Phénoméne de focalisation optique 

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Enregistrement sur disque multiniveaux

L’un des aspects importants des futurs développements du disque optique consiste à stocker les données sur plusieurs couches superposées. L’exploitation du volume est tr`es prometteuse en gain de capacité, et cela a motivé la recherche à atteindre des résultats notables : 6 couches sur un disque enregistrable et 8 couches pour la version ROM (Read-Only-Memory). Un disque Blu-ray à 6 niveaux atteint la capacité totale de 200 Go. Les modélisations et théories de l’information laissent entendre qu’un nombre plus important de couches d’information peut ˆetre lu dans un disque multiniveaux. Une étude récente [122], basée sur une théorie scalaire de la diffraction et prenant en compte les performances les plus récentes en terme de couches minces (actives et d’encapsulation), prédit qu’il est théoriquement possible d’atteindre une trentaine de multini-veaux dans un disque optique. Cependant, cette approche est peu prédisposée à un assemblage et fabrication rentables en industrie.

Holographie

La technique[43] consiste à faire interférer deux ondes, l’une contenant l’information située sur le bras de référence, et l’autre contenant les données. L’interférence produit une modulation d’intensité, qui transcrit directement les données qu’on veut inscrire, dans un matériau apte à convertir la modulation d’intensit´ en modulation d’indice par exemple. Les données se présentent alors sous forme de réseaux d’indice optique occupant un certain volume dans le matériau massif. Le faisceau porteur de données est codé en phase grˆace à un modulateur spatial (SLM, spatial light modulator), et l’onde réfléchie sur le matériau est re¸cue sur une matrice CCD : tout ceci implique un lecteur de disques holographiques relativement encombrant et coˆuteux. Le disque holographique stocke jusqu’`a 300 Go10 et transfert ses données à un débit de 20Mops (20 megaoc-tets par seconde, soit 8×20 Mbps), pour ce qui est de la premi`ere génération. Il devrait atteindre le Gbps en taux de transfert d’apr`es les prédictions de la start-up InPhase Technology, dont les développements dont elle fait état aujourd’hui sont dérivés de travaux réalisés dans les Bell Labs d’AT&T. La formulation du matériau de stockage lui-mˆeme est longtemps restée un probl`eme délicat, surtout quand le matériau est appliqué en couche de 1.5 mm et tr`es peu rugueuse sur un disque de 12 cm de diam`etre. Le matériau en question, baptisé Tapestry, poss`ede cinq formula-tions différentes pour trois types de longueurs d’onde et a déj`a et´ acquis par plusieurs géants de l’électronique, de Philips à Toshiba en passant par Hitachi[32, 44].
Une deuxi`eme approche, entreprise par Optware, utilise un multiplexage colinéaire[43]. Le SLM utilisé incorpore un arrangement concentrique du faisceau signal colinéaire avec le faisceau de référence qui est constitué par la couronne périphérique.
L’holographie offre des capacités de stockage tr`es pertinentes, et des débits cohérents, mais l’absence de média ré-enregistrable et le coˆut elev´ de la fabrication du disque pré-enregistr´ et du lecteur associé sont de sérieuses limitations.

Absorption bi-photonique

L’absorption bi-photonique[60] est un phénom`ene non-linéaire du troisi`eme ordre au cours duquel deux photons de mˆeme fréquence sont simultanément absorbés par un matériau non-linéaire. Les intensités nécessaires à un tel processus sont importantes, on peut ainsi trouver des configurations o`u deux faisceaux orthogonaux sont utlisés pour cumuler les intensités et mieux contrˆoler la profondeur de champ. Des lasers impulsionnels peuvent notamment ˆetre uti-lisés comme sources puisqu’ils lib`erent des puissances crˆete importantes. Cette technique permet d’inscrire des données dans des épaisseurs de l’ordre de 150 µm avec des densités un ordre de grandeur supérieur aux densités surfaciques. La technique est amenée à évoluer, et les densités prévues sont vraiement intéressantes, mais l’aspect syst`eme est lourd en positionnement : les dé-bits de lecture et d’écriture sont tr`es lents (4 jours pour écrire un DVD) et les puissances exigées constituent un obstacle difficile à contourner. Le support matériel qui doit contenir les données est souvent constitué de photopolym`eres, de matériaux à changement de phase, ou de matériaux photoréfréactifs (comme ceux utilisés en holographie) tel que le niobate de lithium.
Le phénom`ene optique à la base de l’enregistrement bi-photonique ouvre des perspectives, mais contraint le syst`eme de positionnement à un degr´ de complexit´ supplémentaire. Il sera retenu cependant que la non-linéarit´ optique permet à la densit´ d’enregistrement de franchir un pas de plus.

Techniques surfaciques

Comme on a pu l’observer dans la section précédente, les techniques 3D ont pour contrainte principale de trouver le matériau ayant les propriétés adéquates et qui soit compatible avec les contraintes de fabrication industrielle. Dans l’enregistrement en surface, les empilements de couches minces offrent plus de flexibilit´ et les techniques de réalisation ont acquis une certaine maturité. Ce qui permet, dans une certaine mesure, une innovation plus confortable pour l’enre-gistrement planaire. De nouvelles techniques, faisant appel à des mécanismes encore inexploités par les premi`eres générations de disques optiques, émergent.

Enregistrement multiplex´

A la conférence Optical Data Storage 2006 (ODS’06) le professeur de l’Imperial College, P. Tor¨ok¨ a présent´ les résultats obtenus dans le cadre d’un projet SLAM en collaboration avec Philips concernant l’enregistrement optique multiplex´ (Multiplexed Optical Data Storage, MODS). Plusieurs résultats intéressants sont issus de ce travail. Le multiplexage par polarisation, qui reste un param`etre peu exploit´ dans le disque optique11, consiste à provoquer une dissymé-trie des les marques en forme de traits allongés ou bˆatonnets et à les orienter différemment avec un certain angle par rapport au sens de la piste. Le signal renvoy´ vers le détecteur dépend de cette orientation angulaire. En effet selon la polarisation incidente, la disposition du bˆatonnet va influer sur le type de conditions aux limites locales, elles-mˆemes donneront lieu à des coeffi-cients de réflexion différents. Le niveau de réflectivit´ s’en trouve immédiatement affecté, et le défi de cette technologie consiste à distinguer le plus de niveaux d’intensit´ du détecteur lorsque l’orientation des marques change. Ce nombre de niveaux est directement lié à la performance du multiplexage, il comporte un aspect ingrat dˆu à une dépendance logarithmique : il faut coder 16 niveaux (24) sur les orientations du mˆeme bˆatonnet pour disposer de 4 bits sur la mˆeme marque (appelée pit aussi, Physical Information digiT). Un degr´ de multiplexage de 80 à 100 niveaux a et´ réalis´ pour des orientations entre 0˚et 45˚, soit 300 à 400 au total. Ce qui correspond à une densit´ de stockage multipliée par 8.6 permettrait au disque Blu-ray de stocker plus de 200 Go.
Des améliorations intéressantes ont suivi ce travail sur les MODS, notamment la segmentation du détecteur et l’exploitation d’un signal sensible à la polarisation. Par contre, une continuation logique de cette technique est peu prometteuse : il faut multiplier la taux de multiplexage par 8 pour doubler la capacité de stockage.
Dans cette mˆeme thématique qui consiste à faire porter le plus d’information par la mˆeme marque, J.J.M Braat, de l’universit´ de technologie de Delft et en collaboration avec les labora-toires de recherche de Philips, met en évidence une configuration de pit particuli`ere[140, 141]. Le but est d’essayer, dans le mˆeme espace géométrique qu’occupe une marque classique, de fabriquer un pit qui contient une information sur la topologie. Notamment, il s’agit d’une variation de hau-teur de 4 sous-marques lorsqu’on parcours les sous pits dans le sens azimuthal. Quand un faisceau percute une telle structure en marche d’escalier la lumi`ere acquiert un moment orbital angulaire qui poss`ede une certaine amplitude. Cette amplitude du moment est liée à l’excursion totale du chemin optique entre la sous-marque de plus faible hauteur et la plus haute. La propriét´ fondamentale du champ à moment orbital non nul, à l’origine du mécanisme de multiplexage, est qu’il se conserve en champ lointain, mˆeme si l’information est codée par des marques à la limite de résolution.
Il sera retenu qu’il existe des propriétés relatives aux ondes electromagnétiques, tel qu’un gradient azimuthal de la phase, pouvant ˆetre acquises par le faisceau en interaction avec des objets de dimensions sub-λ et conservant cependant une signature en champ lointain.

TwoDos

Le projet TwoDos (Two Dimensional Optical Data Storage, stockage optique bi-dimensionnel) a et´ initié par une collaboration Philips/Imperial College pour réaliser une lecture de disques optiques par faisceaux multiples. Les N faisceaux parall`eles sont générés par un composant dif-fractant (un réseau), et le défi consiste à réellement lire des données en parall`ele et multiplier le débit par N. Chaque rayon réfléchi est alors corrél´ avec les faisceaux qui lisent les pistes voisines, et un traitement tout particulier doit ˆetre fait sur la distinction entre signal provenant de la piste centrale et des pistes adjacentes (cross-talk)[26, 53, 25]. Par ailleurs les pistes ne sont pas séparées, elles sont disposées en lignes sur un pavage hexagonal, ce qui permet de conden-ser les marques, tout en minimisant le cross-talk : un optimum a et´ trouvé sur la taille de la maille hexagonale. Ainsi cette technique de parallélisme permet d’optimiser à la fois le débit et la capacité du disque optique.

Super-RENS

L’enregistrement surfacique de disques optiques Super-RENS [61, 66, 100, 121] (Super-REsolution Near-field Structure) est basé sur un mécanisme qui fait appel à une structure particuli`ere de l’empilement du disque, il est souvent appel´ par abus, enregistrement à super-résolution. Il consiste à utiliser les mˆemes tˆetes optiques que pour les CD/DVD/BD mais une structure d’em-pilement de couches spécifiques, ayant des propriétés qui permettent de détecter des marques plus petites que la limite de résolution. Le facteur de gain en densit´ ne permettant pas un saut de génération, cette technologie est amenée à occuper le marché intermédiaire de la gén´-ration “31/2”. Le développement de disques Super-RENS, l’un des projets actifs au laboratoire de Stockage Optique (LSO)[67], va inspirer certains aspects pratiques et conceptuels du travail de th`ese. L’aspect produit fini et testable des disques super-RENS a servi de laboratoire d’idées tr`es fécondes. La complexit´ du mécanisme et son lien direct avec le champ proche ont servi à la compréhension de beaucoup de phénom`enes faisant appel à l’optique electromagnétique et aux matériaux non-linéaires.

L’immersion solide

Le syst`eme à immersion solide, directement inspiré du microscope à immersion[81], se propose de concentrer le faisceau sur la face plane d’une lentille demi-boule, au lieu de le focaliser direc-tement sur le disque [125, 126, 123, 124, 52]. L’immersion du spot dans un milieu de fort indice implique l’amplification de l’ouverture numérique du syst`eme entier. Dans ce sens, cette techno-logie s’inscrit dans l’évolution naturelle de l’enregistrement de disques optiques : on maintient la longueur d’onde courte à 405 nm et on amplifie l’ouverture numérique (ON) au-del`a de l’unité, ce qui permet de dépasser la limite naturelle des objectifs de microscope dans l’air. L’immer-sion permet d’atteindre des grandes ouvertures numériques en étant limité par l’indice du milieu d’immersion.
La partie des rayons lumineux dont l’angle d’inclinaison dépasse l’angle critique (chapitre 1, p. 45–54 de [19]) gén`ere des ondes évanescentes à l’interface avec l’air. C’est pourquoi la technique est souvent dite champ proche (near-field). Développée majoritairement par les industriels Sony et Philips, cette technique est privilégiée pour la 4`eme génération de disques optiques.
Deux configurations ont emergé, utilisant chacune une lentille à dioptre sphérique dans une conjugaison différente. La configuration utilisant une lentille super-hémisphérique (ou super-sphérique) est basée sur la conjugaison de Young-Weierstrass, qui refocalise le faisceau incident avec une ouverture numérique plus importante, n2 fois plus importante exactement. C’est cette configuration qui permet, lorsque l’indice utilisé est grand, d’obtenir les ouvertures numériques les plus importantes. Le disque optique pouvant ˆetre lu ou enregistr´ à l’aide d’une telle tˆete optique, contient la couche de donnée en 1re surface. Cette ON atteint une valeur de 1.9, permettant au disque de contenir 150 Go de données sur une seule couche. Le spot étant formé à l’interstice entre la surface inférieure de la lentille (voir figure 1.2) et la face supérieure du disque optique, il est difficile d’envisager a priori un multicouche pour l’enregistrement. A moins que l’on consid`ere une couche protectrice comme partie de la lentille à immersion : on diminue l’épaisseur théorique d’une lentille hémisphérique qu’on compense par une couche protectrice de mˆeme indice. On peut ainsi focaliser sous la cover-layer. C’est ce qu’accomplit la deuxi`eme configuration de la technologie champ proche, illustrée en figure 1.3.
Le syst`eme de focalisation est apte à former un foyer sous la couche de protection (épaisse de 3µm) et à travers la mince couche d’air, d’environ 30nm. Le maintien d’une distance fine entre la lentille et le disque est primordial (voire paragraphe 2.2.3 page 35). Des méthodes tr`es précises ont et´ développées pour permettre le maintien d’une telle distance lorsque la tˆete de lecture survole le disque à haute vitesse (`a plus de 3000 tours par minute), notamment le GES (Gap Error Signal) qui permet de détecter un tel signal relatif à la réflectivit´ d’une polarisation spécifique à travers le gap d’air. On peut trouver d’autres méthodes basées sur des principes différents, comme la mesure de la capacité électrique (en nano Farad) entre le support de la tˆete optique et le disque, à travers la mince couche d’air. Cette méthode permettrait de remonter précisément à l’épaisseur. Une difficulté majeure, associée aussi au probl`eme des poussi`eres accumulées par la tˆete optique pendant la lecture semblent ˆetre en voie de résolution[159]. L’aspect amovible du disque optique est considér´ comme un avantage distinctif tr`es important par comparaison aux autres supports de stockage.

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