Vật lý và "cuộc chiến" DVD

Đĩa HD-DVD và đĩa Blu-Ray thực chất khác nhau như thế nào? Tại sao cả thế giới quan tâm đến các loại đĩa này? Ta sẽ thấy, có một công thức vật lý khống chế dung lượng của các loại đĩa ghi thông tin theo phương pháp quang và nội dung cuộc chiến DVD hiện nay nằm trong công thức vật lý đó.

Đĩa CD - Khởi đầu một kỷ nguyên mới trong công nghệ ghi thông tin

Trước những năm 70 của thế kỷ trước, việc lưu trữ thông tin chủ yếu là theo phương pháp sử dụng băng từ. Trong đời sống ta vẫn thấy các loại băng từ nhỏ để ghi âm, các loại băng từ lớn để ghi hình. Năm 1969, hãng Philips bắt đầu phát triển cách ghi âm bằng laze, rồi không lâu sau đó Sony hợp tác với hãng Philips đã đưa ra thị trường đĩa CD (Compact Disc). Đó là sự khởi đầu cho công nghệ ghi thông tin kỹ thuật số bằng phương pháp quang học. Đĩa CD là một tấm nhựa tròn dày độ 1,2 mm, bề mặt phẳng phiu. Khi chế tạo hàng loạt, ban đầu người ta ghi thông tin vào đĩa bằng cách tạo ra đường xoáy trôn ốc trên bề mặt đĩa bằng những vết lõm cực nhỏ, vết dài ứng với bit 1, vết ngắn ứng với bit 0 (hoặc ngược lại) và dùng phương pháp bốc bay trong chân không để phủ một lớp kim loại mỏng (thường là nhôm) lên bề mặt đĩa nhựa. Chỗ nào không có vết lõm, lớp kim loại bằng phẳng, phản xạ tốt ánh sáng. Chỗ nào có vết lõm, lớp phủ kim loại bị lõm theo, hầu như không phản xạ ánh sáng. Trên lớp kim loại, người ta phủ thêm một lớp polyme trong suốt dày độ hơn 0,5 mm để bảo vệ cho lớp kim loại không bị xước.

ở đầu đọc đĩa CD có một nguồn sáng laze và một thấu kính để tập trung ánh sáng laze thành một điểm nhỏ chiếu vào lớp kim loại của đĩa CD (hình 1) và một đêtectơ là điôt quang điện để hứng tia phản xạ từ lớp kim loại và biến thành dòng điện. Khi đĩa quay tròn, nếu chỗ ánh sáng laze tập trung là lớp kim loại phẳng, đêtectơ cho dòng quang điện. Khi chỗ ánh sáng laze tập trung là lớp kim loại bị lõm xuống, vì không nhận được ánh sáng phản xạ nên đêtectơ không cho dòng quang điện, nói cách khác cho dòng quang điện bằng không. Vết lõm dài cho xung dòng điện (bằng không) dài, vết lõm ngắn cho xung dòng điện (bằng không) ngắn. Xung dài, xung ngắn đó chính là bit 1, bit 0 mà đầu đọc đọc được.

Dung lượng thông tin mà đĩa CD ghi được phụ thuộc vào kích thước điểm sáng của nguồn laze mà thấu kính hội tụ được trên màng mỏng kim lọai. Nếu điểm sáng này có kích thước lớn, vết lõm phải to, diện tích cần thiết để ghi một bit thông tin phải lớn, dung lượng ghi thông tin của đĩa sẽ là nhỏ. Vì vậy phấn đấu để dung lượng ghi thông tin của đĩa ngày càng lớn, tức là ghi được nhiều thông tin, cũng là phấn đấu thu nhỏ kích thước của điểm sáng mà thấu kính hội tụ trên màng kim loại ở đĩa.

Công thức vật lý hạn chế việc thu nhỏ kích thước điểm sáng hội tụ

Vật lý đã chứng minh rằng, do hiện tượng nhiễu xạ nên khi dùng nguồn là ánh sáng có bước sóng   để chiếu vào thấu kính cho hội tụ lại tại tiêu điểm thì kích thước nhỏ nhất d (điểm sáng được xem là hình tròn đường kính d) có thể đạt được là:        d =0,61/NA

NA là số khẩu độ (numerical aperture) của thấu kính, NA = nsinmax , với n là chiết suất của môi trường quanh thấu kính, max là góc lớn nhất của hình nón ánh sáng từ thấu kính hội tụ về điểm sáng. Việc phấn đấu để tăng dung lượng của đĩa CD được dẫn dắt theo công thức trên: Muốn giảm d, phải tìm cách giảm và tăng NA.

Ở giai đoạn mới phát triển của đĩa CD, người ta chỉ mới chế tạo được laze hồng ngoại, bước sóng = 780 nm, phải dùng lớp polyme trong suốt hơi dày để phủ lên lớp kim loại nhằm bảo vệ lớp kim loại khỏi xước nên số khẩu độ của thấu kính chỉ đạt NA = 0,45. Trong những điều kiện đó, kích thước nhỏ nhất của điểm sáng laze hội tụ được là 2,3 m (giá trị d tính theo công thức là giá trị lý tưởng, thực tế lớn hơn).

Ghi thông tin bằng đĩa CD đã tỏ ra hơn hẳn nhiều cách ghi từ phổ thông trước đó. Hàng chục bản nhạc được ghi gọn vào một đĩa CD, một cuộn phim dài vài tiếng chỉ cần một hoặc vài ba đĩa CD là ghi được trọn vẹn, với chất lượng cao. Cả một quyển từ điển, một tập dữ liệu hàng nghìn trang vẫn ghi lại được rất đầy đủ, rất bền bằng đĩa CD.

Đĩa CD-W và đĩa CD-RW

Thời gian đầu, đĩa CD có nhược điểm là việc ghi thông tin vào đĩa là do nhà sản xuất làm hàng loạt, ví dụ phát hành đĩa CD ghi các bài hát, một cuộn phim nhất định nào đó. Người sử dụng không tự ghi được bằng đĩa CD, trong khi đó thì ở cách ghi từ (băng từ, đĩa từ), người sử dụng tự ghi được, không những thế còn ghi đi, ghi lại được nhiều lần.

Nhược điểm này của đĩa CD được nhanh chóng khắc phục. Dần dần đã xuất hiện đĩa CD ghi được một lần gọi là CD-W (CD-Writable). Đó là đĩa nhựa có phủ lớp kim loại mỏng phản xạ, hoàn toàn phẳng phiu. Để ghi vào đĩa này, đầu ghi là một nguồn laze công suất đủ lớn để khi điều khiển chiếu vào điểm nào của màng kim loại trên đĩa thì chỗ đó bị nóng chảy sần sùi lên, không phản xạ ánh sáng, tương tự như chỗ màng kim loại bị lõm. Việc sử dụng đĩa trắng để tự ghi, ghi được rất nhiều thông tin trên một đĩa CD làm cho đĩa CD càng được phổ biến nhanh chóng, thị trường tiêu thụ rất lớn. Tuy nhiên theo cách này chỉ ghi được một lần.

Năm 1977 đã bắt đầu có đĩa CD ghi được nhiều lần, về sau gọi là đĩa CD-RW (CD-Rewritable). ở loại đĩa này, lớp kim loại mỏng phủ lên đĩa được thay thế bằng một lớp mỏng hợp chất đặc biệt gọi là hợp chất chuyển pha. Hợp chất này có hai trạng thái: Trạng thái tinh thể phản xạ tốt ánh sáng và trạng thái vô định hình, không phản xạ ánh sáng. Khi dùng chùm laze công suất đủ lớn chiếu vào một điểm của màng này, chùm laze đủ sức làm cho điểm đó của màng gần như nóng chảy. Nếu tắt tia laze một cách từ từ, hợp chất đang gần như nóng chảy từ từ nguội lại và sẽ ở trạng thái tinh thể phản xạ tốt ánh sáng. Nếu tắt tia laze một cách đột ngột, hợp chất bị nguội nhanh, sẽ ở trạng thái vô định hình, không phản xạ ánh sáng.

Vậy dùng tia laze có thể điều khiển cho chỗ này của màng phản xạ ánh sáng, chỗ kia không phản xạ ánh sáng, tạo ra vết không phản xạ ánh sáng (vết vô định hình) dài hay ngắn để ghi 1 và 0 một cách dễ dàng. Rõ ràng là theo cách này có thể ghi rồi xóa, ghi đi ghi lại được nhiều lần (hơn 1.000 lần).

Các loại đĩa CD trong đó có CD-W, CD-RW dùng laze hồng ngoại, dung lượng cỡ 600 MB (Megabyte) rất phổ biến trong lĩnh vực âm thanh, hình ảnh giải trí và trong lĩnh vực máy tính, ví dụ các CD-ROM.

Laze đỏ và đĩa DVD

Trong bước tiến nhanh theo hàm mũ của công nghệ thông tin, dung lượng cỡ 600 MB của đĩa CD là không thể đáp ứng được. Hơn nữa, do dung lượng hạn chế nên không phát huy được các khả năng tạo hình ảnh đẹp hơn, tinh tế hơn (phân giải cao - HF). Chính vì thế, người ta bắt đầu chuyển sang dùng laze đỏ, bước sóng = 650 nm và tìm cách tăng NA đến 0,6 để làm ra đĩa DVD dung lượng lớn hơn nhiều so với đĩa CD. Với việc giảm và tăng NA, kích thước của điểm ánh sáng laze tập trung trên đĩa đã giảm xuống còn 1,3 m và dung lượng của đĩa là 4,7 GB (Gigabyte), cỡ 7 lần lớn hơn dung lượng của đĩa CD. Ngoài ra còn có thể làm đĩa DVD hai mặt hoặc 4 mặt, dung lượng tăng lên gấp đôi hoặc gấp 4 lần so với DVD một mặt. Đĩa DVD hai mặt có thể ghi được ở cả mặt trên và mặt dưới của đĩa, còn đĩa 4 mặt thì mặt trên cũng như mặt dưới, mỗi mặt có 2 lớp ghi. ở mỗi mặt, khi đọc thông tin từ lớp nào thì cho tia laze tập trung vào một điểm ở lớp đó. Khi đọc lớp dưới thì hình nón tập trung ánh sáng vào lớp dưới nên lớp trên được hình nón xuyên qua ở một diện rộng, những vết ghi cực nhỏ ở lớp trên không ảnh hưởng đến việc đọc thông tin ở lớp dưới. Cũng tương tự như ở đĩa CD, theo các nguyên tắc tương tự nhưng tinh vi hơn, người ta làm các đĩa DVD ghi được một lần (W) hoặc nhiều lần (RW). Tất cả các đĩa DVD đang dùng hiện nay đều là đĩa DVD dùng với laze đỏ, dung lượng cỡ từ 5 đến hơn chục Gigagabyte. Một cuốn phim dài vài ba tiếng đồng hồ nay có thể thu gọn trong một đĩa DVD, với hình ảnh đẹp có phụ đề bằng 7, 8 thứ tiếng.

Laze xanh và cuộc chiến DVD

Tất nhiên là ai cũng nghĩ đến việc dùng laze xanh này trong ghi và đọc đĩa DVD, dung lượng của đĩa DVD sẽ tăng lên rất nhiều. Nhưng nếu vừa dùng laze xanh, vừa tìm cách tăng hơn nữa số khẩu độ NA ở thấu kính thì dung lượng của đĩa còn cao hơn nhiều. Tuy nhiên, việc tăng NA hơn nữa gặp nhiều khó khăn trong kỹ thuật nên có hai xu hướng lớn (xem hình 2).

Một xu hướng là chế tạo đĩa gọi là Blu-Ray (tia xanh) do hãng Sony chủ xướng. Blu-Ray tất nhiên là sử dụng laze xanh có = 405 nm nhưng tìm cách tăng NA một cách đáng kể (dự kiến là NA = 0,85). Đối với thấu kính ở đầu đọc và ghi khó làm thay đổi chiết suất n, chỉ có cách đưa thấu kính lại gần lớp kim loại phản xạ ở đĩa, khoảng cách đó càng ngắn thì góc của hình nón ánh sáng hội tụ càng lớn. Nhưng muốn giảm khoảng cách này phải giảm đáng kể bề dày lớp phủ bảo vệ trên lớp màng kim loại mỏng phản xạ. Mãi đến năm 2004, người ta mới tìm được một chất polyme trong suốt, chỉ cần phủ một lớp dày 0,1 mm là đủ để bảo vệ bề mặt kim loại khỏi bị xước. Nhưng lớp phủ polyme khi quá gần bề mặt kim loại thì bụi bặm, vết xước trên đó sẽ ảnh hưởng đến việc đọc thông tin ở đĩa nhiều hơn là khi lớp phủ dày.

Hãng Sony đã hết sức tích cực để sớm đưa Blu-Ray ra thị trường, hy vọng là tuy đắt hơn một chút nhưng dung lượng lớn hơn hẳn sẽ hấp dẫn thị trường hơn. Hãng Sony công bố là đã chế tạo được Blu-Ray với sử dụng là 405 nm, thấu kính có NA = 0,85 và điểm sáng hội tụ có kích thước chỉ 0,6 m, dụng lượng đối với loại một lớp là 25-27 GB.

Bảng 1 là so sánh giữa Blu-Ray và HD-DVD về mặt dung lượng.

Cuộc chiến giữa Blu-Ray và HD-DVD là cuộc chiến kinh tế - kỹ thuật kết hợp. Nghe đâu là đến cuối năm 2006 sẽ ngã ngũ. Công nghệ thông tin có ảnh hưởng trực tiếp đến hàng tỷ người trên thế giới, liên quan đến đời sống kinh tế, xã hội. Cuộc chiến giữa Blu-Ray và HD-DVD là một phần trong cuộc chiến về công nghệ thông tin. Không lâu nữa chắc chắn cuộc chiến này sẽ ảnh hưởng đến nước ta.

Nguồn: tchdkh.org.vn, tháng 06/2006