光盘数据存储原理

光盘数据存储原理

物理结构

光盘（如CD、DVD、蓝光）由多层材料构成,核心结构包括：

• 基片：透明塑料（如聚碳酸酯）,用于保护内部结构。
• 记录层：存储数据的介质,通过物理或化学变化记录信息。
• 反射层：金属薄膜（如铝、银）,用于反射激光。
• 保护层：防止划痕和氧化（如DVD的紫外线固化胶）。

不同光盘的物理特性对比：
| 类型 | 激光波长 | 光点尺寸 | 单层容量 | 记录方式 |
|——|———-|———-|———-|———-|
| CD | 780 nm | ~1.0 μm | 650 MB | 凹坑/平面 |
| DVD | 635/650 nm | ~0.74 μm | 4.7 GB | 凹坑/平面或相变 |
| 蓝光 | 405 nm | ~0.35 μm | 25 GB | 相变或色素 |

数据写入原理

1. 一次性写入（如CD-R）：

   • 高功率激光照射记录层，熔化材料形成凹坑（代表“0”）或保持平面（代表“1”）。
   • 冷却后形成不可逆的物理标记。

2. 可重写（如DVD±RW、蓝光）：

   • 相变技术：激光加热记录层（如锗-锑-碲合金），在晶态（反射率高，代表“1”）和非晶态（反射率低，代表“0”）之间切换。
   • 色素技术：激光使有机染料分子结构变化,改变反射率。

数据编码与调制

• 通道编码：将原始数据转换为适合光学存储的信号。
  • CD：使用EFM（8-14调制），每字节扩展为14位,增加同步信息。
  • DVD/蓝光：采用更高效的调制方式（如DVD的RFC或蓝光的ADIP）,减少冗余。
• 扇区格式：数据按扇区（如CD每扇区2352字节）组织，包含同步字段、地址、纠错码和用户数据。

错误校正机制

• CIRC（交叉交织里德-所罗门码）：用于CD/DVD，通过交叉和里德-所罗门码纠正突发错误。
• 蓝光：采用更强的纠错算法（如LDPC）,可修正更高密度数据的错误。

数据读取原理

1. 激光发射：半导体激光器发出光束,经透镜聚焦到光盘记录层。
2. 反射检测：
   • 凹坑或非晶态区域反射光弱（“0”），平面或晶态区域反射光强（“1”）。
   • 光电二极管接收反射光,转换为电信号。
3. 信号处理：解码电路还原原始数据,纠错模块修正错误。

容量差异的核心原因

相关问题与解答

问题1：为什么蓝光光盘的存储容量远高于CD/DVD？
解答：蓝光使用更短的激光波长（405 nm），聚焦光点尺寸更小（约0.35 μm），允许更高的轨道和数据密度，蓝光碟片更薄且采用双层结构,进一步提升容量。

问题2：光盘划伤后为什么仍能读取数据？
解答：光盘依赖反射率变化存储数据，轻微划痕仅影响表面反射层，而错误校正码（如CIRC）可通过冗余信息修复局部数据错误，若划痕过深导致反射层损坏，则可能无法恢复