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yuchi
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#1 [常識]CD-R/RW資料記錄原理簡介

CD-R/RW資料記錄原理簡介

現今CD-ROM光碟機已經幾乎是所有新出廠個人電腦的標準配備了，而使用CD-ROM/R/RW 光碟片交換資訊也變得稀鬆平常。還記得在九零年代初期，買了套WordPerfect 6.0 for Windows，當時包裝盒裡裝了將近二十片的三吋半磁碟片，外加三四本厚重的使用手冊。安裝整套軟體真是費時又費神，如今所有軟體和使用手冊幾乎都是使用CD-ROM 光碟片來儲存，不但安裝方便，而且節省紙張，達到環保的目的。

近年來，由於生產技術的進步和原料成本降低，CD-R/RW光碟片和燒錄機的價格越來越大眾化，也因此刺激了廣大消費者的需求。本文簡介CD-R/RW碟片的材質與記錄方式，供您參考。

CD-ROM 光碟片的主要構成元件

CD-R/RW的材質差異

在介紹CD-R/RW 的記錄材質之前，我們先來了解一般的CD-ROM 光碟片的主要構成元件。如附圖所示，一片CD-ROM 光碟片由上至下有：可供印刷文字圖片或書寫等的漆面層(Lacquer layer)，接著是一層透明的聚碳酸脂樹脂(Polycarbonate)，裡頭包覆一片薄薄的鋁金屬片。這片鋁金屬片經過模具壓製，上頭充滿了許多小坑洞。所有的CD資料就是透過雷射光束照射在鋁金屬片上的平坦面與小坑洞所造成的反射差異而形成。下一節會對記錄方式有詳細的介紹。
現在來介紹CD-R 碟片，它的基本構成元件和CD-ROM 相同，而差別在於CD-R 多了一層染料層 (Dye layer)，這層染料整個覆蓋在反射層 (Reflective layer，也就是一片完全平坦的鋁金屬片) 上。染料材質的差異形成不同的顏色，如金片、藍片、綠片…等種類。

CD-R 多了一層染料層

CD-R碟片的製造過程中，染料本身配方會影響資料保存年限。一般而言，不論是哪種碟片，都能保存資料超過十年。有些高檔的碟片甚至號稱能有一百年以上的保存能力。但各位在街上所見到一張張零售的空片，最好不要期望它能有很長的保存能力。曾經用一張日系碟片燒錄了約500KB的資料，然後把它放在CD-ROM光碟機夜以繼日的做讀取測試，結果兩個多月之後片子就掛了。雖然讀取碟片時的雷射光功率，遠低於燒錄時所用的功率。但日積月累下來，燒錄時沒被燒穿的染料層也會被讀取資料的雷射光束給「刮平」了。這個頗極端的case僅供您參考。一片CD-R碟片的製作過程大致如附圖所示。
另外碟片旋轉讓染料塗佈的過程，也會影響這張碟片的品質。此話怎講？如果旋轉塗佈的時間不足夠，碟片外緣的染料就有可能會不均勻，造成燒錄在碟片外緣的資料不容易讀取。所以如果讀者您手頭上有些CD-R碟片，您可以對著燈光仔細瞧瞧它的資料記錄面外緣，是否有波浪狀紋路。如果有波浪狀紋路的話，那就是負責資料記錄的染料層有塗佈不均勻的現象。建議您別把這張碟片燒的太滿。以免資料燒進去會讀不出來。

CD-R碟片的製作過程

CD-RW碟片的記錄材質比起CD-R 複雜得多，從附圖中您可以看出來，它的折射層下方多了三層物質用以記錄資料，分別是上介電材料層 (Upper dielectric layer)、記錄層 (Recording layer)、和下介電材料層(Lower dielectric layer)。其中記錄層是由銀 (Ag)、銦 (In)、銻 (Sb)、和碲 (Te) 四種合金構成。這四種合金混合的比例及方法在各個生產CD-RW 碟片的廠家都不盡相同，同時也是業務機密。

CD-RW碟片的記錄材質

製造CD-RW 碟片的步驟基本上和CD-R 頗相近，最主要的差異在於記錄材料的塗佈方式。CD-RW採用的是所謂「濺鍍法」把記錄材料塗到碟片上。首先將鋁金屬片導電並旋轉，接著將記錄層的合金物質及上下導電層，以噴霧的方式附著在鋁金屬片上。接著下來，把濺鍍完成的碟片包上塑膠保護層和印刷層，這樣一張CD-RW碟片就完成了。
附圖為一張CD-RW 碟片的製造過程及品管流程。

■ CD-R/RW資料記錄方式
在介紹CD-R/RW的資料記錄方式之前，讓我們先簡單介紹CD-ROM碟片上的資料是如何被解讀的。本文先前曾經提到過，CD-ROM光碟片上刻滿了許多的小洞，這些小洞稱為pit，而平坦的地方稱之為land。當CD-ROM碟片放入光碟機讀取，雷射光照在land處時會有大部分的入射光被反射回去。而照射在pit處的雷射光會因為破壞性干涉等因素，只有大約百分之十到二十的光反射回去。這些不同強度的反射光，經由光檢知器轉換成電氣訊號輸出，達成讀取功能。

CD-ROM碟片中的0與1是以land和pit的狀態轉換來辨認，如附圖所示，只有在land轉換成pit和pit轉換成land的時候才代表是1，其餘狀態都是0。所讀進來的0與1訊號還需要經過許多編碼和錯誤偵測、修正動作才算完成。

■ CD-R的記錄方式

CD-R 燒錄機將欲記錄的信號轉換成半導體雷射光的能量，雷射光束從碟片下方往上照射在CD-R 碟片染料層上，染料吸收了雷射光能後，將光能轉換成熱能，並形成局部高溫(約攝氏250度以上)。因而這一部份的染料因高溫而融解，形成一個小洞(pit)，這樣就達成了資料記錄的目的。也正因為CD-R有著無法恢復未燒錄前狀態的特性，所以在美國各級法院審理案件時，CD-R 碟片裡所儲存的資料是被認可的「呈堂證供」。

現今的燒錄機速度也越來越快，因此雷射光停留在染料層的時間，也就越來越短。所以在燒錄速度越快的狀況下，所需的雷射能量也就相對越高。可是燒錄速度與所需雷射能量之間，並非是線性關係。在橘皮書(Orange Book)的定義裡，定義了各燒錄倍速最佳化的能量範圍如下表：

燒錄倍速最佳化能量範圍
1x 4mW < Pwo < 8mW
2x 4mW < Pwo < 11mW
4x 4mW < Pwo < 14mW

CD-R/RW資料記錄方式

CD-RW的記錄方式
CD-RW 碟片採用的是所謂的「相變化」(Phase change)原理記錄資料。這種記錄原理由來已久，一直到最近鹹魚翻身，再度受到市場的重視。最早使用相變化技術的儲存設備，是由日本松下於1991年所推出，容量1GB的LF-7110。到了1994年底，松下在推出可抹寫相變化光碟PD，容量為650 MB，並可讀取一般的CD-ROM(4x speed)、CD-DA、PhotoCD等。目前最新的應用則是DVD-RAM，它更將相變化儲存裝置的容量一舉提升到2.6GB(單面)/5.2GB(雙面)的境界。

相變化記錄是利用材料的結晶態 (crystallization) 和非結晶態 (amorphous) 之間的反射率差異來儲存資訊。所謂的結晶態和非結晶態可以用玻璃和水晶當作例子：玻璃的分子排列不規則，屬於非結晶態；水晶的分子排列規則，屬於結晶態。兩者對光線的反射、透射率有著明顯的差異。相同的例子也可以在液晶顯示器 (Liquid Crystal Display) 上找到，只是它的結晶與非結晶狀態轉換是以電壓轉換方式進行的。

如本文先前所提，CD-RW碟片主要是以四種合金構成的記錄層，以結晶和非結晶兩種狀態的變化進行資料儲存。令記錄層材質轉換成結晶或非結晶所需的二極體雷射功率如附圖所示，燒錄CD-RW碟片時，8mW至14mW的功率定義為Pwrite，4mW至8mW之間定義為Perase，0mW至1mW則為Pbias。記錄層的材質熔點(melting point) 約為攝氏600度，結晶化溫度 (crystallization temperature) 約為攝氏200度。

燒錄CD-RW碟片

當要將CD-RW 碟片上某一特定區域抹寫成平坦區 (land) 時，就將雷射二極體釋放Perase功率並維持一段時間，令這塊區域以介於熔點和結晶化溫度長時間受熱，產生結晶化作用，如附圖所示。若要將CD-RW碟片上某一特定區域寫成小坑 (pit) 時，如下圖中所示，雷射二極體釋放最大功率為Pwrite和最小功率為Pbias的雷射光脈波，讓此區域的記錄材質在極短時間內達到熔點，然後停止釋放雷射光，讓記錄材質快速冷卻，達到非結晶化的目的。如果要寫入較長的pit區域，只需加長脈波釋放時間即可。藉由上述原理，我們就可以透過CD-RW 燒錄機重覆抹寫CD-RW 碟片。
最後要提到的是：因為CD-RW 碟片採用相變化方式，它的反射率比起CD-ROM 和CD-R 要低得多，所以CD-ROM 光碟機的讀取頭要有更高的靈敏度才可以辨認出CD-RW 記錄層裡結晶與非結晶區的反射率差異。具有這項能力的CD-ROM 光碟機就是所謂的「支援MuitiRead」光碟機。一般來說，24倍速以上的CD-ROM光碟機都已經有這項功能；如果您不確定您的光碟機是否支援MuitiRead，您最好還是向製造廠家洽詢。

雷射二極體釋放功率