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Almacenamiento óptico de datos: CD, DVD y BD

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Opinión

Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

En dos artículos previos he descrito el funcionamiento de los medios magnéticos de grabación y almacenamiento de la información. En el primero, como funciona un disco duro y en el segundo como se graba y lee la información en este soporte. A continuación, comienzo con este texto la descripción de los medios ópticos de almacenamiento, los populares CD (“Compact Disc”), DVD (“Digital Versatile Disc”) y BD (“Blue Disc” o “Blu-ray).

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1. Una breve reseña histórica

El trabajo de investigación y de desarrollo del CD, que llegó al mercado en 1980, se lo debemos a las compañías Phillips y Sony y se convirtió rápidamente en una alternativa a los populares discos de vinilo y a los “cassettes”. La generalización del CD fue posible gracias a la sinergia entre ambas empresas: por un lado, Philips había desarrollado la tecnología de fabricación del disco, pero carecía de la experiencia de grabación de audio digital. Por su parte Sony tenía experiencia en el desarrollo y la aplicación de los circuitos de audio digitales, pero carecía de los conocimientos necesarios para hacer el soporte físico funcional. Fruto de esa colaboración se obtuvo el formato de 12 cm de diámetro para los CD y las características de los reproductores que se utilizan hoy en día.

En 1985 los CD comenzaron a utilizarse para almacenar datos en ordenadores, bajo la denominación CD-ROM (Read Only Memory, memoria de sólo lectura). En 1990 fueron de nuevo Philips y Sony los que ampliaron la tecnología y crearon el CD grabable (CD-R).

En 1996 se introdujo el DVD, el sistema de almacenamiento óptico más difundido en los últimos 20 años, ya que gracias a su gran capacidad (4,7 GB), permite guardar contenidos audiovisuales. Fue obra de un consorcio de empresas, denominado DVD Forum, integrado por gran número de compañías (Phillips, Sony, Toshiba, Time-Warner, Matsushita Electric, Hitachi, Mitsubishi Electric, Pioneer, Thomson y JVC)

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Finalmente, tras la invención del láser azul a finales de los años 90 del siglo pasado, se lanzó al mercado el BD en 2003, también de la mano de otro consorcio de empresas denominado Blu-ray Disc Association, en el que se integraron las grandes compañías del sector: Sony, Matsushita, Pioneer, Philips, Thomson, LG, Hitachi, Sharp y Samsung. El Blu-ray debe su nombre al color azul del rayo láser (blue ray significa ‘rayo azul’). La letra “e” de la palabra original blue fue eliminada debido a que, en algunos países, no se puede registrar para un nombre comercial una palabra común.

En este artículo describiré cómo funcionan estos tres soportes de almacenamiento, y siguiendo un esquema idéntico al que seguí para describir los medios magnéticos, en uno próximo analizaré el procedimiento de grabación de la información en ellos.

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2. Estructura física y principio de funcionamiento de un CD y de un DVD

i) CD sólo de lectura

El CD es en un disco circular de 12 cm de diámetro, en el cual la información está codificada y almacenada en surcos microscópicos definidos sobre una de las caras que lo componen. En su superficie almacena cerca de 800 MB de datos, lo que significa que el espacio físico ocupado por cada byte es muy pequeño (cada byte ocupa  ~5 x 10-7 cm2).

El CD tiene un grosor de 1,2 mm y está integrado por cuatro capas, cada una con una función específica, tal y como muestra la siguiente figura, que no está a escala:

Izquierda: las distintas capas que componen un CD. Centro: la superficie de un CD visto por la superficie donde se graban los datos. La espiral señala el camino que hacen estos. Derecha: imagen tomada con microscopía electrónica de barrido de la superficie de un CD, con la anchura de las protuberancias y de la separación entre dos pistas consecutivas

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Desde la parte inferior a la superior nos encontramos con las siguientes zonas en el CD:

Capa A. Es la parte inferior del disco, que actúa de soporte mecánico de toda la estructura; es una pieza de policarbonato plástico. La información que contiene esta codificada e impresa en la superficie interior del plástico en forma de protuberancias microscópicas separadas por zonas lisas y agrupadas en una pista única extraordinariamente larga de forma espiral. La grabación de las protuberancias se realiza mediante un láser, siguiendo un procedimiento muy parecido al que describiré para detallar como es un CD grabable (CD-R)

Capa B. La superficie que contiene las protuberancias se recubre con una delgada capa de aluminio, que es un excelente reflector de la luz. Su función es reflejar el haz laser que incide desde la parte inferior de la capa A procedente del lector del CD; el detalle se verá más adelante.

Capa C. Es una capa de material acrílico depositada mediante spray sobre el aluminio para protegerlo.

Capa D. Finalmente, se encuentra la etiqueta que recubre la parte superior, donde se escribe la identificación del CD y contiene la carátula del disco.

Si se mira el CD frontalmente con un microscopio, por la cara opuesta a la de la carátula, se observará que la superficie tiene grabada una pista espiral continua, circulando desde el interior del disco, cerca del eje de rotación, hasta el borde exterior. La pista es extraordinariamente estrecha, de 0,5 micrómetros (1 micrómetro = 0,000001 m) de ancho, con una separación entre una pista y la siguiente de 1,6 micrómetros. Por otra parte, las protuberancias donde esta codificada la información también son asombrosamente pequeñas, ya que su altura es de 125 nm (1 nm = 0,000000001 m). El aspecto de las protuberancias y la separación entre ellas se observa en la imagen que se muestra a la derecha de la figura anterior. Si se pudiera estirar la pista donde están los datos en una línea recta, tendría cerca de 5 km de largo. El láser de semiconductor que lee el CD la recorre a una velocidad de unos 1,2 m/s, de manera que la duración del CD es de unos 70-80 minutos.


ii) Procedimiento de lectura del CD

Dentro del equipo reproductor de CD, hay un conjunto de dispositivos electrónicos y ópticos para descodificar la información contenida en la pista espiral del CD y enviarla posteriormente a un equipo de audio o a un ordenador (audio-CD en el primer caso; CD-ROM en el segundo). El procedimiento de lectura y descodificación es similar en ambos casos. El lector del CD está integrado por tres componentes:

a) Un motor que hace girar el disco. Su velocidad se controla entre 200 y 500 r.p.m., ya que según la información este localizada cerca del interior o del exterior del disco, la velocidad de rotación debe cambiar para que la velocidad de lectura sea siempre la misma.

b) Un láser de semiconductor, que emite una radiación de 780 nm de longitud de onda, unido a un sistema de lentes que enfoca el láser hacia las protuberancias.

c) Un mecanismo de seguimiento, que mueve el conjunto del láser y su óptica con objeto de seguir con precisión la pista espiral en toda la superficie del CD.

La siguiente figura ilustra el esquema de funcionamiento:

Esquema del funcionamiento de un lector de CD-DVD-BD

El láser se enfoca a la pista donde están las protuberancias. La luz del láser atraviesa la capa A de policarbonato, llega a la zona de protuberancias, se refleja en la capa de aluminio que la recubre por detrás (capa B) y la luz reflejada llega a un detector que registra cambios en la intensidad de la luz que llega a él. Los bordes de las protuberancias reflejan la luz de manera diferente que las zonas planas y el detector del sistema detecta estos cambios. La electrónica posterior interpreta estos cambios como “unos” y “ceros”. El siguiente video muestra el interior de un lector de un CD:

Habitualmente, se utiliza una codificación denominada  codificación de no retorno a cero (NRZI), de tal forma que un “uno” se asocia a una transición de zona plana a una protuberancia o de una protuberancia a una zona plana, mientras que un “cero” corresponde a la ausencia de cambio, es decir, seguir en la zona plana o seguir en la protuberancia, según corresponda el caso. Una vez registrado por el detector el código de “unos” y “ceros”, se envía a un conversor Digital-Analógico, que convierte el código en una señal analógica de audio, que posteriormente se amplifica y se envía al altavoz, desde el que se emiten las ondas sonoras que nos permiten escuchar la música. La figura ilustra con detalle la secuencia completa:

Proceso de lectura y conversión a sonido de un CD

iii) CD grabable

Los primeros CD eran únicamente de lectura, pero pronto se vio la necesidad de poder grabar en ellos, igual que se hacía en las cintas magnéticas (“casettes”) para la música o en los “floppy disk” para los datos en ordenadores. En 1990 se introdujo el CD grabable (CD-wRitable o CD-R) y poco después, el re-escribible (CD-ReWritable o CD-RW), cuyo funcionamiento es similar al primero. Describiré exclusivamente el procedimiento de grabación del CD-R.

Un CD-R no tiene protuberancias, toda su superficie es plana, de manera que la capa B es una superficie metálica totalmente lisa, que está encima de una fina capa de un material fotosensible. Cuando el CD-R esta virgen, la capa fotosensible es traslúcida: la luz que llega a ella, alcanza el metal de la parte trasera y se refleja sin dificultad. Pero cuando la capa fotosensible se calienta con luz de una intensidad determinada, la capa se vuelve opaca.

Oscureciendo por este procedimiento y de manera selectiva determinadas zonas de la pista de un CD y dejando las otras áreas de la capa fotosensible en su estado traslúcido original, se puede crear un código digital que puede leer sin dificultad un equipo convencional de CD. La luz que proviene del láser lector solo se refleja en las zonas traslúcidas de la capa fotosensible, de igual forma que lo hace cuando se refleja en las partes planas de un CD convencional. Es decir, aunque un CD-R no tiene protuberancias, se comporta como si las tuviera.  

De esta forma, en un equipo que puede grabar y leer un CD hay, además del láser de lectura, otro para grabar el CD virgen. El láser de escritura o grabación es más potente que el de lectura, de forma que altera la superficie de la capa fotosensible cuando se expone a él, mientras que el láser de lectura no es lo suficientemente intenso como para oscurecer el material fotosensible, por lo que al reproducir un CD-R en una unidad de CD no se destruye la información codificada. Para grabar los datos, el dispositivo simplemente enciende y apaga el láser de grabado en sincronía con el patrón de “unos” y “ceros”.

Los CD-R solo se pueden grabar una vez. Para resolver esta limitación, a mediados de los 90 se introdujeron los CD-RW. El procedimiento de grabación es similar al de los CD-R, pero la capa fotosensible de los primeros se sustituye por un material que cambia de fase al calentarse. El lector interesado en conocer más detalles acerca de esta clase de CDs, puede consultar este artículo.


3. El DVD y el BD

Cualitativamente, tanto el DVD como el BD funcionan de manera completamente análoga al CD, tanto en procedimientos de lectura, como de grabación de discos, por lo que me limitaré a destacar las diferencias entre los tres.

El cambio principal entre los tres sistemas estriba en la longitud de onda del láser de lectura y en la densidad de información almacenada en el disco, que viene determinada por el tamaño de las protuberancias y por la separación entre dos pistas consecutivas. Cuanto más corta es la longitud de onda del láser de lectura, menor es el área (“spot”) con el que ilumina la superficie y por consiguiente, menor puede ser el tamaño de las protuberancias, reduciéndose la separación entre dos pistas consecutivas, lo que trae aparejado un aumento en la cantidad de información almacenada. La figura ilustra todas esas diferencias para los tres medios:

Características principales del BD (izquierda), DVD (centro) y CD (derecha). En recuadro, se indica la densidad de información almacenada por unidad de superficie.

En el paso de CD a DVD, la separación entre pistas se reduce a la mitad, multiplicando por siete la capacidad de almacenamiento, de manera similar a lo que ocurre al pasar de un DVD a un BD, en este último caso se multiplica por cinco la capacidad respecto del DVD.

Al poder almacenar mucha mayor cantidad de información, el DVD y el BD son los medios naturales de almacenamiento de contenidos audiovisuales.

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