Soutenance mémoire
L’évolution suivie par la technologie du disque optique , de l’avènement du Compact Disc à l’émergence des formats haute densité HD DVD et Blu-Ray, a été rendue possible en diminuant la dimension du spot focalisé. Celle-ci est directement proportionnelle à λ/ON , λ étant la longueur d’onde d’un faisceau laser et ON l’ouverture numérique de l’objectif de focalisation. En réduisant la longueur d’onde du vert au bleu et en augmentant l’ouverture numérique de l’objectif de focalisation, il a ainsi été possible de multiplier par 35 la capacité de stockage des disques optiques en une vingtaine d’années, tout en gardant la souplesse d’utilisation qui les caractérise. Le taux de transfert des données a lui aussi explosé, permettant de lire et écrire toujours plus rapidement le contenu du média.
La technologie du disque optique emprunte actuellement un tournant stratégique dans le sens où l’évolution suivie jusqu’alors ne peut plus être assurée de manière aussi naturelle. D’abord, la diminution de la longueur d’onde du laser n’est pas pour l’instant envisageable car les diodes laser UV n’en sont qu’au stade de recherche. En outre les matériaux polymères classiquement utilisés pour la réalisation des substrats et couches de protection sont opaques dans cette gamme de longueur d’onde. Ensuite, l’utilisation d’objectifs de focalisation à forte ouverture numérique (ON>0.85) diminue la profondeur de champ du spot focalisé, ce qui diminue les marges de tolérance sur l’asservissement en focalisation, et nécessite l’emploi de couches de protection (cover layer) toujours plus fines (de l’ordre de 100 µm pour le format Blu-Ray) dont la réalisation technologique devient délicate.
Les récentes avancées technologiques en matière de transmission de données haut débit permettent depuis peu la distribution de contenus multimédias par les réseaux de communication hautdébit (Vidéo à la Demande via les réseaux ADSL par exemple). La tendance est donc à la dématérialisation du média. De plus, les mémoires flash (clefs USB) et autres disques durs amovibles sont très prisés pour leur simplicité d’utilisation dans les échanges de données informatiques. Néanmoins, grâce à sa fiabilité reconnue dans le domaine de l’archivage de données et à son faible coût, le disque optique a encore de beaux jours devant lui. En particulier, le format Blu-Ray devrait être le seul média pouvant faire face à court terme à la forte demande de stockage résultant de l’émergence du marché Haute Définition.
Plusieurs axes de recherche sont actuellement explorés pour la quatrième génération de disques optiques. Parmi eux, l’enregistrement volumique par des techniques holographiques et l’enregistrement en première surface utilisant les propriétés de confinement du champ proche optique (ondes évanescentes) semblent les plus prometteurs. D’autres voies sont actuellement proposées pour assurer la transition entre la technologie du disque optique « conventionnelle » et ces futurs formats : la multiplication des niveaux de stockage de données (enregistrement multi-niveaux) et l’enregistrement optique Super-Résolution. Le stockage de données par Super-Résolution regroupe l’ensemble des techniques visant à accroître la capacité de stockage des disques optiques de formats existants, sans qu’aucune modification ne soit apportée à la tête optique utilisée pour la lecture.
L’enregistrement optique par Super-Résolution
Dans un premier temps, nous ferons quelques rappels sur les principes fondamentaux de la technologie du disque optique. Nous nous attacherons à montrer en quoi la théorie de la diffraction limite le pouvoir de résolution du testeur dynamique de disques optiques et, par voie de conséquence, la capacité des disques. Nous présenterons ensuite les mécanismes optiques du phénomène de SuperRésolution, permettant de contourner cette limitation et dresserons un état de l’art de cette technologie prometteuse, de 1990 à nos jours. Enfin, nous définirons les orientations techniques et scientifiques adoptées dans cette thèse.
Généralités sur la technologie du disque optique
La technologie du disque optique repose sur l’association d’un média, le disque optique, et de son système de lecture/écriture communément appelé testeur dynamique. Nous allons présenter dans les grandes lignes le principe de fonctionnement de cette technologie, avant de passer en revue les trois grands types de disque.
Principes fondamentaux
Le testeur dynamique de disque optiques
Le système testeur dynamique . Une diode laser émet un faisceau monochromatique de longueur d’onde λ, mis en forme par une optique de collimation puis polarisé circulairement grâce à une lame quart d’onde, avant d’être focalisé sur une piste du disque optique grâce à un objectif de focalisation d’ouverture numérique ON. Le disque optique en rotation, placé dans la profondeur de champ du spot focalisé, réfléchit une partie du flux lumineux qui subit une inversion de polarisation avant d’être collectée par l’objectif, jouant le rôle de collimateur dans le sens retour. Le cube séparateur de polarisation oriente le flux réfléchi vers un photodétecteur dit « quatre quadrants » qui fournit un signal électrique dont la modulation temporelle traduit directement une modulation de la réflectivité du disque, et donc de l’information à détecter. Ce signal est mis en forme par une électronique de traitement de signal délivrant au final la séquence binaire du contenu numérique (audio, vidéo, données) stocké sur le disque.
Le système est asservi en focalisation grâce à une lentille astigmatique qui produit une dissymétrie du spot au niveau du détecteur quatre quadrants en cas de défocalisation, automatiquement compensée par une translation de l’objectif suivant l’axe optique. Le suivi de piste est quant à lui assuré par la diffraction du spot par les pistes du disque. Le déséquilibre du motif de diffraction au niveau du photo-détecteur, induit par un excentrement du spot par rapport à la direction de la piste, est compensé par un translation horizontale dans le plan perpendiculaire à l’axe optique.
Description d’un disque optique
Un disque optique est constitué d’un substrat en polycarbonate (diamètre 12 cm et épaisseur 1.2 mm pour les disques standard) sur lequel est déposé un empilement de couche minces de matériaux recouvertes par une couche de protection transparente à la longueur d’onde du laser. Les informations sont disposées le long d’une spirale et l’écartement entre deux pistes (le pas de la gravure) est appelé track pitch . La spirale présente une ondulation périodique appelée wobble permettant à tout instant de connaître le positionnement de la tête optique sur le disque.
L’information est stockée le long d’une spirale sous la forme d’une alternance de marques et espaces dont les longueurs sont exprimées en multiples de la période d’horloge T . Le mécanisme optique de lecture du disque, basé sur la détection de transitions entre marques et espaces provenant de la diffraction du spot, n’est pas adapté si les transitions sont trop rapprochées. Pour cette raison, la séquence binaire du contenu numérique n’est pas stockée telle quelle sur le disque mais subit un codage, appelé RLL (Run Length Limited), permettant à la fois de contrôler la distance minimale entre deux transitions et d’apporter une robustesse à la technologie en rendant possible l’utilisation de codes correcteurs d’erreur.
Les différents types de disques
Les disques pré-enregistrés (ROM – Read Only Memory)
Nous avons vu que la lecture d’un disque optique est basée sur une modulation de la réflexion du flux lumineux sur le support. Celle-ci peut correspondre à une phase constante et une réflexion variable ou à une réflexion constante et une phase variable. Les disques optiques pré-enregistrés (ROM – Read Only Memory) fonctionnent selon cette dernière configuration. L’information y est inscrite sous forme de bosses ou creux, appelés pits, formés lors du moulage du substrat en polycarbonate à partir d’un moule en nickel appelé matrice. L’empilement de couches minces se réduit à une simple couche réfléchissante, le plus souvent en aluminium. La simplicité des procédés de fabrication et le faible coût de ces disques en font depuis plus de vingt ans le support privilégié pour la distribution de masse de contenus multimédias, qu’il s’agisse de musiques (CD audio), vidéos (DVD vidéo, HD DVD et Blu-Ray), ou logiciels (CD ROM, DVD ROM).
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Table des matières
Introduction
1 L’enregistrement optique par Super-Résolution
1.1 Introduction
1.2 Généralités sur la technologie du disque optique
1.2.1 Principes fondamentaux
1.2.2 Les différents types de disques
1.3 Théorie optique de la Super-Résolution : au delà de la limite de diffraction
1.3.1 La résolution en microscopie classique
1.3.2 Résolution du testeur dynamique de disques optiques
1.3.3 Mécanismes optiques du phénomène de Super-Résolution
1.4 État de l’art de l’enregistrement optique par Super-Résolution
1.4.1 Les matériaux utilisés pour assurer le rôle de couche active
1.4.2 Les différents types de disques optiques Super-Résolution
1.5 Conclusion et orientations pour la thèse
Références du premier chapitre
2 Mise en évidence expérimentale du phénomène de Super-Résolution
2.1 Introduction
2.2 Conditions expérimentales
2.2.1 Élaboration des disques
2.2.2 Protocole expérimental de lecture des disques
2.3 Résultats du test dynamique : lecture de disques pré-enregistrés
2.3.1 Première approche : mise en évidencedu phénomène sur séquences monotones
2.3.2 Performances des disques ROM : résultats sur séquences multi-fréquentielles
2.4 Conclusion
Références du deuxième chapitre
3 Caractérisation des variations de réflectivité des empilements actifs
3.1 Introduction
3.2 Dispositif expérimental : le testeur statique
3.2.1 Description du banc de mesure
3.2.2 Établissement du protocole expérimental
3.3 Résultats : mesure des variations de réflectivité des empilements
3.3.1 Réponse d’une couche mince d’AlTi
3.3.2 Étape préliminaire : cristallisation des empilements actifs
3.3.3 Variation de réflectivité des empilements contenant les matériaux actifs InSb, GaSb et Ge6Sb72Te22 at%
3.3.4 Reproductibilité des variations de réflectivité réversibles : étude pour l’empilement ZnS-SiO2 / InSb / ZnS-SiO2
3.3.5 Influence de l’introduction du puits thermique AlN dans l’empilement actif
3.3.6 Conclusion sur les mesures de réflectivité des empilements actifs
3.4 Corrélation entre les variations de réflectivité des empilements actifs (test statique) et le phénomène de Super-Résolution sur disques optiques (test dynamique)
3.5 Conclusion
Références du troisième chapitre
4 Modélisation thermo-optique des variations de réflectivité des empilements actifs contenant le matériau InSb
4.1 Introduction
4.2 Origines possibles des variations de propriétés optiques du semiconducteur InSb
4.2.1 Variations de propriétés optiques d’origine photo-induite
4.2.2 Variations de propriétés optiques d’origine thermique
4.2.3 Conclusion
4.3 Modélisation thermo-optique des variations de réflectivité des empilements actifs
4.3.1 Implémentation du modèle par la Méthode des Éléments Finis
4.3.2 Première étape : estimation approximative des températures atteintes dans l’empilement
4.3.3 Deuxième étape : modélisation prenant en compte l’évolution des propriétés optiques et physico-chimiques des matériaux avec la température
4.4 Conclusion
Références du quatrième chapitre
Conclusion générale
