Discos Ópticos

En informática, la unidad de disco óptico es la unidad de disco que utiliza una luz láser u ondas electromagnéticas cercanas al espectro de la luz como parte del proceso de lectura o escritura de datos desde un archivo a discos ópticos a través de haces de luz que interpretan las refracciones provocadas sobre su propia emisión.

Los discos compactos (CD), discos versátiles digitales (DVD) y discos Blu-ray (BD) son los tipos de medios

ópticos más comunes que pueden ser leídos y grabados por lectores grabadoras, y se utilizan como medio de entrada de datos.

## *Historia*

El “almacenamiento óptico” es una variante de almacenamiento informático surgida a finales del siglo XX,se remonta a los años comprendidos en las décadas de 1970 y 1980. Se trata de aquellos dispositivos que son capaces de guardar datos por medio de un rayo láser en su superficie plástica, ya que se almacenan por medio de ranuras microscópicas (ranuras quemadas). La información queda grabada en la superficie de manera física, por lo que solo el calor (puede producir deformaciones en la superficie del disco) y las ralladuras pueden producir la pérdida de los datos, en cambio es inmune a los campos magnéticos y la humedad. Cronológicamente, podemos dividir la historia de los discos ópticos en tres generaciones:

### Primera generación

Originariamente, los dispositivos ópticos se utilizan para almacenar música y software de computadora. El formato Laserdisc almacenaba señales de vídeo analógicas, pero, comercialmente perdió ante el formato de casete VHS.

Los discos de la primera generación tenían un cabezal lector de láser infrarrojo. El tamaño mínimo del punto del láser es proporcional a su longitud de onda, por lo tanto la longitud de onda es un factor limitante contra una gran densidad de información, entonces muy poca información puede ser almacenada.  Aproximadamente 700mb u 80 minutos de reproducción.

- Laser Disk (LD) fueron los primeros en comercializarse, creados en el años 1978, su capacidad era aceptable pero tenían un tamaño de 30 cm. de diámetro, empleados en el almacenamiento de vídeo.

- Compact Disk (CD) espacio de almacenamiento aproximado a los 700 MB y 80 minutos de reproducción.

Sólo lectura: CD-ROM (Compact Disc - Read Only Memory): Son los discos que ya están grabados que se utilizan para extraer datos.

Grabable: CD-R (Compact Disc - Recordable): También se los conoce como los CDs vírgenes, vienen vacíos.

Regrabable: CD-RW (Compact Disc - Re-Writable):  Permiten la escritura y lectura,  pero tienen menor velocidad de escritura.

De audio: CD-DA (Compact Disc - Digital Audio).

- Disco Magneto-Óptico, poseían un sistema híbrido capaz de escribir y reescribir en el mismo disco.

### Segunda generación

Los discos ópticos de segunda generación están pensados para almacenar grandes cantidades de datos, incluyendo video digital de calidad. Estos discos son habitualmente leídos con un láser de luz visible (usualmente rojo) con una longitud de onda más corta lo que permite más almacenamiento en un disco de 12cm. En el formato DVD, esto permite 4.7 GB de almacenamiento en disco estándar de 12 cm de capa simple y una cara.

- Mini CD con un espacio de almacenamiento aproximado de 214 MB o 24 minutos de reproducción.

Mini Cd-R: grabables

Mini Cd-RW: regrabables

- DVD creado a mediados de 1990 con una capacidad de 4,7 GB, su uso fue pensado inicialmente para almacenar Video de mejor calidad, aunque luego fue extendido a cualquier formato de archivo. Posteriormente se crearon DVD con más de una capa los cuales lograban almacenar hasta el cuádruple de un DVD normal (una capa).

DVD-R y DVD+R: grabable una sola vez. La diferencia entre los tipos +R y -R radica en la  forma de grabación y de codificación de la información. En los +R los agujeros son 1 lógicos   mientras que en los –R los agujeros son 0 lógicos

DVD ROM: Sirven para extraer información

DVD+ R DL : Son doble capa, por lo que almacenan el doble.

Mini DVD+R: grabables

DVD+RW: regrabables

Mini DVD+RW: regrabables

DVD RAM: Permite la escritura, borrado de datos, y rescritura sobre su superficie como si    fuera cualquier dispositivo de alm extraíble, como el disquete, usb,etc. Esto significa que no necesita un programa especial como el Nero para trabajar con el.

- Giga Disk Read-Only Memory (GD ROM) creados por Yamaha destinados a la empresa de videojuegos SEGA para la consola Dreamcast, similares a los CD pero con una pequeña modificación con el fin de obtener una mayor densidad de almacenamiento.

### Tercera generación

Los discos ópticos de tercer generación son usados para distribuir vídeo de alta definición y videojuegos. Éstos soportan mayores capacidades de almacenamiento de datos, logrado mediante el uso láseres de longitud de onda corta de luz visible

Blu-ray:  aumenta la densidad de almacenamiento hasta 5 veces por capa en relación a un DVD lo que desembocó en discos ópticos capaces de almacenar 25 GB en una sola capa.

VMD o HD-VMD ("Disco versátil Multicapa"):  Utilizan tecnología basada en Red-Ray, a diferente de los Blue-Ray su espacio de almacenamiento distribuido en 4 capas alcanza los 20 GB, es un formato que si bien alcanza una gran capacidad no es comparable con los Blue-Ray, debido a que en una sola capa estos pueden almacenar 25 GB.

HD-DVD:  con un tamaño de 15 GB eran una buena solución para el problema de almacenamiento, lamentablemente en el 2008 se dejaron de fabricar reproductores lo que conllevó a la caída de estos dispositivos.

### Cuarta Generación:

Está formada por discos que superan 1 TB.

Hvd : Los HVD's pueden almacenar hasta 3,9 TB (a excepción de su variante, el GE Disc, que puede almacenar hasta 6 TB), este disco puede almacenar hasta 820 películas.Utilizando un sistema holográfico para el almacenamiento de datos se podrían guardar 10 Gb de datos en un centímetro cúbico

PCD: “disco recubierto de proteínas” El PCD incrementaría en gran medida la capacidad de almacenamiento en comparación de discos ópticos holográficos. En esta nueva tecnología, se toma un DVD normal y se cubre con una proteína especial sensible a la luz obtenida de una arqueobacteria. se pueden llegar a almacenar 50 terabytes en un solo un disco

Disco óptico de almacenaje 3D: Este disco sería cualquier tipo de disco que en vez de usar almacenaje bidimensional usaría almacenaje tridimensional, este tipo de almacenaje haría que un CD, un DVD o un BD tuviera una capacidad de almacenamiento cercanos al PetaByte (1000 TeraBytes).

## **Láser y óptica**

La parte más importante de una unidad de disco óptico es el camino óptico, ubicado en un pickup head (PUH),que consiste habitualmente de un láser semiconductor, un lente que guía el haz de láser, y fotodiodos que detectan la luz reflejada en la superficie del disco.

En los inicios, se usaban los láseres de CD con una longitud de onda de 780 nm, estando en el rango infrarrojo. Para los DVD, la longitud de onda fue reducida a 650 nm (color rojo), y la longitud de onda para el Blu-ray fue reducida a 405 nm (color violeta).

Se usan dos servomecanismos principales, el primero para mantener una distancia correcta entre el lente y el disco, y para asegurar que el haz de láser es enfocado en un punto de láser pequeño en el disco. El segundo servo mueve un cabezal a lo largo del radio del disco, manteniendo el haz sobre una estría, un camino de datos en espiral continuo.

En los medios de solo lectura (ROM, read only media), durante el proceso de fabricación la estría, hecha de surcos (pits), es presionada sobre una superficie plana, llamada área (land). Debido a que la profundidad de los surcos es aproximadamente la cuarta o sexta parte de la longitud de onda del láser, la fase del haz reflejado cambia en relación al haz entrante de lectura, causando una interferencia destructiva mutua y reduciendo la intensidad del haz reflejado. Esto es detectado por fotodiodos que emiten señales eléctricas.

Una grabadora codifica (graba, quema) datos en un disco CD-R, DVD-R, DVD+R, o BD-R grabable (llamado virgen o en blanco), calentando selectivamente partes de una capa de tinte orgánico con un láser. Esto cambia la reflexividad del tinte, creando así marcas que pueden ser leídas como los surcos y áreas en discos planchados. Para los discos grabables, el proceso es permanente y los medios pueden ser escritos una sola vez. Si bien el láser lector habitualmente no es más fuerte que 5 mW, el láser grabador es considerablemente más poderoso. A mayor velocidad de grabación, menor es el tiempo que el láser debe calentar un punto en el medio, entonces su poder tiene que aumentar proporcionalmente. Los láseres de las grabadoras de DVD a menudo alcanzan picos de alrededor de 100 mW en ondas continuas, y 225 mW de impulsos.

Para medios regrabables como CD-RW, DVD-RW, DVD+RW, o BD-RE, el láser es usado para derretir una aleación de metal cristalina en la capa de grabación del disco. Dependiendo de la cantidad de energía aplicada, la sustancia puede volver a adoptar su forma cristalina original o quedar en una forma amorfa, permitiendo que sean creadas marcas de reflexividad variante.

Los medios de doble cara pueden ser usados, pero no son de fácil acceso con una unidad estándar, ya que deben ser volteados físicamente para acceder a los datos en la otra cara.

Algunas unidades tienen soporte para la tecnología de impresión fototérmica LightScribe que permite etiquetar discos recubiertos especialmente.

#### Grabación sin errores

En un principio los quemadores de CD necesitaban un flujo constante de datos, pues no podían parar el láser en ningún momento del proceso de grabación. Si esto ocurría (se interrumpe el flujo de datos y el láser se para) el disco quedaba inservible. Para evitar este problema tan costoso, se añadió a los quemadores una memoria propia denominada memoria caché o buffer, el funcionamiento de esta memoria en el proceso de grabación es el siguiente:
1. Los datos a grabar son leídos del dispositivo fuente (por ejemplo el disco duro) y se van introduciendo en esta memoria caché ó buffer.
2. Cuando esta memoria se ha llenado, se empieza a grabar en el disco y los datos ya grabados son sustituidos en la memoria caché o buffer por datos nuevos, de este modo si se produce un error en el flujo de datos (por ejemplo: Si se activa el protector de pantalla, el disco duro no puede enviar mas datos al quemador hasta que lea el software del protector de pantalla) la memoria caché sigue suministrando datos, es decir, disponemos de unos segundos para que el disco duro vuelva a reanudar el flujo de datos.
Si esto no ocurre y la memoria caché o buffer se vacía, se produce el temido Buffer Underrun y la grabación se detiene quedando el disco inservible, chatarra, NO SIRVE.
El número de segundos depende del tamaño de la memoria buffer, cuanto mayor sea esta memoria, mayor número de segundos dispondrá el sistema antes de que se produzca el temido error. Esto significa que anteriormente mientras estábamos grabando no podíamos utilizar el computador hasta que terminase la grabación.
Como veiamos anteriormente, la memoria caché ó buffer nos ayudaba hasta tanto ésta no se vaciara, dado que si eso ocurría, entonces se perdía el disco que estabamos grabando, debido a esto, tener un quemador con memoria caché ó buffer con muchos MB no era garantía para que el temido BUFFER UNDERRUN no apareciera.
A mediados del año 2000, empezaron a aparecer unidades CD-RW que utilizaban una combinación de hardware/firmware que hacían al 'buffer underrun' una cosa del pasado. Originado y patentado por Sanyo, la tecnología BURN-Proof (Buffer UndeRuN-Proof technology) trabaja constantemente revisando el estado del buffer de datos, asi que, si se detecta que la memoria cache está vacía, éste pausa la grabación y ordena al láser que haga una pequeña marca en el disco (GAP) y cuando esta memoria vuelve a llenarse el láser reanuda la grabación justo en el punto donde dejó la marca, esto permite además poder realizar otras tareas con el computador mientras el quemador está haciendo su trabajo y olvidarnos de una vez por todas del odiado Buffer Underrun.

## **Mecanismo de Rotación**

El mecanismo de rotación de las unidades ópticas difiere significativamente del de los discos duros, en que el segundo mantiene una velocidad angular constante (VAC), en otras palabras un número constante de revoluciones por minuto (RPM). Con la VAC, usualmente en la zona exterior del disco se consigue un mejor rendimiento en comparación con la zona interior.

Las unidades de CD más recientes mantenían el paradigma VLC, pero evolucionaron para alcanzar velocidades de rotación mayores, popularmente descritas en múltiplos de una velocidad base (150 KiB/s). Como resultado, una unidad de 4X, por ejemplo, rotaria a 800-2000 RPM, transfiriendo datos a 600 KiB/s continuamente, lo que es igual a 4 x 150 KiB/s.

La velocidad de base del DVD, o "velocidad 1x", es de 1,385 MB/s, igual a 1,32 MiB/s, aproximadamente 9 veces más rápido que la velocidad base del CD. La velocidad base de una unidad de Blu-ray es de 6,74 MB/s, igual a 6,43 MiB/s.

Existen límites mecánicos respecto a cuán rápido puede girar un disco. Después de una cierta de rotación, cerca de 10.000 RPM, el estrés centrífugo puede causar que el plástico del disco se arrastre y posiblemente se destruya. En el borde exterior de un CD, 10.000 RPM equivalen aproximadamente a una velocidad de 52x, pero en el borde interior solo a 20x. Algunas unidades disminuyen aún más su velocidad de lectura máxima a cerca de 40x argumentando que los discos vírgenes no tendrán peligro de daños estructurales, pero los discos insertados para leer pueden sí tenerlo. Sin las velocidades de rotación más altas, un mayor rendimiento de lectura puede conseguirse leyendo simultáneamente más de un punto en una estría de datos,pero las unidades con tales mecanismos son más caras, menos compatibles, y muy raras.

Debido a que mantener una tasa de transferencia constante para el disco entero no es muy importante en la mayoría de los usos contemporáneos de los CD, para mantener la velocidad de rotación del disco a una cantidad baja segura a la vez que se maximiza la tasa de datos, el enfoque VLC puro debió ser abandonado. Algunas unidades trabajan con un esquema VLC parcial (VLCP), cambiando de VLC a VAC solo cuando se alcanza un límite de rotación. Pero cambiar a VAC requiere cambios significativos en el diseño del hardware, por eso en cambio la mayoría de las unidades usan el esquema de velocidad lineal constante por zonas (VLC-Z). Este esquema divide el disco en varias zonas, cada una con su propia velocidad lineal constante diferente. Una grabadora VLC-Z con una tasa de 52x, por ejemplo, grabaría a 20x en la zona más interna y luego incrementaría la velocidad de manera progresiva en varios pasos discretos hasta llegar a 52x en el borde exterior.

La mayoría de las unidades internas para computadoras personales, servidores y estaciones de trabajo son diseñadas para encajar en una bahía de 5¼" del gabinete y conectarse mediante una interfaz ATA o SATA.

## Detalles físicos

A pesar de que puede haber variaciones en la composición de los materiales empleados en la fabricación de los discos, todos siguen un mismo patrón: los discos compactos se hacen de un disco grueso, de 1,2 mm, de policarbonato de plástico, al que se le añade una capa reflectante de aluminio, utilizada para obtener más longevidad de los datos. Así se refleja la luz del láser (en el rango de espectro infrarrojo, y por tanto no apreciable visualmente); posteriormente se le añade una capa protectora de laca, que actúa como protector del aluminio y, opcionalmente, una etiqueta en la parte superior. En el caso de los CD-R y CD-RW se usa oro, plata, y aleaciones de las mismas, que por su ductilidad permite a los láseres grabar sobre ella, cosa que no se podría hacer sobre el aluminio con láseres de baja potencia.

## DVD Doble Capa

¿Qué es un DVD de doble capa? ¿Valen la pena el dinero que cuestan?

Los DVD de doble capa graban más información en un solo DVD, 8,5 Gb frente a los 4,7 Gb de un disco de una sola capa.

A diferencia del DVD de doble cara (una variedad mucho menos frecuente), el DVD de doble capa lee y graba en ambas capas de la misma cara del disco. Las capas tienen profundidades diferentes en el recubrimiento plástico del disco y el láser de la unidad cambia su enfoque según la capa que se esté leyendo o grabando.

Con esta tecnología también cuental los Blu ray.-

La tecnología DVD+R de doble capa ha sido desarrollada por Philips en cooperación con MKM (Mitsubishi Kagaku Media), empresa matriz de Verbatim.

El nuevo tipo de soporte para grabado, de dos capas, está constituido físicamente por varias capas que, según sus propiedades, permiten la grabación en una u otra capa. Las dos capas de grabación superpuestas, están fabricadas a base de una sustancia orgánica, existe también un separador transparente entre ellas, así como así como dos capas reflectoras, junto encima de las capas de grabación, una de ellas con la característica de ser semitransparente. La combinación de la capa L0 y la capa semitransparente ofrecen un índice de reflectividad en torno al 50%, de manera que la variación del enfoque en el láser hace posible el acceso a la capa L1 a través de la L0, dado que esta última aparece como una rejilla que no interviene en las operaciones de escritura y lectura. A este objetivo contribuye la estudiada disposición de las capas con una separación de 0.55 micras y el tamaño de las marcas 2.1 micras.

La velocidad de grabación de estos dispositivos es sensiblemente inferior a la que se alcanza en los soportes habituales. Esto se debe a la menor eficiencia energética sobre la capa L1, debido a la merma producida al atravesar la zona semitransparente, para solucionar esto se tiende a incrementar la potencia del láser así como elaborar los soportes con materiales de mayor sensibilidad. Además en los procesos de escritura de los DVD+R DL cuando el volumen de datos a grabar no alcanza los 8.5 Gigaoctetos, se debe poner información de relleno hasta completar dicha magnitud, lo cual significa que el tiempo de grabación es igual independientemente de la cantidad de datos.

Además del problema de la lentitud de grabación alcanzando como máximo velocidades 8x, el inconveniente más destacado es el elevado coste e incluso escasa disponibilidad de estos soportes, los primeros se comercializaban a 20€ aunque actualmente es posible conseguirlos por menos de 6€.

## Novedades

La llamada memoria 5D, de cinco dimensiones, es una tecnología increíblemente potente, sofisticada y, sobre todo, duradera. Bien podría superar la extinción de toda nuestra raza.

Sin pelos en la lengua, los investigadores de la Universidad de Southampton proclaman que su memoria 5D, en cinco dimensiones, podría durar para siempre. Y sería tan densa que podría abarcar prácticamente todo. Y la verdad es que tienen razones para alardear. Ya en 2013 demostraron que su tecnología no solo es posible, sino también viable. Una tecnología capaz de sobrevivir a 1.000ºC de temperatura, virtualmente inmortal y capaz de abarcar Terabytes de información fácilmente. ¿En qué consiste semejante tecnología?.

Memoria 5D, apodada "superman"

El centro de optoelectrónica de la Universidad de Southampton (ORC, por sus siglas en inglés) presentó en 2013 un modelo tecnológico para el almacenamiento de información en cinco dimensiones. Para ello se utilizan cristales nanoestructurados en los que se puede almacenar informacióngracias a un láser de escritura en femtosegundos (lo que quiere decir que es rapidísimo, mucho más de lo que podamos imaginar). Por el momento esto permite grabar información en "discos" de 360TB, resistentes hasta los 1.000ºC, estables durante 13.8 mil millones de años a 190ºC y prácticamente imperdibles a temperatura ambiente. Por tanto, esta tecnología podría suponer un antes y un después para organizaciones y entidades cuyos datos han de almacenarse en grandes cantidades y de una manera ultra segura.

Como comentábamos, ya en 2013 demostraron la posibilidad de utilizar dicho modelo grabando en una pequeña pieza un texto de 300Kb. A finales del pasado año, el "Año internacional de la Luz", se presentó como parte de cierre del año, dicho formato ante la UNESCO, quién podría utilizar las memorias 5D como soporte para almacenar algunos de los textos más importantes de la humanidad. Como ejemplo, la Declaración Universal de los Derechos Humanos, la Carta Magna o el "Opticks" de Newton han sido almacenadosen memorias 5D para que sobrevivan a la raza humana. Porque al final, lo que importa es la información, ¿no? Así, los creadores de este formato, debido a la similitud de la técnica con los "cristales" en los que se guarda la información en Superman, así como por su dureza, han apodado su tecnología con el mismo nombre.

¿Cómo funciona?

Para pode guardar la información de semejante manera, se necesita un láser ultra-rápido, que funciona lanzando impulsos extremadamente intensos en periodos de tiempo de femtosegundos. En un segundo, para que nos hagamos a la idea, caben mil billones de femtosegundos (10 elevado a la 15). La intensidad del láser no podría mantenerse mucho tiempo sin consumir una energía prohibitiva. De ahí que la reacción sea tan increíblemente corta. El láser graba la información en puntos de tres capas de puntos nanoestructurados en el cristal y separados entre sí por cinco micrómetros (en un metro caben un millón de micrómetros). La nanoestructura cambia la manera que tiene la luz de viajar a través del cristal, modificando la polarización de la luz que puede ser leída por un microscopio óptico con un polarizador. El proceso es, grosso modo, similar a lo que ocurre con las gafas polarizadas, pero con la ayuda de un microscopio. Estas estructuras cristalinas están hechas de cristal de cuarzo fundido y ordenado.

¿Por qué se llaman memorias 5D?

La información, en realidad se codifica en cinco dimensiones: el tamaño, la orientación y las tres dimensiones espaciales determinadas por la posición de estas estructuras. Por supuesto, el formato lo es todo y, ahora mismo, no se puede contar con un lector que permita el uso de esta tecnología de forma cotidiana. Es más, el grabar las memorias 5D ya es de por sí una tarea difícil y costosa. Pero bueno, como todo avance tecnológico, solo requiere de tiempo. ¿Quiere eso decir que en un futuro próximo podremos disfrutar de memoria 5D en casa? Es bastante improbable. Al menos en su grabación.

Parece bastante más probable que la memoria 5D solo la utilicen grandes entidadesEsto se debe al coste y tecnología que requiere un láser ultra-rápido. Es algo solo permisible para un laboratorio. Por otro lado, un microscopio y un polarizador son más asequibles. Y aún así, difíciles de trabajar con ellos. Pero podrían darse en el ámbito doméstico. Igualmente, parece bastante más probable que la memoria 5D solo será utilizada por grandes entidades con el fin de preservar para siempre la información. Tarea que ya de por sí no es nada sencilla, prácticamente imposible, y que resulta digna de elogio.

## Vídeo Explicativo

[de laser]

Función de CD/DVD

[de CDs/Dvd]

[se almacena la información en el disco]