Technologia Blu-Ray i HD DVD

Piotr Pająk

1. Historia niebieskiego lasera.

Od ponad ćwierć wieku korzystamy z niezastąpionego wynalazku, jakim jest

czerwony laser, stosowany w wielu dziedzinach życia codziennego. Niewątpliwie

największe zastosowanie znalazł on w przemyśle komputerowym. Pierwsze płyty CD

z nagraną muzyką w jakości cyfrowej zaczęły pojawiać się w 1983 roku i po kilku

latach prawie całkowicie wyparły czarne winylowe płyty gramofonowe. Wynalazek

ten opierał się na zapisie informacji cyfrowych na nośniku optycznym, jakim była

płyta CD. Dzięki bardzo dużej pojemności jak na ówczesne czasy 650MB i co raz

mniejszych kosztach jej produkcji, zyskiwała ona sobie wielu zwolenników. Dziś

trudno wyobrazić sobie komputer bez odtwarzacza i nagrywarki CD czy DVD. Mimo

swojej popularności czerwony laser zaczyna powoli odchodzić do lamusa. Ciągły

postęp technologiczny, doprowadził do tego, że niesamowicie pojemne dyski CD i

DVD przestały imponować, a zaczęły być „ciasne” by pomieścić informacje

zapisywane w nowych standardach. Klasyczna płyta DVD mieściła od 4,7 GB do 17

GB danych w zależności od konstrukcji i była wystarczająca do zapisu filmu

panoramicznego ze standardową rozdzielczością skompresowanego algorytmem

MPEG-2 z dźwiękiem przestrzennym Digital Dolby 5.1. Mimo tak dużej pojemności

płyta okazuje się niewystarczająca do zapisu obrazu w wyższej rozdzielczości, jaką

stosuje nowa generacja telewizji HDTV (High Definition TeleVision). W technologii

tej obraz zapisywany jest z rozdzielczością przynajmniej 1280 x 720 pikseli. By móc

zapisać dwu godzinny film w tak dużej rozdzielczości wykorzystując algorytm

MPEG-2 potrzeba ok. 25 GB. Na przeciw taj technologii wychodzi niebieski laser,

dzięki któremu na płycie o średnicy 12 cm, można pomieścić 27 GB danych, czyli co

najmniej pięciokrotnie razy więcej niż na zwykłym krążku DVD. Zapis takiej ilości

danych jest możliwy, gdyż niebieskie światło emitowane przez niebieski laser

półprzewodnikowy ma najmniejszą długość fali z całego pasma widzialnego.

1

W płytach CD stosowany był czerwony laser o długości fali świetlnej wynoszącej 780

nm, a w płytach DVD laser o długości laser o 630 nm. Nowy niebieski laser używa

wiązki światła o długości fali 405 nm, dzięki czemu istnieje możliwość gęstszego

zapisu danych na płycie. Jednakże uzyskanie światła o tak krótkiej długości fali nie

było takie proste. Od lat sześćdziesiątych XX wieku starano się stworzyć niebieski

laser półprzewodnikowy. Jego bazę miał stanowić azotek galu (GaN), który jak się

okazało nie był taki łatwy do stworzenia. Materiał ten nie występuje w przyrodzie w

czystej postaci i musiał zostać stworzony w warunkach laboratoryjnych. Pierwsze

kryształki azotku galu zawierały dużą gęstość dyslokacji (liczbę defektów na jednostkę

objętości kryształu), przez co lasery uzyskiwane na ich podstawie były nie trwałe i

słabej jakości. Pierwszym sukcesem było zbudowanie niebieskiej diody LED w 1993

roku przez profesora Shuji Nakamura. Sukces swój, poszerzył on poprzez stworzenie

pierwszego niebieskiego lasera opartego na azotku galu w roku 1996. Laser ten nie był

jednak oparty na czystym azotku galu, Nakamura wykorzystał jako bazę szafir, na

który nakładał azotek galu oraz inne warstwy związków chemicznych. Szafir ma

podobną strukturę, lecz różnica między nim a azotkiem galu była zbyt duża, co

odbijało się na jakości lasera. Laser ten miał niewielką moc i krótką żywotność. Z

biegiem czasu Japończycy poprawiali swoją technologię, ale w dalszym ciągu nie

mogli uzyskać tak dobrej jakości kryształku azotku galu, jaką otrzymali Polacy.

1.1. Polskie badania nad niebieskim laserem.

Gdy cały świat borykał się z problemem stworzenia czystego kryształku azotku

galu, to właśnie w polskim Centrum Badań Wysokociśnieniowych PAN „Unipress”

stworzono kryształek azotku galu bez defektów strukturalnych. Badania

zapoczątkowane w latach osiemdziesiątych przez profesora Sylwestra Porowskiego, w

późniejszym czasie kontynuowane również przez doktor Izabelę Grzegory, przynosiły

znaczne efekty w produkcji kryształków GaN, lecz do zbudowania lasera czekało na

1

Bieńkowski M., Chip- Technologia Blu Ray,wydawca Vogel Burda Communications sp. z o.o

, 2003, nr 8,

s.34

nich wciąż dużo pracy. Japończycy tworząc swoje złącze p-n oparte na GaN ( dioda

bipolarna), pomogli w dużym stopniu Polakom, którzy idąc ich śladami zbudowali na

swoich kryształach bardzo podobne złącze p-n.

Po wielu latach badań, w roku 1999 Ministerstwo Gospodarki, Komitet Badań

Naukowych i inwestorzy prywatni zaczęli finansować program budowy niebieskiego

lasera. Dzięki zdobytym funduszom stworzono od podstaw nowe laboratoria, w

których 12 grudnia 2001 roku uruchomiono pierwszy laser oparty całkowicie na

monokrystalicznym podłożu azotku galu. Laser ten nie zawierał defektów (dyslokacji),

co spowodowało, że stał się on jednym z najlepszych laserów o dużej mocy optycznej.

Powołana została spółka TopGaN, zajmująca się produkcją niebieskich laserów jako

jedyna w Europie. Lasery przez nich produkowane odznaczają się największą mocą

optyczną w impulsie na świecie, wynoszącą 4 W.

1.2. Produkcja niebieskiego lasera.

Podstawowym elementem niebieskiego lasera jest azotek galu. Jego

wytwarzanie jest bardzo trudnym etapem. W polskim Centrum Badań

Wysokociśnieniowych „Unipress” wytwarza się go pod ciśnieniem 20 000 atmosfer i

temperaturze ok. 1600

°

C. Warunki te powodują przenikanie azotu do roztopionego

galu i jednocześnie powodują, że liczba defektów nie przekracza 100/cm2. Tak

stworzony kryształ azotu galu ma formę heksagonalnej płytki o wielkości ok. 2cm.

Następnym etapem jest naniesienie kontaktów elektrycznych Ni-Au do GaN o

strukturze przewodnictwa typu p. Ten etap składa się z kilku faz. Najpierw wykonuje

się kontakty metodą fotolitografii w postaci bardzo cienkich (kilka mikrometrów)

pasków. Następnie dokonuje się trawienia mokrego, metalizacji i trawienia suchego

struktur. Nakłada się warstwę izolacyjną SiO2, selektywnie usuwa warstwę izolacyjną.

Wreszcie następuje nałożenie warstw Au na pola podkontaktowe. Ostatnim etapem

produkcji

kontaktów

elektrycznych

jest

fotolitografia

i

trawienie

pól

podkontaktowych. Kolejne faza to łupanie rezonatorów optycznych, naniesienie

dielektrycznych warstw odbiciowych na zwierciadła oraz montaż, połączenia i testy

struktur.

Schemat budowy niebieskiej diody leserowej.

2. Technologia Blu-Ray i HD DVD.

Wraz z pojawieniem się nowej generacji telewizji HDTV, nadeszła potrzeba na

nośniki pamięci o większych pojemnościach. Potrzebom tym sprostał niebieski laser,

który wykorzystuje technologia Blu-Ray, oferująca pojemność 27 GB i zaraz po niej

konkurencyjna technologia HD DVD umożliwiająca zapis 15 GB informacji cyfrowej

na nośnikach optycznych. Technologia Blu-Ray Disc powstała jako pierwsza

stworzona przez pięć firm; Sony, LG Electronics, Philips, Mitsushita, Hitachi. Do

konsorcjum Blu-Ray Disc Assocition dołączyli później Samsung, Pionner, Sharp,

Thomson, HP, TDK i obecnie konsorcjum to zrzesza ponad 150 firm. Organizacja

promująca standard HD DVD zgromadziła wokół siebie takie firmy jak: Toshiba, NEC

i MemoryTech i przyjęła na początku nazwę AOSRA ( Advanced Optical Storage

Alliance ). Po przyjęciu nowych członków m.in. Microsoftu, Intela i Canona

przekształcając się w HD DVD Promotion Grup i zrzesza 62 członków. Część firm

przyjęła uczestnictwo w obu stowarzyszeniach, ale mimo to oba konsorcja ostro

rywalizują między sobą chcą doprowadzić, by to właśnie ich produkt został uznany za

nowego następcę DVD. Wynika to z faktu, że technologia ta pochłonęła ogromne

fundusze, które przez lata były przeznaczone na badania. Poza tym, technologia ta

będzie przynosiła ogromne zyski. Licencja na technologię Blu-Ray ma wynosić 20 tyś.

Dolarów, a licencja na ochronę treści 120 tysięcy dolarów rocznie i 10 centów od

każdego sprzedanego napędu. Producenci mediów mieliby płacić 8 tysięcy rocznie i 2

centy od każdej płyty. Nic dziwnego, że oba konsorcja chcąc zyskać sobie jak

największą popularność, zachęcają wytwórnie filmowe by wybierały właśnie ich

format do zapisu filmów w standardzie HDTV. Jak na razie za standardem Blu-Ray

Disc (BD) opowiedziały się; Sony Pictures, Walt Disney, Twentieth Century Fox,

Lions Gate Home Entertainment, Metro-Goldwyn-Mayer oraz Universal Music Group.

Sprzedaż filmów zapisanych na krążkach HD DVD popierają: New Line Cinema,

Universal Picture i Warner Bros. Natomiast takie wytwórnie jak: Warner Home Video

i Paramount Home Entertainment chcą sprzedawać swoje filmy na oby płytach. Ta

rozbieżność między wytwórniami wynika z faktu, że technologia HD DVD jest

połączeniem dotychczasowego standardu DVD i nowego HD DVD, przez co

zapewnia kompatybilność z dotychczasowymi odtwarzaczami DVD, czego nie oferuje

Blu-Ray. Zgodność ta wynika z faktu, że płyty HD DVD składają się z dwóch warstw,

pierwszą jest zgodna ze zwykłym DVD, natomiast druga warstwa pracuje w

technologii opartej na niebieskim laserze. Aby móc dokładnie wytłumaczyć ta sytuację

przyjrzymy się budowie obu technologii.

2.1. Budowa i porównanie nośników Blu-Ray Disc i HD DVD.

Zapis informacji na płytach wykorzystujących nowo wynaleziony niebieski

laser, opiera się na tych samych zasadach, co na płytach CD czy DVD. Od środka

płyty biegnie spiralna ścieżka kończąca się przy zewnętrznej krawędzi. Zawiera ona

tzw. pity i lady, które są wytłoczone lub wypalane w przypadku nagrywarek. W

trakcie odczytu promień lasera odczytującego jest odbijany lub rozpraszany. Promień,

który zostanie odbity powraca do foto dekodera gdzie interpretuje się jego

intensywność i zamienia na ciąg zer i jedynek. Różnica między zapisem informacji na

CD a DVD polega na zmianie szerokości ścieżki oraz na rozmiarze pitów i landów.

Odległość miedzy ścieżkami płyt CD wynosi 1,6 mm a w płytach DVD 0.74mm.

Wielkości pitu wynoszą odpowiednio; dla CD 0,83 mm i 0,4 mikrona dla DVD. To

właśnie zmiany tych parametrów spowodowały, że pojemność płyt wzrosła z 650MB

do 4.7 GB, ale zmiany szerokości ścieżek wymagały zastosowania światła o mniejszej

długości fali. W standardzie CD stosowany jest czerwony laser o długości fali 780 nm

a w DVD długość fali światła wynosi 650 nm. Identyczne zmiany zostały

wprowadzone do technologii Blu-Ray. Dzięki zastosowaniu niebieskiego lasera

emitującego światło o długości 405nm, zmniejszono jeszcze bardziej szerokość

ś

cieżek i wielkość pitu. W technologii Blu-Ray odległość między ścieżkami spadła do

0,14µm a w HD DVD do 0,24µm. Rozmiar pit wynosi 0,32µm dla Blu-ray i 0,34 dla

HD DVD. Jak można już zauważyć obie technologie mimo tego, że korzystają z tego

samego lasera wprowadziły inne parametry. Różnice można dostrzec też w budowie

nośnika. HD DVD korzysta z podobnej konstrukcji płyt, co obecnie sprzedawane

DVD. Warstwa nośna umieszczona jest miedzy dwiema warstwami poliwęglowymi na

głębokości 0,6 mm. Zapewnia to wytwarzanie nowych płyt HD DVD na tych samych

taśmach produkcyjnych bez stosowania większych zmian. Rozwiązanie to zapewnia

również większą odporność na zarysowania, ale oznacza również, że światło lasera

musi się dostać w głąb nośnika, przez co czytniki będą bardziej wrażliwe na

nierównomierne ruch płyty w napędzie. W nośnikach Blu-ray wyeliminowano ten

problem umieszczając warstwę nośną na głębokości 0,1 mm od powierzchni płyty.

Dziki temu nie ma potrzeby klejenia dwóch warstw, a jedynie nałożenia twardej,

odpornej na zarysowania warstwy ochronnej. Jedną z takich powłok jest powłoka

Durabis, wynaleziona specjalnie przez firmę TDK.

Kolejną bardzo istotną różnicą, między Blu-ray a HD DVD jest zastosowanie

soczewki i innej zdolności do ogniskowania, czyli soczewki o tzw. innej aparaturze

numerycznej. Wpływa ona na gęstość optyczną wiązki lasera, co w rzeczywistości

przenosi się na tolerancję na wszelkiego rodzaju zadrapania lub zabrudzenia warstwy

ochronnej. Producenci Blu-ray zastosowali soczewki o aparaturze numerycznej

wynoszącej 0,85, podnosząc tym samym tolerancje na zarysowania, a konstruktorzy

HD DVD użyli soczewek o aparaturze tylko 0,65 czyli bardzo zbliżonych do

stosowanych w zwykłych DVD. Wszystkie te różnice spowodowały, że oba nośniki

oferują różne pojemności na zapis danych. Technologia BD oferuje go najwięcej, bo

aż 27 GB, podczas gdy HD DVD tylko 15 GB. W produkcji ma być wiele rodzajów

nośników od dwuwarstwowych aż do ośmiowarstwowych oferujących nawet 200 GB.

Więcej szczegółów zawartych jest w tabeli 1.1.

2.2. Nowe zabezpieczenia w nowej technologii.

Nowo wprowadzane na rynek produkty oparte na niebieskim laserze zwierać

będą nowe, bardziej zaawansowane zabezpieczenia antypirackie. W tym miejscu znów

możemy dostrzec różnice między nowymi standardami. Te różnice były kolejnym

powodem podzielenia się wytwórni filmowych i nie tylko na zwolenników BD i HD

DVD. Koncerny, które opowiadają się za Blu-Ray Disc mają większą pewność, że ich

produkty nie będę łatwo rozpowszechniane na czarnym rynku, ponieważ technologia

ta zawiera największą liczbę zabezpieczeń. Podstawowy zabezpieczeniem jest

Advanced Access Content System (AACS) podobny do Content Scrambling System

(CSS), który jest stosowany na dzisiejszych płytach DVD. AACS daje możliwość

zrobienia autoryzowanej kopii zawartości płyty, chronionej przez system DRM. Dyski

produkowane w technologii Blu-ray wykorzystywać będą ROM Mark, czyli cyfrowe

sygnatury identyfikujące producenta. Zwykły konsument nie będzie ich widział, ale

firmy i osoby chcące masowo kopiować nośniki czy to z danymi czy z filmami będę

musiały z nich korzystać. Kolejnymi systemami zabezpieczeń będą High Bandwidth

Digital Control Protection (HDCP) oraz Renewal Key Block (RKB) stosowane

opcjonalnie. Zadaniem HDCP jest szyfrowanie sygnału opuszczającego komputer lub

odtwarzacz w taki sposób, aby w drodze do wyświetlacza nie został on przechwycony

i zapisany na dysku. Konstruktorzy zakładają też korzystnie z Digital Transmission

Content Protection (DTCP). Pozwala on na przesyłanie danych, na przykład w sieci

LAN i daje możliwość na nałożenie przez dostawce treści ograniczeń. Ostatnim z

systemów, którego dokładnej zasady nie ujawniono jest BD+ umożliwiający aktywne

uaktualnianie zabezpieczeń.

Zwolenników HD DVD czeka pewnego rodzaju rozczarowanie. Twórcy tego

standardu zakładają korzystanie tylko z dwóch rodzajów zabezpieczeń. Pierwszym z

nich jest wspomniany już AACS, natomiast drugim zabezpieczeniem ma być

nowatorska technologia nazwana dźwiękowym znakiem wodnym. Opiera się ona na

niewielkiej, niesłyszalnej dla ludzkiego ucha zmianie częstotliwości sygnału w lewym

i prawym kanale. Dźwięk ten bez problemu przenosi się przez urządzenia wi-fi, nie

zależnie od tego czy jest w postaci cyfrowej czy analogowej. Odtwarzacze HD DVD

mają być wyposażone w odpowiednie czujniki, które będą „odsłuchiwać” i analizować

dźwiękowy znak wodny. Jeśli ów znak będzie prawidłowy, odtwarzacz rozpocznie

projekcje filmu, natomiast, jeśli film będzie przekopiowany z oryginalnej płyty na

płytę HD DVD-R to dźwiękowy znak wodny będzie już niezgodny z płytą, na której

się znajduje i odtwarzacz zatrzyma film. Podobne działanie będzie można wywołać

wprowadzając dźwiękowy znak wodny do filmów kinowych i tym samym

wyeliminować możliwość odtwarzania filmów nagranych kamerą w kinie.

Zastosowanie różnych typów zabezpieczeń miedzy obiema technologiami

przyczyniło się jeszcze bardziej do zwiększenia różnic między nimi. Jak można się

domyśleć wszystkie te różnice a zwłaszcza stosowanie soczewek o innej aparaturze

numerycznej, powodują, że oba standardy nie są miedzy sobą kompatybilne. W

praktyce oznacza to, że zwykły konsument, który dokonał zakupu odtwarzacza w

technologii np. Blu-ray nie będzie w stanie oglądnąć filmu zapisanego na krążku HD

DVD. Oba konsorcja prowadzą teraz między sobą zaciekłą walkę, chcąc zdobyć sobie

jak najwięcej zwolenników i nie dopuścić do tego by konkurencyjny standard został

uznany za następcę DVD. Mimo to niektóre firmy zapowiedziały już, że będą chciały

stworzyć urządzenie mogące pracować w dwóch technologiach. Przyjrzyjmy się zatem

sytuacji na rynku odtwarzaczy.

Specyfikacja techniczna płyt CD, DVD, Blu-ray i HD DVD

Tabela 1.1. Zestawienie technologii Blu-Ray, HD DVD i DVD.

Zestawienie technologii Blu-Ray, HD DVD i DVD

Blu-Ray

HD DVD

DVD

Ś

rednica płyty

120 mm

120 mm

120 mm

Grubość płyty

1,2 mm

1,2 mm

1,2 mm

Laser (długość fali światła)

405 nm

405 nm

650 nm

Minimalna odległość obszaru pit

0,32 µm

0,34 µm

0,4 µm

Odległość między ścieżkami

0,14 µm

0,24 µm

0,74 µm

Pojemność nośnika

płyta jednowarstwowa

27 GB

15 GB

4,7 GB

płyta dwuwarstwowa

50 GB

30 GB

8,5 GB

płyta trzywarstwowa

nd.

45 GB

nd.

płyta czterowarstwowa

100 GB (od 2007 r.)

nd.

nd.

płyta ośmiowarstwowa

200 GB (od 2009 r.)

nd.

nd.

Maksymalna prędkość transmisji

danych

36 Mb/s (72 Mb/s dla

płyt 100 i 200 GB)

36 Mb/s

11 Mb/s

Czas odtwarzania materiału

MPEG-2 dla płyty

jednowarstwowej

ok. 13 godziny

ok. 9 godziny

133

minuty

Czas odtwarzania materiału

HDTV

2-4 godziny

2-4 godziny

Kodowanie sygnału wideo

MPEG-2/4, AVC, VC-

1

MPEG-2/4,

AVC, VC-1

MPEG-2

Kodowanie sygnału audio

Dolby Digital +, DTS

++

Dolby Digital

+, DTS ++

Dolby

Digital +,

DTS

Zabezpieczenia przed

kopiowaniem

AACS, DTCP, HDCP,

RKB, BD +

AACS,

dźwiękowy

znak wodny

CSS

nd – nie dotyczy; AACS – Advanced Access Content System; HDCP – High Bandwidth

Digital Control Protection; RKB – Renewal Key Block; CSS – Content Scrambling

System