Résumé Depuis le début des années 80, le stockage numérique s’est largement développé et diffusé dans notre vie quotidienne. Du stockage de la musique sur cd à la diffusion de film sur support Blu-ray en passant par l’archivage de données sur dvd,
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 Enseignement spécifique Terminale S Sciences physiques Stockage optique
Contenu1Nécessité du stockage 3 2Principe des disques optiques 5 2.1Description 5 2.2Stockage des données 5 2.3Lecture des données 8 2.3.1Système de lecture 8 2.3.2Caractéristiques du laser 9 2.3.3Lecture des données 12 2.4Capacité de stockage 13 3Approche didactique 18 4Sitographie 20 1Nécessité du stockageLa généralisation de l’informatique dans nos sociétés modernes implique le développement des capacités de stockage des machines ainsi que la pérennité des informations conservées. Il est donc essentiel de mettre en œuvre des moyens matériels garantissant l’archivage à long terme de ces données. Le disque optique est une réponse à ce défi.  2Principe des disques optiques2.1DescriptionDans les domaines de l'informatique, de l'audio et de la vidéo, un disque optique est un disque circulaire plat servant de média amovible qui offre une capacité de stockage importante (plusieurs Go) et une durée de conservation des données importantes (plusieurs années). Un disque optique est habituellement constitué de polycarbonate. Les CD et les DVD sont les disques optiques les plus connus. En informatique, les disques optiques sont utilisés comme mémoires de masse. Le CD-ROM est sous licence Sony et Philips. Le DVD est géré par le DVD Forum (organisation qui définit les spécificités du support optique DVD). Il est donc sans licence. Le DVD+RW est sous licence Philips Sony HP. La norme ISO 9660 définit le système de fichiers utilisé sur les CD-ROM et DVD-ROM. 2.2Stockage des donnéesLes disques compacts ont un diamètre de 12 cm (format standard) pour une épaisseur de 1,20 mm. Ils sont constitués d’une galette de polycarbonate recouverte d’une fine couche d’aluminium, en général protégée par un film de laque.  Figure Les différentes couches d'un CD (Source : http://en.wikipedia.org/wiki/File:CD_layers.svg) Légende : Les couches composant un disque compact sont :
Les informations sont gravées sur un sillon unique, appelé piste. Enroulée en spirale, elle commence au centre du disque.  Figure Structure de l’enregistrement sur CD (Source : Jean-Philippe Muller) La piste, de plusieurs kilomètres de long, comporte pour les CD pressés, un alignement de creux (en anglais : pit) séparés par des plats (lands). Les pits ont une longueur qui varie de 125 nm à 833 nm pour une largeur comprise en 833 nm et 3500 nm. L’espace entre chaque piste est de 1,6 µm.  Figure Vue des alvéoles d’un CD (Source : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cd_MEB.jpg?uselang=fr) Les informations gravées sur la couche métallique sont lues à l’aide d’une diode laser (couleur rouge pour les CD, longueur d’onde 780 nm et diamètre du spot 1,04 µm). La profondeur du creux est égale au quart de la longueur d’onde de la lumière émise par le Laser. La taille du faisceau est telle qu’elle rencontre systématiquement un plat lorsqu’elle est en face d’un creux. Ainsi, lorsqu’un creux se présente dans le faisceau, une partie est réfléchie par le plat, l’autre par le creux, la différence de marche entre ces deux faisceaux est λ/2. L’interférence est destructive et l’intensité lumineuse minimale (mais pas nulle). En l’absence de creux, la réflexion est telle que l’intensité lumineuse soit maximale. L’information « 0 » ou « 1 » est alors obtenue de la façon suivante :
 Figure Structure d’un enregistrement (Source : Jean-Philippe Muller) Ce type de codage correspond au code de Miller qui est un codage simple permettant de transmettre des informations sur une bande passante réduite et avec un débit élevé. Remarques : Dans le cas de disques optiques gravés le système d’interférences n’est pas utilisé, mais le principe de lecture est le même. En effet, il est créé, à la gravure, des tâches brulées opaques (équivalentes aux creux) formées lors du chauffage d’une couche de cyanine par un LASER à plus forte puissance. La présence d’autres parties, non brulées, permet d’établir une différence d’intensité lumineuse. Les parties noircies absorbant toute ou partie du faisceau incident, l’intensité réfléchie est minimale. 2.3Lecture des données2.3.1Système de lectureLa lecture des données sur le disque se fait grâce à un rayon laser émis par une diode. Dans le cas d’un lecteur de CD, celui-ci est rouge (longueur d’onde : 780 nm). Cette diode se déplace grâce à une vis sans fin en parcourant le rayon du disque qui tourne.  Figure Système de lecture (Source : Jean-Philippe Muller) La lumière émise par la diode laser est transformée en une onde plane grâce à une lentille située en sortie. Le faisceau de lumière est alors partiellement réfléchi sur un miroir semi-transparent (50%). Les lentilles de focalisation concentrent alors le faisceau réfléchi par le miroir sur le disque optique qui lui-même la réfléchit. Cette lumière réfléchie repasse alors par les lentilles puis le miroir semi-réfléchissant avant d’être focalisée par une dernière lentille sur la photodiode. La photodiode mesure alors l’amplitude du rayon reçu pour la convertir en un signal électrique exploitable par le système électronique du lecteur. 2.3.2Caractéristiques du laserL’éclairage du disque se fait par un point lumineux dit spot de diamètre d. Ce rayon est émis par une diode laser n’émettant qu’un rayon lumineux monochromatique (ce qui la distingue des diodes électroluminescentes). Lors de la lecture des données sur le disque, la puissance émise est de l’ordre de 50 mW et en gravure de l’ordre de 250 mW.  Figure Principe lecture disques optiques (sources : http://www.lacie.com/fr/technologies/technology.htm?id=10026) 2.3.2.1Ouverture numériqueLe rayon lumineux du laser réfléchi par le miroir est focalisé sur le disque grâce à une lentille convergente de diamètre D située à la distance focale, notée f, du disque.  Figure Focalisation (Source : Jean-Philippe Muller) L’ouverture numérique (en anglais : Numerical Aperture), notée ON, est alors un paramètre du système optique qui est donné par la formule suivante :  2.3.2.2Diamètre du spotLe diamètre du spot est alors :  .On constate que le diamètre du spot est proportionnel à la longueur d’onde émise. Par conséquent plus la taille du spot sera petite, plus la densité d’informations gravées sur le disque sera importante. Cela explique pourquoi les Blu-ray (nommé ainsi car la couleur spectrale de son LASER se rapproche du bleu) ont une capacité de stockage plus importante que celle des CD.
Figure Caractéristiques générales des lasers 2.3.3Lecture des donnéesLa lecture des données sur le disque se fait en éclairant sa surface à l’aide d’un faisceau laser. Les disques ont des coefficients de réflexion de l’ordre de 90 % du rayon incident pour la partie non gravée (plat ) jusqu’à 40-70 % pour la partie gravée (creux).  Figure Principe de lecture des données (Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:CD_drive_lens.jpg) Le principe de lecture consiste à éclairer le disque avec le rayon laser qui est réfléchi vers une photodiode. La photodiode mesure alors l’amplitude du rayon réfléchi par le disque.  Figure Lecture des données (Source : Jean-Philippe Muller) On a alors deux situations :
2.4Capacité de stockageLes évolutions du CD vers le Blu-ray ont permis d’augmenter d’un ordre 100 les capacités de stockage des disques. Le diamètre du spot LASER sur le disque optique est proportionnel à la longueur d’onde, ainsi est-il réduit et, de ce fait, il a été possible de diminuer la taille des alvéoles sur les disques. L’augmentation de la densité surfacique permet ainsi une ouverture numérique plus grande. Toutefois lorsque la taille des alvéoles se rapproche de la longueur du faisceau émis, en plus du phénomène d’interférences mis en œuvre pour la lecture, on est confronté à un phénomène de diffraction. Ceci impose un diamètre minimal du faisceau et limite la capacité de stockage suivant ce principe.  Figure Densité de stockage sur les disques (sources : http://www.lacie.com/fr/technologies/technology.htm?id=10026) En effet, conformément à la théorie de la diffraction, chaque point atteint par une onde se comporte comme une source secondaire. La figure de diffraction observée résulte de l'interférence des ondes émises par l'ensemble des sources secondaires. Chaque bord d’alvéole agit donc comme une source secondaire et leur ensemble constitue un réseau en réflexion.  Figure Diffraction par un CD en lumière blanche (Source : http://www.science-et-vie.net/img/illustrations/D/disque-compact.jpg) Lorsque la distance entre les traits est de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde de la lumière, le réseau permet d'obtenir des figures de diffraction :
On se dirige donc actuellement, soit vers la fabrication de LASER ultraviolets, soit à une gravure dans tout le volume du disque pour augmenter les capacités de stockage, mais les coûts sont encore trop élevés et des solutions techniques doivent être apportées notamment au niveau du support de stockage.
3Approche didactiqueCette partie du thème est tout à fait d’actualité et nécessite une mise à jour permanente du fait des évolutions technologiques des moyens optiques de stockage. Elle se prête de la part des élèves à une étude critique des produits disponibles sur le marché et nécessite des explications sur les termes commerciaux employés au sujet des différents produits. Cette partie permet de travailler la compétence « Extraire et exploiter l’information utile ». Elle permet de mobiliser des connaissances liées à la diffraction et aux interférences. La présentation adoptée : observer, comprendre, agir, n'est pas une démarche didactique en soit. Ce sont des phases de la démarche scientifique (voir introduction du programme) qu'il ne convient pas de séparer systématiquement. Elles sont travaillées simultanément lors d'une activité de résolution de problème.
4Sitographie
Christophe.alleau@ac-poitiers.fr Stockage optique |
par rapport au rayon x(t). Le rayon réfléchi, note r(t), est alors la somme de chacun de ces rayons réfléchi soit r(t)=x(t)+y(t). La différence de chemin optique entre les deux est alors un multiple impair de ½ longueur d’onde. Les deux rayons sont alors en opposition de phase d’où un phénomène d’interférences destructives. On a ainsi 
. Toutefois l’amplitude de r(t) n’est pas nulle car les coefficients de réflexion des creux est des bosses n’étant pas identiques, l’amplitude de y(t) n’est pas la même que celle de x(t). . La donnée logique associée est alors un « 1 ».
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