En el 31 cumpleaños del CD, un repaso a su evolución hasta el Blu-ray

Dibujo20130901 ali ghalehban - Comparison CD DVD HDDVD BD

El Compact Disc (CD) ha cumplido 31 años. Luis Quevedo ‏(@luis_quevedo) nos lo recordó con un tuit: “el 31 de agosto de 1982, se anunciaba en Tokyo el lanzamiento del primer sistema de CD por parte de Sony, CBS/Sony, Philips y Polygram.” Acompañó su tuit con esta figura (fuente original) que muestra la evolución de la tecnología de almacenamiento óptico de datos desde el CD de música hasta el Blu-Ray, pasando por el DVD y HD DVD. La figura ofrece mucha información, como el cambio de la frecuencia (color) del láser, la distancia entre pistas, el tamaño de los pits (marcas que representan los bits) y el diámetro del punto de luz sobre la pista de datos. Le prometí a Luis una explicación de la figura y toda promesa es una deuda. Por cierto, la primera vez que me enteré de la física del CD fue en el artículo de John A Cope, “The physics of the compact disc,” Physics Education 28: 15-21, 1993. En aquella época yo pasaba muchas horas en la hemeroteca todas las semanas. Algunas figuras de esta entrada están extraídas del “White Paper Blu-ray Disc™ Format General,” 3rd Edition, December, 2012.

Dibujo20130901 electron micrograph - Comparison CD DVD Blu-ray

Esta micrografía electrónica confirma que la figura que abre esta entrada es bastante realista. Los datos se graban en el disco en forma de marcas llamadas pits, pequeños agujeros o depresiones que el láser de grabación deja al quemar la superficie de resina donde se graban los datos en binario (la resina es la parte verde en la imagen inferior de la figura que abre esta entrada). La resina fotorresistente se recubre con una fina capa de aluminio para incrementar su reflectividad. La luz del láser de lectura interfiere de forma destructiva con la luz reflejada por las marcas, lo que reduce la intensidad de luz reflejada; donde no hay marca no hay interferencia destructiva. Un fotodiodo mide las subidas y bajadas de la intensidad de la luz reflejada para la lectura de la información almacenada en la pista en forma de bits (dígitos binarios) codificados con la técnica de no retorno a cero (NRZI).

Dibujo20130901 numerical aperture na defined as sine of semi-angle

En el CD se usa la luz de un láser semiconductor rojo con una longitud de onda de 780 nm, que en DVD se reduce a uno rojo con 650 nm y en Blu-ray a uno azul con 405 nm. La pista con las marcas (pits) de información se encuentra a 1,2 mm de la superficie del disco (más o menos el grosor del  disco sin etiqueta). La luz del láser es enfocada por una lente que produce un cono de luz, cuya forma viene determinada por un parámetro llamado apertura numérica (NA), dado por el seno del semi-ángulo θ del cono (ver esta figura). En un CD la lente produce un cono de luz con un semi-ángulo θ de 27º (grados) en el aire, pero este valor se reduce dentro del material del disco (un plástico de policarbonato cuyo índice de refracción n es de 1,55) a un semi-ángulo θ’ de unos 17º (recuerda θ’ = θ/n). En los cálculos basados en la apertura numérica se utiliza este último ángulo.

El diámetro del disco de luz que incide sobre la superficie de un CD es de 2 x 1,2 mm x tan 17º = 0,73 mm, varios órdenes de magnitud superior al tamaño de las marcas que codifican la información; la ventaja de esta decisión de diseño es que cualquier objeto sobre la superficie del disco con un diámetro inferior a 0,5 mm, como una raya, una mota de polvo o incluso un cabello humano, afectará poco al paso de la luz del haz hacia la pista de música y permitirá la lectura sin error de los datos (por supuesto se usan códigos con corrección de errores para codificar la información almacenada, pero no entraré en sus detalles).

Como muestra esta figura (y la que abre la entrada), la lente no enfoca la luz en el plano de la resina (a 1,2 mm) sino en un plano de enfoque intermedio. En el CD se encuentra a 1,1 mm de la superficie (o 0,1 mm de la pista de datos). Pero este plano de enfoque cambia con la tecnología estando a 0,6 mm de la superficie en DVD y HD DVD, y a 0,1 mm en Blu-ray (como muestra la figura que abre esta entrada, en la parte de abajo). Por ello, el disco de luz sobre la resina que almacena la información es un poco mayor que la punta del tronco-cono de luz. El valor de la apertura numérica asociado a cada tecnología corrige este efecto para permitir calcular con precisión el diámetro del disco de luz que incide sobre la resina.

Dibujo20130901 laser beam size - comparison CD DVD Blu-ray

El tamaño del disco de luz proyectado por el tronco-cono de luz que incide sobre la resina está limitado por los efectos de la difracción. Según esta teoría, sobre la resina incide un patrón de difracción de Airy formado por varios anillos concéntricos alrededor de un disco central que concentra el 84% de la luz (Airy disk en wikipedia). En un CD el diámetro ø de este disco central es de 1,22 (λ/n) / sin θ’ = 1,22 (0,780/1,55) / sin(17º) = 2,11 μm (valor que se reduce a 1,32 μm en el DVD y a 0,58 μm en el Blu-ray). Por cierto, en la figura que abre esta entrada se indican números diferentes para el diámetro ø para cada tecnología, en concreto 1,6 μm para el CD, 1,1 μm para el DVD, 0,62 μm para el HD DVD y 0,48 μm para el Blu-Ray; parece que el autor de la figura ha utilizado la fórmula aproximada D ≈ λ’/NA en lugar de la fórmula más correcta ø = 1,22 λ’/NA.

El diámetro del disco de Airy sobre la resina determina la separación entre pistas y entre las marcas que representan los datos en el disco. Por seguridad se usa una separación de pistas p (por pitch) un poco mayor, así se evitan efectos de aberración óptica en la lente y se permite cierto error en el seguimiento de la pista (tracking error). Como indica la figura que abre esta entrada en el caso del CD se usa p = 1,6 μm, valor que se reduce a 0,74 μm en el DVD, 0,40 μm en el HD DVD y sólo 0,32 μm en el Blu-ray.

Dibujo20130901 reading on the track - on-groove and in-groove - intensity profile

El impacto de la luz del láser en la superficie de la resina donde están grabados los datos se encuentra con dos posibilidades, que haya un pit (“agujero”), in-groove en esta figura, o que no lo haya, on-groove. Cuando el láser de lectura impacta sobre la superficie de la resina (on-groove) se refleja y el fotodiodo de lectura recibe cierta intensidad de luz. Sin embargo, cuando el láser de lectura impacta sobre un pit, parte de su luz es reflejada en el pit y parte en la superficie, produciéndose dos haces reflejados que interfieren entre sí de forma destructiva, con lo que el fotodiodo recibe una intensidad de luz del 50% respecto al otro caso. Siempre se recibe luz, pero en un caso se recibe más luz y en el otro menos.

En el CD la longitud de onda en el plástico de policarbonato es de 503 nm, con lo que interferencia destructiva entre dos haces de luz reflejada requiere una diferencia de recorrido en distancia de unos 250 nm. Por ello la profundidad del pit es de 125 nm (un cuarto de longitud de onda); en realidad, por cuestiones de fabricación, la profundidad de los pits en la resina fluctúa entre 110 nm y 135 nm. Los cálculos para las otras tecnologías son similares, siendo la profundidad de los pits para el DVD de 105 nm y para el Blu-ray de 65 nm.

La información digital en el disco no se almacena en bytes (8 bits) mediante unos y ceros consecutivos, para evitar que haya dos unos consecutivos (aunque se permite la existencia de hasta 10 ceros consecutivos). Se utiliza una palabra (word) de 14 bits y cada palabra se separa por 3 bits (luego se usan 17 bits por cada 8 bits de información). La técnica se llama modulación EFM de 8 a 14, que garantiza que cada pareja de unos está separada por como mínimo dos ceros y como máximo diez ceros (tabla de conversión). Se utiliza la codificación de no retorno a cero (NRZI), de tal forma que un uno binario se almacena como la transición de resina a agujero (entrada en un pit) o mediante la transición de agujero a resina (salida de un pit), mientras que un cero binario corresponde a la ausencia de cambio, es decir, seguir en la resina o seguir en el pit, según corresponda el caso. Esta técnica facilita la electrónica de lectura de la señal del fotodiodo, pues es más fácil leer un frente (cambio brusco) que una señal continua.

La técnica NRZI hace que los pits tengan diferente longitud según el lugar del código EFM que corresponda. Los pits más cortos (que representan dos ceros en el código EFM) en el CD tienen una anchura w = 0,60 μm y una longitud l = 0,80 μm, que se reducen en el DVD a w = 0,32 μm y l = 0,40 μm, en el HD DVD a w = 0,20 μm y l = 0,20 μm, y en el Blu-ray a w = 0,13 μm y l = 0,15 μm. Cuando hay diez ceros seguidos graba en el disco el pit más largo cuya longitud es cinco veces mayor, pero su anchura es siempre la misma.

Hay muchas más cosas sobre la tecnologías de los CD y su evolución hasta el Blu-ray que me he dejado en el tintero, pero espero que este repaso rápido incentive a los interesados en profundizar a buscar en la web más información sobre esta tecnología que en su momento fue revolucionaria.

5 pensamientos en “En el 31 cumpleaños del CD, un repaso a su evolución hasta el Blu-ray

  1. Buen día.
    Algunas preguntas:
    ¿”la resina es la parte verde en la imagen inferior de la figura que abre esta entrada”?
    ¿qué no la capa verde en la imagen de entrada representa la capa protectora donde normalmente se imprime información del CD?

    ¿entonces cómo funcionan los CD-RW/DVD-RW? investigaré, por lo pronto me voy por pensar que tienen una capacidad limitada de “re-grabados”, cuando en realidad se graba en espacio vacío, no sobre los pits existentes.
    Buena nota.

    • Guillermo, la resina es la parte verde, que por un lado tiene un recubrimiento donde se imprime la carátula del CD y por el otro el plástico de policarbonato. Hay muchas variantes de la tecnología CD para RW, en la web/wiki tienes más información; básicamente se sustituye la resina por un material amorfo que con la temperatura cristaliza y con un láser se calienta para grabar los pits.

  2. Francis
    Como va?
    Cual crees que sea la tecnología que reemplace al blue ray o directamente no habrá mas memoria tipo disco?

    • Alicia, Blu-ray todavía no ha logrado el éxito esperado, pero se queda corta para el futuro de la TV en el hogar: las tecnologías 3D y la resolución 4K (ahora mismo la alta definición son 1080p). A corto plazo, Sony y Panasonic planean para 2015 el llamado 4K Blu-ray que almacenará unos 300 GB en un disco óptico del mismo tamaño que un Blu-ray de 50 GB. A largo plazo, no sé que decirte; quizás la nube (cloud) reemplace el almacenamiento óptico en el hogar.

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