التخزين البصري

التخزين الضوئي هو نوع من أنظمة تخزين البيانات التي تستخدم الضوء لقراءة البيانات أو كتابتها على وسائط تخزين ضوئية . على الرغم من استخدام العديد من التنسيقات الضوئية عبر الزمن، إلا أن أكثر الأمثلة شيوعًا هي الأقراص الضوئية مثل القرص المضغوط (CD) والقرص الرقمي متعدد الاستخدامات (DVD). كما اختلفت طرق القراءة والكتابة بمرور الوقت، ولكن معظم الأنظمة الحديثة حتى عام 2023 تستخدم هذه التقنية.تستخدم هذه التقنية أشعة الليزر كمصدر للضوء، وتستخدمها في كلٍ من قراءة وكتابة البيانات على الأقراص. ^{[ 1 ]} تشير موسوعة بريتانيكا إلى أنها "تستخدم أشعة ليزر منخفضة الطاقة لتسجيل واسترجاع البيانات الرقمية (الثنائية)". ^{[ 2 ] [ 3 ]}

التخزين الضوئي هو تخزين البيانات على وسيط قابل للقراءة ضوئيًا. تُسجل البيانات عن طريق وضع علامات بنمط يمكن قراءته باستخدام الضوء، وعادةً ما يكون شعاع ليزر مُركز بدقة على قرص ضوئي دوار . من الأمثلة القديمة على التخزين الضوئي الذي لا يتطلب استخدام أجهزة الكمبيوتر، الميكروفيلم . توجد وسائل أخرى لتخزين البيانات ضوئيًا، وهناك طرق جديدة قيد التطوير. محرك الأقراص الضوئية هو جهاز في الكمبيوتر يمكنه قراءة أقراص CD-ROM أو أقراص ضوئية أخرى ، مثل أقراص DVD و Blu-ray . يختلف التخزين الضوئي عن تقنيات تخزين البيانات الأخرى التي تستخدم تقنيات أخرى مثل المغناطيسية ، كالأقراص المرنة والصلبة ، أو أشباه الموصلات ، كذاكرة الفلاش .

تتيح تقنية التخزين الضوئي على شكل أقراص إمكانية التسجيل على قرص مضغوط في الوقت الفعلي. وقد تميزت الأقراص المضغوطة بالعديد من المزايا مقارنةً بأجهزة تشغيل أشرطة الصوت ، مثل جودة الصوت العالية وإمكانية تشغيل الصوت الرقمي. ^{[ 4 ]} كما اكتسب التخزين الضوئي أهميةً كبيرةً بفضل خصائصه الصديقة للبيئة وكفاءته العالية في استهلاك الطاقة. ^{[ 5 ]}

تتراوح سعة التخزين الضوئي من محرك أقراص واحد يقرأ قرصًا مضغوطًا واحدًا إلى محركات أقراص متعددة تقرأ أقراصًا متعددة، مثل مشغل الأقراص الضوئية . يمكن أن تستوعب الأقراص المضغوطة (CD ) حوالي 700 ميجابايت ، بينما تستوعب مشغلات الأقراص الضوئية سعة أكبر بكثير. تستوعب أقراص DVD أحادية الطبقة 4.7 جيجابايت، بينما تستوعب الأقراص ثنائية الطبقة 8.5 جيجابايت. ويمكن مضاعفة هذه السعة إلى 9.4 جيجابايت و17 جيجابايت بجعل أقراص DVD ثنائية الجوانب، بحيث يكون سطح القراءة على كلا وجهي القرص. كانت أقراص HD DVD قادرة على تخزين 15 جيجابايت في حالة الطبقة الواحدة و30 جيجابايت في حالة الطبقتين. أما أقراص Blu-ray، التي تفوقت على أقراص HD DVD في مجال تنسيقات التخزين الضوئية للتلفزيون عالي الوضوح، فتستوعب 25 جيجابايت في حالة الطبقة الواحدة، و50 جيجابايت في حالة الطبقتين، وتصل سعتها إلى 128 جيجابايت في حالة الأقراص رباعية الطبقات. يشمل التخزين الضوئي الأقراص المضغوطة وأقراص DVD.

كانت شركة IBM رائدةً في تطوير أنظمة التخزين الضوئي خلال معظم المراحل الأولى من تاريخ الحوسبة. ففي عام 1959، قامت بتثبيت جهاز الترجمة الآلية للغات ، الذي استخدم قرصًا ضوئيًا يحتوي على 170,000 كلمة وعبارة باللغة الروسية وترجماتها إلى الإنجليزية. ^{[ 6 ]} وفي عامي 1961 و1962، طرحت الشركة جهاز IBM 1360 ، الذي استخدم شرائح تصويرية صغيرة تُقرأ باستخدام مصباح متوهج تقليدي كمصدر للضوء وخلية ضوئية ككاشف. وكان هناك نظام منفصل لكتابة البيانات على الشرائح باستخدام مدفع إلكتروني ، مما جعله نظام قراءة/كتابة. وعند توسيعه بالكامل، كان بإمكان جهاز 1360 استيعاب حوالي نصف تيرابت من البيانات، كما أتاح الوصول شبه العشوائي. ^{[ 7 ]} وكان نظام Foto-Mem FM 390 نظامًا مشابهًا من طرف ثالث .

تنافست وسائط التخزين الضوئية المختلفة، ومعظمها على شكل أقراص، مع التسجيل المغناطيسي خلال معظم فترتي الستينيات والسبعينيات، لكنها لم تنتشر على نطاق واسع. وقد وفّر ظهور ليزرات أشباه الموصلات التقنية اللازمة لجعل التخزين الضوئي أكثر جدوى من حيث كثافة التخزين والتكلفة. وانخفضت الأسعار إلى الحد الذي مكّن من استخدامها في المنتجات الاستهلاكية، مما أدى إلى طرح تنسيق LaserDisc التناظري عام 1978. تبع ذلك في أغسطس 1982 طرح قرص CD الرقمي للصوت/الموسيقى ، ^{[ 8 ]} والذي سرعان ما أدى إلى بذل جهود لتوحيد معايير تسجيل البيانات على هذه الوسائط. وقد طُرح هذا المعيار عام 1985 تحت اسم "الكتاب الأصفر" ، والذي عُرف لاحقًا باسم CD-ROM . ^{[ 9 ]}

في عام 1983، عرضت شركة فيليبس عملها الأولي في مجال تقنية محركات الأقراص المغناطيسية الضوئية خلال مؤتمر صناعي. اعتمدت هذه التقنية على استخدام الليزر لتسخين وسائط التخزين لتصبح قابلة للتأثر بالمجالات المغناطيسية ، ومغناطيس كهربائي، مشابه للمغناطيس الموجود في محركات الأقراص الصلبة ، لكتابة البيانات عن طريق إعادة ترتيب المادة داخلها. كانت تعمل كمحرك أقراص ضوئية تقليدي أثناء القراءة، حيث يعمل الليزر بمستويات طاقة منخفضة جدًا لا تكفي لتسخين القرص. انتشرت شائعات لفترة من الزمن حول استخدام شركة IBM لهذه التقنية في الإصدارات المستقبلية من حاسوب IBM الشخصي ، ^{[ 10 ]} لكن لم يُكتب لها النجاح. طرحت شركة كانون نسخةً مُغلّفة بغلاف مشابه لأغلفة أقراص 3.5 بوصة المرنة . طُرحت هذه النسخة في عام 1985، لكنها لم تُستخدم على نطاق واسع حتى عام 1988 عندما أصبحت العنصر الأساسي في حاسوب NeXT . ^{[ 11 ]} ظهرت تعديلات على هذا التصميم خلال التسعينيات، لكنها لم تحظَ بشعبية كبيرة خارج اليابان، على الرغم من أن تنسيق MiniDisc من سوني حقق بعض النجاح. ^{[ 12 ]}

في عام ١٩٨٨، أضاف "الكتاب البرتقالي" تنسيقًا للكتابة لمرة واحدة، وهو CD-WO، إلى تنسيق القرص المضغوط (CD) الموجود. كان هذا التنسيق متوافقًا مع محركات الأقراص المضغوطة الموجودة، مما يسمح بتسجيل الموسيقى والبيانات ثم قراءتها في أي محرك أقراص موجود. وبمرور الوقت، أصبح يُعرف باسم CD-R . ^{[ ٩ ]} في عام ١٩٩٠، أضاف "الكتاب البرتقالي" إصدارات قابلة لإعادة الكتابة مغناطيسيًا ضوئيًا من تنسيق القرص المضغوط، وهو CD-MO ، والذي اختلف عن أنظمة MO السابقة بشكل أساسي في أن القرص لم يكن مغلفًا بغلاف. لم يشهد هذا التنسيق استخدامًا كبيرًا. أدت التحسينات المستمرة في محركات الأقراص والوسائط إلى إضافة تنسيق CD-RW في عام ١٩٩٧ ، والذي سمح بكتابة الأقراص ومسحها وإعادة كتابتها. هذا التنسيق غير متوافق مع محركات الأقراص المضغوطة القديمة، مثل CD-R، ولكن محركات الأقراص للقراءة فقط القادرة على قراءة CD-RW أصبحت شائعة في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين مع انتشار استخدام CD-RW.

شهدت الوسائط البصرية نقلة نوعية أخرى مع طرح أقراص DVD عام 1996، والتي كانت بمثابة نقلة نوعية في عالم الفيديو كما كان القرص المضغوط (CD) في عالم الموسيقى. كان من المقرر في الأصل أن تُعرف باسم "قرص الفيديو الرقمي"، ولكن تم تغيير اسمها قبل إصدارها إلى "القرص الرقمي متعدد الاستخدامات" للدلالة على فائدتها في تخزين البيانات على أجهزة الكمبيوتر. ^{[ 13 ]} بمرور الوقت، سارت أقراص DVD على نفس منوال الأقراص المضغوطة؛ حيث طرحت شركة بايونير في عام 1997 تنسيقًا للكتابة لمرة واحدة، وهو DVD-R ، والذي يمكن قراءته في محركات أقراص DVD الموجودة آنذاك . ^{[ 14 ]} ولكن ظهر تنسيق ثانٍ للكتابة لمرة واحدة، وهو DVD+R، في عام 2002، مما أدى إلى منافسة قصيرة بين التنسيقات قبل أن تصبح محركات الأقراص ثنائية التنسيق شائعة. تم طرح تنسيق للقراءة والكتابة، وهو DVD-RW ، في عام 1999، ولكن مثل الأقراص المضغوطة السابقة، لم يكن بالإمكان قراءته بواسطة محركات أقراص DVD "العادية". مع مرور الوقت، أدت التحسينات إلى تمكين معظم محركات أقراص DVD الأحدث من قراءة أي من هذه الوسائط. ^{[ 15 ]}

من بين التحسينات التقنية الأخرى التي شهدتها تلك الحقبة، إدخال ليزرات أشباه الموصلات ذات الترددات العالية التي تعمل في نطاق الطيف الأزرق والأشعة فوق البنفسجية القريبة. وقد أتاحت هذه الأطوال الموجية الأقصر، بالإضافة إلى التحسينات في الوسائط الأساسية، تخزين كميات أكبر بكثير من البيانات على القرص. ومع الانتشار الواسع لتلفزيون عالي الوضوح في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، برزت الحاجة إلى وسيط قادر على تخزين ملفات الفيديو الأكبر حجمًا والأعلى دقة، ^{[ 16 ]} مما أدى إلى ظهور معيارين متنافسين: HD DVD و Blu-ray . كان بالإمكان إنتاج الأول باستخدام معدات إنتاج أقراص DVD الموجودة، ولكنه (في البداية) كان يوفر تنسيقات فيديو ذات دقة أقل (وسعة تخزين بيانات أقل)، بينما تطلب الثاني معدات إنتاج جديدة ولكنه كان يدعم دقة 1080p . وبمرور الوقت، انتصر Blu-ray في حرب تنسيقات الأقراص الضوئية عالية الوضوح ، حيث أعلنت شركة توشيبا سحب HD DVD من السوق في 19 فبراير 2008. وقد ثبت أن هذا النصر كان باهظ الثمن، إذ سرعان ما تحول السوق إلى خدمات البث المباشر . لا تزال أقراص بلو راي مفضلة على خدمات البث المباشر لجودتها التقنية، لكن حصتها السوقية ضئيلة اعتبارًا من عام 2023.[ ^{17 ]​}

اعتبارًا من عام 2023يُعدّ Blu-ray آخر تنسيق بصري رئيسي وصل إلى الاستخدام الواسع. وقد حلّت السرعة المتزايدة باستمرار لشبكة الإنترنت عريضة النطاق محلّ العديد من أدواره كوسيلة لتوزيع الوسائط وألعاب الفيديو، كما ساهم الانخفاض السريع في أسعار ذاكرة الفلاش خلال العقد الثاني من الألفية في تغيير دوره في الأرشفة باستخدام تنسيقات القراءة والكتابة. وقد طُرح عدد من التقنيات الجديدة كأساس لمعيار بصري جديد، لكنها لم تشهد استخدامًا واسع النطاق. وتشمل هذه التقنيات ما يلي:

• تم طرح القرص الهولوغرافي متعدد الاستخدامات (HVD) في عام 2003، ولكنه لا يزال غير مستخدم تجارياً
• ليزرات فوق بنفسجية بطول موجي 210 نانومتر والتي من شأنها أن تضاعف الكثافة تقريبًا ^{[ 18 ]}
• تخزين البيانات البصرية ثلاثية الأبعاد ، والتي تحتوي على طبقات متعددة من الوسائط، وبالتالي تخزن أضعاف سعة أقراص بلو راي
• تخزين البيانات البصرية خماسي الأبعاد، والذي يهدف في المقام الأول إلى تخزين البيانات على المدى الطويل لآلاف السنين.
• البصريات في المجال القريب
• بصريات الغمر الصلب (تسمح بفتحة عددية عالية للغاية ).
• أقراص تستخدم أطوال موجية قصيرة جدًا مثل الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية .
• أقراص اختيار الطبقات ( LS-R ).
• تكنولوجيا متعددة المستويات .
• أشكال الحفر المعقدة التي تسمح بتخزين قنوات متعددة على مسار واحد.
• تقنيات تعدد الإرسال بالطول الموجي .

كانت جمعية تكنولوجيا التخزين البصري ( OSTA ) جمعية تجارية دولية تم تشكيلها لتعزيز استخدام تقنيات ومنتجات تخزين البيانات البصرية القابلة للتسجيل.

• حفظ الوسائط البصرية
• تخزين البيانات البصرية خماسية الأبعاد (طريقة تخزين بصرية تستخدم تقنية مشابهة لتلك المستخدمة في Bubblegrams )