie jest ciągły, lecz występuje w wybranych momentach czasu z pewną częstotliwością. Nazywamy to próbkowaniem sygnału (ang. sampling). Dla urządzeń audio o wysokiej jakości odtwarzania dźwięku (jakość Hi-Fi - ang. High Fidelity - wysoka wierność) przyjęto, iż częstotliwość próbkowania będzie wynosić 44.100 [Hz]. Tzn. w każdej sekundzie przetwornik A/D dokonuje 44.100 pomiarów napięcia reprezentującego falę dźwiękową. Gwarantuje to otrzymanie pasma dźwiękowego od 20 [ Hz } do 20.000 { Hz }. W takim zakresie słyszy dźwięki normalny człowiek.

Na wyjściu przetwornika A/D otrzymujemy binarną wartość mierzonego napięcia. Dla standardu CD przyjęto, iż wartość ta będzie liczbą 16-to bitową. 16 bitów odpowiada dwóm bajtom danych. W ciągu jednej sekundy przetwornik A/D produkuje:

44.100 × 2 = 88.200 B

Cała płyta CD może pomieścić 74 minuty nagrania. Daje to 74 × 60 = 4440 sekund. Zatem płyta powinna pomieścić:

88.200 B × 4.440 sek × 2 kanały = 783.216.000 B = 747 MB

Rzeczywista pojemność dysku jest nieco większa, ponieważ muszą się na nim znaleźć dodatkowe informacje, np. na temat zapisanych utworów, ich położenia, długości. Dane są kodowane kodem ECC, który potrafi usuwać błędy odczytu. Gdyby to nie było zrobione, płyta CD bardzo szybko przestałaby być użyteczna z powodu drobnych zarysowań powierzchni.

Sam dysk CD jest w miarę prostym krążkiem tworzywa poliwęglanowego o grubości ⁴/₁₀₀ cala (1.2 mm), średnicy 12 cm i wadze 14 g. Podczas produkcji w fabryce na krążku tym zostają odciśnięte przez matrycę mikroskopijnej wielkości wgłębienia (tzw. pity), tworząc pojedynczą, ciągłą ścieżkę spiralną, na której zapisane są dane cyfrowe.

Po odciśnięciu tych wgłębień powierzchnia dysku CD zostaje pokryta cienką warstwą aluminium. Warstwa ta pełni rolę lustra, które będzie odbijało światło lasera. Następnie na aluminium nakłada się akrylową warstwę ochronną, na której zwykle drukowana jest etykieta dysku CD. Warstwa ta ma za zadanie zabezpieczyć aluminium przed ścieraniem się z powierzchni płyty.

Odczyt danych z powierzchni dysku CD odbywa się za pomocą światła lasera. Do tworzenia tego światła stosuje się zwykle diodę LED (ang. Light Emitting Diode), która emituje światło o długości fali równej 780 nm. Jest to światło czerwone na granicy widzialności oka człowieka. Światło lasera pada na powierzchnię płytki i zostaje odbite przez warstwę aluminium. Po odbiciu trafia na fotodiodę, która zamienia strumień świetlny na prąd elektryczny. Prąd ten zostaje odpowiednio wzmocniony i służy do odczytu informacji zapisanej na płytce CD.

Układ odczytujący wraz z optyką jest umieszczony na specjalnym wózku, który przemieszcza się wzdłuż promienia dysku CD przy pomocy małego silniczka.

Optyka ma za zadanie odpowiednio skupić światło lasera na powierzchni dysku. Aby wyeliminować kurz i małe rysy, wiązka lasera posiada kształt stożka, który na powierzchni płyty ma średnicę około 800 μm, natomiast na powierzchni aluminiowej tylko 1,7 μm. Skonstruowanie układu ogniskowania, który by zapewniał takie parametry w trakcie wirowania dysku byłoby bardzo trudne. Dlatego stosuje się dynamiczne ogniskowanie wiązki - soczewki skupiające umieszczone są wewnątrz specjalnych cewek, które przesuwają się w polu magnetycznym, ogniskując promień lasera.

Wykorzystuje się do tego celu zmienny kształt wiązki lasera po przejściu jej przez soczewkę cylindryczną. Gdy wiązka jest w ognisku, ma kształt kołowy. Jeśli jest niezogniskowana, to przyjmuje kształt eliptyczny z wydłużoną osią poziomą lub pionową w zależności od tego, czy ognisko jest wcześniej, czy później. Plamka lasera pada na specjalny detektor, który jest wyposażony w cztery punkty pomiarowe (fotodiody) A, B, C i D.

Do sterowania ruchem soczewki skupiającej używa się sygnału różnicowego ( A+B ) - ( C+D ) . Taki system dynamicznie reguluje układ optyczny, który nadąża za drganiami spowodowanymi ruchem dysku CD. Ten sam detektor używany jest również do pozycjonowania lasera na ścieżce z pitami. Jeśli ścieżka przesuwa się w prawo lub w lewo, do więcej sygnału dostaje się odpowiednio do diody D lub C.

W takich przypadkach układ sterujący odpowiednio przesuwa wózek z głowicą laserową, zapewniając ciągły odczyt ścieżki.

Oprócz problemów z pozycjonowaniem wiązki laserowej, układ napędowy CD musi również zapewnić stałą prędkość liniową promienia lasera na ścieżce. Powoduje to, iż dysk CD obraca się z różną prędkością kątową w zależności od położenia głowicy laserowej. Im bliżej środka dysku, tym prędkość ta jest większa.

Sam odczyt polega na tym, iż laser w różny sposób odbija się od powierzchni dysku. Natrafiając na pit, zostaje on rozproszony i w efekcie do detektora dostaje się mniej światła. Powoduje to modulację strumienia świetlnego, a w efekcie modulację prądu elektrycznego otrzymywanego z detektora. Na podstawie tych zmian układy logiczne stacji CD odczytują informację zapisaną na dysku CD.

Tak w uproszczeniu działa system CD. W toku rozwoju wprowadzono w nim wiele zmian i ulepszeń, które poprawiły osiągi stacji CD oraz zwiększyły ich niezawodność. Dyski CD pierwotnie używano tylko do zapisu muzyki, jednakże szybko stały się nośnikiem danych cyfrowych dla rozwijających się komputerów. Ponieważ dane cyfrowe nie mogą zawierać żadnych błędów, na dyskach CD ROM stosuje się lepszy system korekcji błędów ECC. Z tego powodu pojemność typowego dysku CD wynosi około 650 MB danych.

Technologia dysków CD została rozszerzona o dyski zapisywalne - CD-R (ang. Compact Disk Recordable). Wymagają one specjalnych stacji CD-ROM, które posiadają możliwość zapisu danych na dysku CD-R, zwanych nagrywarkami CD (ang. CD Recorder). Budowa płyt CD-R nieco różni się od zwykłych płyt CD. Przede wszystkim nie występują w nich pity. Zamiast nich pomiędzy warstwą poliwęglanu a powłoką odbijającą (zamiast aluminium stosuje się tu warstewkę złota, dlatego płyty CD-R posiadają często żółty kolor powierzchni refleksyjnej) umieszczona jest warstwa specjalnego tworzywa, które zmienia barwę pod wpływem odpowiednio silnego światła lasera. Na wewnętrznej powierzchni dysku z poliwęglanu wykonany jest cieniutki rowek, posiadający kształt spirali. Służy on do prowadzenia lasera podczas zapisu danych.

W trakcie zapisu laser pracuje z dużo większą mocą. Rozgrzane tworzywo zmienia swoją barwę. Zmiany barwy wzdłuż rowka zapisującego odpowiadają pitom zwykłej płyty CD. Przy normalnym odczycie laser nie posiada odpowiednio dużej mocy, aby zmienić kolor barwnika. Zatem raz zapisaną płytę CD-R można dowolną ilość razy odczytywać, jak zwykły dysk CD.

Oprócz płyt CD-R, które umożliwiają jednokrotny zapis, opracowana również płyty CD-RW (ang. Compact Disk ReWritable), pozwalające na wiele cyklów zapisu, kasowania i ponownego zapisu. W dysku CD-RW pomiędzy warstwą z poliwęglanu a warstwą refleksyjną znajduje się warstwa ze specjalnego stopu czterech metali - srebra, indu, antymonu i telluru. Warstwa ta posiada własność zmian przezroczystości pod wpływem światła lasera o różnej energii. Proces ten jest w pełni odwracalny. Dzięki temu informację zapisaną na płycie CD można wymazać i zastąpić inną.

Nagrywarki CD mogą pracować z różnymi prędkościami zapisu. Za pojedynczą prędkość przyjmuje się standardowy czas odtwarzania płyty CD-Audio - 74 minuty. Nagrywarka pracująca z większą prędkością zapisuje pełen dysk CD w czasie odpowiednio krótszym:

Rosnące wymagania użytkowników oraz potrzeba cyfrowego zapisu filmów doprowadziły do opracowania ulepszonego standardu DVD (ang. Digital Video Disk). W systemie DVD zmniejszono rozmiar plamki lasera, dzięki czemu udało się zwiększyć ponad 6-cio krotnie pojemność dysku. Ścieżki na dysku DVD są mniejsze w porównaniu z dyskiem CD i mieszczą więcej informacji. Dyski DVD opracowano z myślą o cyfrowym zapisie obrazu TV. Standardowa pojemność jednej strony dysku DVD wynosi około 4,7 GB, co pozwala na zapis 2 godzin filmu w formacie MPEG-2 (telewizyjny format cyfrowy). Jednakże wraz z upowszechnieniem się tego standardu został on zaadoptowany przez komputery jako tani nośnik dużej ilości informacji.

Dysk DVD wykorzystuje do maksimum możliwości lasera czerwonego. Dalsze zagęszczanie ścieżek i zmniejszanie rozmiarów pitów napotyka na barierę rozdzielczości promieni lasera. Jednakże dyski DVD mogą być dwuwarstwowe oraz obustronne. W płytach dwuwarstwowych DVD DL (ang. DVD Double Layer) dostęp do głębszej warstwy uzyskuje się regulując skupienie wiązki laserowej.

Rozwiązanie to pozwala podwoić pojemność płyty DVD do 8,5 GB. Na płycie DVD DL można zapisać 4 godziny filmu w cyfrowej jakości wraz z 6 kanałowym dźwiękiem. Płyta dwustronna i dwuwarstwowa DVD posiada pojemność 17,5 GB.

Płyty DVD również występują w wersji zapisywalnej DVD+R i DVD-R. Oba te standardy nieznacznie różnią się między sobą:

• DVD-R: pojemność 4,489MB 4,706,074,624 bajtów, czyli 4.383GB - lepsze do filmów
• DVD+R: pojemność 4,483MB 4,700,372,992 bajtów, czyli 4.377GB - lepsze do danych

Wzrost pojemności dysku DVD-R w porównaniu z CD-R uzyskano za pomocą zmniejszenia rozmiarów pitów. Zapis i odczyt dokonywany jest laserem o długości fali 650 nm. Dyski wykonuje się z dwóch krążków poliwęglanowych, które klei się razem w trakcie produkcji płyty. Pierwszy z tych krążków posiada warstwę zapisywalną, pokrytą warstwą refleksyjną wykonaną z aluminium i specjalnego barwnika, zmieniającego kolor pod wpływem odpowiednio silnego światła lasera. Drugi krążek stabilizuje zachowanie się całego dysku DVD podczas operacji odczytu/zapisu. Dyski dwustronne mają warstwę zapisywalną na obu krążkach. Standard DVD wyparł we współczesnym sprzęcie informatycznym standard CD - nagrywarki DVD stały się standardowym elementem wyposażenia wszystkich współczesnych komputerów. Ich zaletą jest możliwość odczytu i zapisu również zwykłych płyt CD, CD-R, CD-RW.

Dyski DVD również występują w wersji wielokrotnego zapisu DVD-RW. Zasada działania tego systemu jest bardzo podobna do CD-RW. Warstwa zapisywalna może być wielokrotnie kasowana światłem lasera i zapisywana ponownie. Technologia wielokrotnego zapisu dotyczy również dysków DVD dwuwarstwowych.

Ilość czasu niezbędnego do zapisu dysku DVD-R lub DVD-RW zależy od szybkości zapisu nagrywarki DVD, użytego trybu zapisu przez tę nagrywarkę, ilości informacji do zapisu oraz zastosowanego systemu weryfikacji zapisu. Szybkość nagrywania danych mierzona jest w ten sam sposób, co szybkość odczytywania danych przez zwykłą stację DVD-ROM lub odtwarzarki DVD. Przy pojedynczej prędkości nagrywarka zapisuje w każdej sekundzie 1,32 MB danych. Większe prędkości zapisu są wielokrotnościami tej prędkości podstawowej.

Tryby zapisu

Wykorzystując osiągnięcia standardów CD-R i CD-RW, parametry zapisywalnych dysków DVD znacznie ulepszono w krótkim czasie. Szybkość zapisu dysków DVD obecnie przewyższa nawet najszybsze nagrywarki CD-R i CD-RW.

Stała Prędkość Liniowa - Constant Linear Velocity (CLV)

Pierwotnie nagrywarki DVD pracowały w trybie CLV w celu utrzymania stałej szybkości przesyłu danych w obrębie całego dysku. Tryb CLV ustala szybkość obrotową dysku od 1400 obr/min, która następnie jest zmniejszana do 580 obr/min, gdy głowica laserowa odczytuje lub zapisuje dane ze wewnętrznej lub zewnętrznej średnicy dysku. Ponieważ cały dysk zapisywany jest ze stałą szybkością przesyłu danych, to zapis 4,7 GB zajmuje około 57 minut czasu przy pojedynczej prędkości CLV. Gdy rośnie szybkość zapisywania, rośnie również szybkość przesyłu danych, zatem przy 4 x CLV czas zapisu wynosi w przybliżeniu 14 min. Czas zapisywania zależy również od ilości danych do zapisu. Zatem dyski niepełne zostaną zapisane w proporcjonalnie krótszym czasie. Lecz zapisywanie przy dużych prędkościach wymaga coraz szybszych obrotów dysku (przy 6 x CLV od 8400 obr/min do 3480 obr/min), co stawia duże wymagania fizyczne dla nagrywarek, dysków DVD oraz oprogramowania. Wytwórcy sprostali tym wyzwaniom wykraczając poza tryb CLV w celu uzyskania jeszcze wyższych parametrów zapisu.

Strefowo Stała Prędkość Liniowa - Zoned Constant Linear Velocity (ZCLV)

W przeciwieństwie do trybu CLV, w którym jest utrzymywana stała prędkość przesyłu danych w całym procesie zapisu, tryb ZCLV dzieli dysk na strefy w każdej z nich stosuje stopniowo większą szybkość zapisu. Na przykład nagrywarka 8 x ZCLV DVD+R/+RW zapisuje pierwsze 800 MB dysku w trybie 6 x CLV, a resztę w trybie 8 x CLV. Nagrywarka DVD-RAM stosuje inny rodzaj ZCLV, w którym dysk jest dzielony na dużo więcej stref (np. dysk 4.7 GB na 34 strefy). Tutaj prędkość obrotowa jest utrzymywana na stałym poziomie w każdej strefie, lecz różni się pomiędzy strefami, dając w wyniku mniej więcej stałą szybkość przesyłu danych w całym procesie zapisu dysku.

Stała Prędkość Kątowa - Constant Angular Velocity (CAV)

W trybie CAV dysk wykonuje stałą liczbę obrotów w całym procesie zapisu. W wyniku szybkość przesyłu danych ciągle wzrasta, gdy głowica laserowa przesuwa się wzdłuż promienia dysku ku jego krawędzi. Przykładowo, w trybie 5 x CAV nagrywarka DVD-RAM rozpoczyna zapis przy prędkości 2 x  na wewnętrznej średnicy dysku i przyspiesza stopniowo do 5 x przy zewnętrznej średnicy dysku.

Weryfikacja Zapisu i Obsługa Błędów

Oprócz prostego zapisu danych, niektóre oprogramowanie nagrywające wykonuje weryfikację zapisu danych lub stosuje zaawansowane techniki obsługi błędów zapisu, co w rezultacie może nawet podwoić całkowity czas zapisu dysku. Zwykle weryfikacji dokonuje się po zapisie danych, natomiast obsługa błędów wykonywana jest w trakcie zapisywania. Weryfikację danych w niektórych programach zapisujących dyski DVD można wyłączyć, lecz obsługa błędów jest zaprogramowana w samych nagrywarkach i zwykle nie może być wyłączona.

Region DVD

Wytwórcy filmów podzielili świat na regiony nadając im numery od 1 do 6 (Polska jest w regionie 2). Filmy DVD posiadały zakodowany numer regionu. Ich odtwarzanie było możliwe tylko wtedy, gdy stacja DVD posiadała taki sam kod regionu jak film. Pierwsze stacje DVD pozwalały na pięciokrotne wprowadzenie kodu regionu. Po wyczerpaniu tego limitu dalsza zmiana kodu nie była już możliwa (oczywiście bez odpowiedniej modyfikacji sprzętowej). Działania te miały na celu ograniczenie swobodnej dystrybucji filmów DVD na świecie i zagwarantowanie zysków dla ich producentów (np. tanie filmy z USA nie mogły być odtwarzane w Europie lub Ameryce Południowej).

Dzisiaj rozwiązanie to już praktycznie straciło na znaczeniu, ponieważ współczesne stacje DVD mają wbudowany kod 0, który pozwala na odtwarzanie dysku DVD z dowolnego regionu. Istnieje również oprogramowanie maskujące kod regionu w stacjach DVD-ROM lub jego całkowite usunięcie przy przegrywaniu. Obecnie coraz popularniejsze staje się zakupywanie filmów poprzez sieć Internet, a standard DVD będzie powoli odchodził do lamusa.

Ograniczeniem technologii DVD jest długość fali świetlnej zastosowanego tam lasera - 640 - 790 nm. Przy takim świetle nie da się zmniejszać pitów, będących nośnikami danych, gdyż przestałyby być widoczne. Przełom technologiczny nastąpił dopiero po opracowaniu przez japońskiego naukowca Shuji Nakamurę nowego lasera, który produkuje światło fioletowe o długości 405 nm. Kolor światła lasera użyto w nazwie nowej technologii (ang. blue ray - niebieski promień). Takie światło posiada dużo większą rozdzielczość, co umożliwia z kolei zagęszczenie ścieżek i zmniejszenie rozmiaru pitów. Dzięki temu pojemność dysków BD (ang. Blu-ray Disk) osiąga 25 GB. Taka pojemność potrzebna jest do cyfrowego zapisu filmów w technologii HD (ang. High Definition - Wysoka Jakość).

Dyski BD mogą występować w odmianach wielowarstwowych. Dwuwarstwowy dysk ma pojemność 50 GB, 4 warstwowy - 100 GB. Rekordzistą jest dysk 16 warstwowy o pojemności 400 GB. Dysk Blu-ray posiada dwie warstwy: pierwsza o grubości 1,1 mm, druga o grubości 0,1 mm, na której zapisywane są dane. Minimalna długość pitu wynosi 0,15 µm. Odstęp pomiędzy ścieżkami jest równy 0,32 µm, średnica plamki lasera wynosi 0,48 µm.

Oprócz zwykłych dysków BD-ROM (ang. Blu-ray Read Only Memory) istnieją zapisywalne dyski BD-R (ang. Blu-ray Disk Recordable) oraz dyski wielokrotnego zapisu BD-RE (Blu-ray Disk REwritable). Ich technologie są zbliżone do technologii odpowiednich dysków CD i DVD.

Producenci filmów w jakości HD podzielili świat na trzy regiony (Polska należy do regionu B/2), podobnie jak w przypadku DVD. Odtwarzacz Blu-ray może odtwarzać tylko płyty BD o takim samym kodzie regionu jak kod odtwarzacza. Działanie to ma na celu kontrolę nad dystrybucją filmów na świecie. Oczywiście odpowiedzią rynku było pojawienie się specjalnych odtwarzaczy Blu-ray od niezależnych producentów, które potrafią odczytywać płyty BD z dowolnego regionu.

Należy tu wspomnieć, iż z technologią Blu-ray ko

Ograniczeniem technologii DVD jest długość fali świetlnej zastosowanego tam lasera - 640 - 790 nm. Przy takim świetle nie da się zmniejszać pitów, będących nośnikami danych, gdyż przestałyby być widoczne. Przełom technologiczny nastąpił dopiero po opracowaniu przez japońskiego naukowca Shuji Nakamurę nowego lasera, który produkuje światło fioletowe o długości 405 nm. Kolor światła lasera użyto w nazwie nowej technologii (ang. blue ray - niebieski promień). Takie światło posiada dużo większą rozdzielczość, co umożliwia z kolei zagęszczenie ścieżek i zmniejszenie rozmiaru pitów. Dzięki temu pojemność dysków BD (ang. Blu-ray Disk) osiąga 25 GB. Taka pojemność potrzebna jest do cyfrowego zapisu filmów w technologii HD (ang. High Definition - Wysoka Jakość).

Dyski BD mogą występować w odmianach wielowarstwowych. Dwuwarstwowy dysk ma pojemność 50 GB, 4 warstwowy - 100 GB. Rekordzistą jest dysk 16 warstwowy o pojemności 400 GB. Dysk Blu-ray posiada dwie warstwy: pierwsza o grubości 1,1 mm, druga o grubości 0,1 mm, na której zapisywane są dane. Minimalna długość pitu wynosi 0,15 µm. Odstęp pomiędzy ścieżkami jest równy 0,32 µm, średnica plamki lasera wynosi 0,48 µm.

Oprócz zwykłych dysków BD-ROM (ang. Blu-ray Read Only Memory) istnieją zapisywalne dyski BD-R (ang. Blu-ray Disk Recordable) oraz dyski wielokrotnego zapisu BD-RE (Blu-ray Disk REwritable). Ich technologie są zbliżone do technologii odpowiednich dysków CD i DVD.

Producenci filmów w jakości HD podzielili świat na trzy regiony (Polska należy do regionu B/2), podobnie jak w przypadku DVD. Odtwarzacz Blu-ray może odtwarzać tylko płyty BD o takim samym kodzie regionu jak kod odtwarzacza. Działanie to ma na celu kontrolę nad dystrybucją filmów na świecie. Oczywiście odpowiedzią rynku było pojawienie się specjalnych odtwarzaczy Blu-ray od niezależnych producentów, które potrafią odczytywać płyty BD z dowolnego regionu.

Należy tu wspomnieć, iż z technologią Blu-ray konkurują dyski HD DVD, które posiadają większą pojemność - 30 GB. Nowoczesne nagrywarki pozwalają na zapisywanie i odczytywanie obu rodzajów dysków (jak również formatów CD i DVD). Ponieważ ceny tych urządzeń szybko spadają, w niedalekiej przyszłości wyprą one standard DVD w komputerach osobistych.