Stockage optique - Cours de Physique Chimie Terminale S avec Maxicours - Lycée

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Stockage optique

Objectifs
Voir comment stocker une information numérique : présenter les disques optiques, leur fonctionnement, leurs particularités, et leurs évolutions. Expliquer les limitations technologiques de la capacité de stockage d’un disque optique.
1. Les disques optiques : présentation générale
Pour le stockage de l’information numérique, des disques optiques furent mis au point. Pour les disques optiques commerciaux (déjà gravés), ils sont composés de plusieurs couches :

Une couche de polycarbonate, qui est une matière plastique transparente. Sa face extérieure est lisse. Sa face intérieure comporte des structures microscopiques.
Une couche de métal vient recouvrir la couche intérieure du polycarbonate, en épousant les structures microscopiques.
• Par-dessus, une couche de laque protectrice est appliquée. Elle assure notamment un rôle anti-UV. A ce niveau là, le disque est lisse.
• Enfin, une couche de polymère est appliquée sur la couche de laque. Elle constitue la face du disque sur laquelle des inscriptions sont imprimées : nom de l’artiste pour un CD audio, nom du logiciel, etc.


En visualisant les structures évoquées plus haut à une échelle micrométrique (avec un microscope électronique à balayage), on observe un ensemble d’alvéoles creusées à l’intérieur du disque. Le fond d’une l’alvéole est appelé creux, ou pit en Anglais. Un espace entre deux alvéoles est un plat, ou land en Anglais. Ce sont ces structures qui codent l’information numérique stockée sur le disque.


Les alvéoles sont disposées selon une piste décrivant une spirale. Elle part de l’intérieur du disque, à partir d’un rayon , en progressant vers l’extérieur jusqu’à un rayon . A chaque tour, la spirale se décale d’une distance e, nommée pas de la spirale. Sur la vue microscopique, c’est la distance constante entre deux « rangées » consécutives d’alvéoles.

Sur ce schéma, e n’est pas à l’échelle !

Remarque : La spirale dessinée par la piste est une spirale d’Archimède. Dans les cas qui nous intéressent, sa longueur L est obtenue par la relation approchée . Elle n’est pas au programme et sera donnée dans les exercices.
2. Lecture d'un disque optique
La lecture d’un disque optique est assurée par un faisceau LASER dirigé en direction de la couche transparente de polycarbonate. Le faisceau est focalisé par une lentille en un spot lumineux. Lors de la lecture, le disque est mis en rotation par un moteur. Le spot suit alors la piste en spirale.


La longueur d’onde du LASER dans le vide est égale à . Durant la traversée du polycarbonate d’indice , la célérité et la longueur d’onde de la lumière changent, mais pas sa fréquence : . L’indice optique étant défini comme , on a . La longueur d’onde dans le milieu vaut donc .

Ensuite, le spot LASER parvient jusqu’aux creux et plats se trouvant à la limite entre la couche de polycarbonate et la couche métallique. Sous l’effet de cette dernière, la lumière LASER est alors réfléchie et repart en sens inverse. Elle est dirigée sur un détecteur optique qui évalue son intensité. Par un phénomène d’interférences (voir fiche dédiée), l’intensité lumineuse n’est pas la même si le spot passe sur un plat ou un creux :

Quand le LASER passe sur un plat du disque, la différence de marche est nulle, ce qui induit des interférences constructives.
Quand le LASER passe sur un creux, comme celui-ci à une profondeur par construction, la lumière effectue une distance supplémentaire de (aller-retour), soit une différence de marche . Cela provoque des interférences destructives avec la partie du faisceau réfléchie en dehors du creux (le spot est plus large qu’un creux).


Le capteur émet un signal logique 0 à la traversée d’un plat ou creux, et un 1 à la traversée d’une transition creux/plat ou inversement. Ce signal doit encore être décodé, afin de restituer le signal numérique original. En effet, à causes de contraintes techniques, on ne peut pas stocker sur disque un signal numérique binaire sans un codage spécifique à ce média. Pour les CD, il s’agit du codage EFM, où dans la pratique il faut 14+3 bits sur le disque pour 8 bits (un octet) de données.

Remarque : Ce que nous avons vu correspond aux disques gravés industriellement, contenant ainsi des données au moment où on les achète. Pour ceux qui sont gravés par des graveurs domestiques, le procédé est différent :

Un disque vierge enregistrable (comme un CD-R) comporte une couche de matière organique (cyanine, phtalocyanine, AZO). Quand les données sont gravées, la puissance du LASER est plus forte qu’en lecture : il porte localement le matériau à une température d’environ 250 °C, ce qui le rend opaque, de manière définitive. Quand le LASER lit les données, la zone opaque renvoie moins de lumière, et est donc perçue comme un creux.

Pour un disque réinscriptible (comme un CD-RW), la zone photosensible est composée d’un matériau polycristallin. Selon la puissance du LASER graveur, le matériau peut être rendu localement opaque (), ou au contraire redevenir transparent ().
3. Les différents types de disques optiques
Il existe trois types de disques optiques. Leurs dimensions physiques sont proches (sauf format mini) : diamètre 12 cm, , , mais pas leurs performances.

CD : Compact Disc
Les CD furent mis à disposition du grand public dès le début des années 1980. Leur vocation est de stocker de la musique (CD-audio), ou des données numériques comme des logiciels avec les CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory). Leur capacité de stockage standard est typiquement de 700 Mégaoctet (ou parfois plus), soit environ 668 Mio. La longueur d’onde du LASER utilisé est . L’espacement entre deux rangées de données consécutives est , et un bit sur le disque requiert une distance de .

DVD : Digital Versatile Disc
Les DVD ont été mis sur le marché dès 1995. La finalité d’un DVD est de stocker des vidéos (images + sons) dont des films, ou des données informatiques diverses. Il existe plusieurs types de DVD, car plusieurs normes. Le DVD autorise un stockage de l’information sous plusieurs couches de données, jusqu’à 4. Pour une simple couche, la capacité de stockage standard est de 4,7 Gigaoctet, soit environ 4,38 Gio. La longueur d’onde du LASER est de . D’autre part, et .

BD : Blu-ray Disc
Les BD sont disponibles depuis 2006. Leur objectif premier est de stocker des films haute définition, des films 3D. Un Blu-Ray a une capacité de stockage standard voisine de 25 Go (environ 23 Gio) pour une simple couche. Un BD utilise un LASER de , c'est-à-dire tendant vers le bleu. Aussi, et .
4. Capacité de stockage - diffraction optique
D’après les données du 3, on observe que l’on peut stocker d’avantage d’information sur un disque en réduisant le pas de la spirale e, ainsi que la distance a requise pour stocker un bit sur le disque.

Mais, pour lire correctement les données, il faut que le diamètre du spot LASER, noté d, soit de l’ordre de grandeur des alvéoles, c’est à dire comparable à e. Or, à cause du phénomène de diffraction (voir fiche dédiée), d ne peut pas être nul, même pour un lecteur optique correctement réglé. La valeur minimale de d (en m) s’obtient par la relation :
où l’ouverture numérique NA s’obtient via
avec l’indice optique de l’air, r (en m) est le rayon du faisceau LASER avant la traversée de la lentille de focalisation et f (en m) est la distance focale de celle-ci.

Remarque : en toute rigueur, il faudrait prendre en compte la réfraction lorsque le faisceau passe de l’air au polycarbonate, ce qui affecte la valeur de d. Mais cela sera négligé.


Ainsi, quand on passe d’un CD à un DVD et d’un DVD à un BD, on diminue d en abaissant la valeur de , ce qui explique les valeurs de longueurs d'onde données au 3. On peut aussi diminuer f, ce qui fait que la lentille est très proche du disque dans le cas d’un BD. Pour un CD : , pour un DVD : , pour un BD : .

Pour le futur, pourrait-on imaginer un LASER Ultraviolet pour des disques optiques encore plus performants que les BD ? En fait, on se heurte là à des difficultés économiques et technologiques:
• Les LASER UV sont actuellement non compétitifs par rapport aux LASER visibles.
• Les UV sont plus difficiles à manipuler : absorption par le plastique composant le disque, détérioration du disque par le rayonnement UV.

Des évolutions possibles concernent non pas la longueur d’onde du LASER, mais un stockage en trois dimensions de l’information, à l’aide d’un procédé holographique.
L'essentiel
• Les disques optiques constituent un moyen pour stocker des informations numériques. Celles-ci sont codées sur le disque au moyen d’alvéoles microscopiques disposées sur une piste en forme de spirale.

• Les données sont lues par un spot LASER qui parcourt la piste. Un capteur optique décèle les plats et creux grâce au phénomène d’interférences, les creux ayant une profondeur de . La méthode est différente pour les disques gravés par des graveurs domestiques.

• De nos jours, on rencontre trois types de disques optiques de différentes capacités : les Compact Discs (CD), les DVD et les Blu-Ray Discs (BD).

• Pour maximiser la capacité de stockage d’un disque, on peut graver des alvéoles les plus petites et les plus rapprochées possibles. Mais, pour être lisibles, le diamètre d du spot LASER doit être assez petit par rapport aux alvéoles. Cela demande un LASER de faible longueur d’onde , à cause du phénomène de diffraction imposant un diamètre minimal , où NA est l’ouverture numérique du lecteur LASER.

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