Les différents types de disques optiques Super-Résolution

Description d’un empilement typique pour disques ROM

La figure 1.19 représente une structure typique de disque pré-enregistré pour l’étude du phé- nomène de Super-Résolution, proposée par Kikukawa et. al. (TDK) [1.40]. Un empilement constitué

de trois couches minces est déposé par des techniques de pulvérisation cathodique8sur le substrat

pré-enregistré comprenant des marques de dimension inférieure à la limite de résolution (λ/4ON).

Cet empilement comprend une couche de matériau«actif», dont les propriétés optiques à la lon-

1.4. ÉTAT DE L’ART DE L’ENREGISTREMENT OPTIQUE PAR SUPER-RÉSOLUTION 35

Figure 1.19

Structure typique d’un disque ROM à Super-Résolution. Les marques pré-enregistrées, de di- mension inférieure à la limite de résolution (λ/4ON), sont détec- tées grâce à un empilement com- portant une couche mince de matériau actif encapsulée entre deux couches minces de maté- riau diélectrique. L’information à détecter est comprise dans la to- pologie de la couche de matériau actif et extraite grâce à la géné- ration d’une zone aux proprié- tés oqtiques modifiées, sous le spot focalisé, à haute puissance de lecture.

gueur d’onde de travail varient après absorption d’une partie du rayonnement, encapsulée entre deux couches de matériau diélectrique. Ces couches doivent avoir une épaisseur suffisamment faible pour que la topologie de la couche active reproduise celle du substrat pré-enregistré. La couche active sert à la fois de couche réfléchissante et de couche active. Les paramètres sur lesquels il est possible d’agir pour générer les variations de propriétés optiques sont la puissance de lecture P du faisceau laser, et la vitesse de lecture v.

Performances actuelles des disques ROM

Depuis 2004, les progrès réalisés en mastering avancé ont rendu possible l’étude du phénomène de Super-Résolution sur des substrats pré-enregistrés comprenant des séquences de marques aléa- toires, les plus petites marques étant de longueur inférieure à la limite de résolution [1.41]. Par ailleurs, il a été montré que l’optimisation de la géométrie des marques (utilisation de pits larges) permet de réaliser un gain substantiel sur l’amplitude des signaux [1.42]. Malgré tout, les signaux provenant de disques optiques à Super-Résolution (ROM, R ou RW) ont une amplitude très faible et sont fortement bruités, si bien qu’il est quasiment exclu de les exploiter avec les outils de traitement de signal des formats standard. Seule la technologie PRML (Partial Response Maximum Likelihood), outil de trai- tement de signal adaptatif utilisé pour le format HD DVD, est aujourd’hui en mesure d’exploiter ces signaux. Kim et. al. (Samsung) [1.41,1.43] ont ainsi pu obtenir, en utilisant le matériau actif Ge2Sb2Te5,

un taux d’erreur (bER – bit error rate) de 6.10−5lors de la lecture de disques comprenant des marques 2T de 75 nm avec une tête optique Blu-Ray (limite de résolution : 120 nm), ce qui équivaut à un gain en capacité de 2.1 par rapport au format Blu-Ray (49 GB contre 23 GB).

36 CHAPITRE 1. L’ENREGISTREMENT OPTIQUE PAR SUPER-RÉSOLUTION

Figure 1.20

Super-RENS : structure de Super-Résolution en champ proche. Une ouverture manomé- trique, générée dans la couche de masquage sous flux laser intense, produit des ondes éva- nescentes (champ proche) qui interagissent avec les marques et joue le rôle de sonde en assurant la prorogation du contenu en champ lointain.

La densification de données dans la direction radiale est la prochaine étape envisagée pour ac- croître davantage la densité d’information sur ces disques. Cette problématique n’a toutefois été que très peu explorée en raison des difficultés majeures associées au resserrement des pistes, à savoir des difficultés de suivi de piste et une augmentation du crosstalk (phénomène d’interférence entre pistes adjacentes). La seule solution envisageable pour densifier l’information dans la direction ra- diale, sans modifier sur la tête optique, est une réorganisation des données sur le disque. Kurihara et. al. (CAN-FOR AIST) ont ainsi proposé en 2006 [1.44] de regrouper les pistes par paquets, mais les résultats obtenus ne sont guère prometteurs (faible signal, fort crosstalk).

1.4.2.2 Les disques enregistrables une fois et ré-enregistrables : la technologie Super-RENS La technologie Super-RENS a été proposée pour accroître la capacité de disques enregistrables une fois et ré-enregistrables. Ces disques doivent en premier lieu subir une phase d’écriture consis- tant à inscrire des marques dans une couche enregistrable, grâce à un laser pulsé, puis le contenu enregistré est lu grâce à un faisceau laser continu. La réalisation de disques Super-RENS présente donc un double challenge : écrire des marques plus petites que la limite de résolution de la tête op- tique dans un premier temps, puis lire ces marques grâce à un phénomène de Super-Résolution. Nous présentons ici les particularités de cette technologie qui se décline en deux versions.

Disques optiques ré-enregistrables

La figure 1.20 représente la structure typique d’un disque optique Super-RENS ré-enregistrable, telle qu’elle a été proposée par J.Tominaga et. al. en 1998 [1.25, 1.22]. Ce disque comprend un en- semble de cinq couches minces de matériaux déposées sur un substrat en polycarbonate :

– une couche ré-enregistrable, constituée d’un matériau à changement de phase, dans laquelle l’information est stockée le long d’une piste sous forme de points amorphes dans une matrice

1.4. ÉTAT DE L’ART DE L’ENREGISTREMENT OPTIQUE PAR SUPER-RÉSOLUTION 37

cristalline,

– une couche réfléchissante jouant un rôle optique et thermique (puits thermique indispensable pour le processus d’amorphisation de la couche ré-enregitrable),

– un empilement tri-couche, constitué d’un matériau actif (couche de masquage) encapsulée entre deux couches de matériau diélectrique, permettant de réaliser l’effet de Super-Résolution. L’écriture de marques est réalisé en échauffant localement le matériau enregistrable au delà de sa température de fusion. La couche réfléchissante, ayant une forte conductivité thermique, permet de réaliser la trempe rapide nécessaire pour former les points amorphes.

Tominaga et. al. ont montré [1.25, 1.45] que l’écriture des petites marques, fondée sur des ef- fets thermiques, n’est pas un problème majeur. Le véritable challenge consiste donc à lire ces pe- tites marques en modifiant les propriétés optiques de la couche active, sans pour autant effacer les marques amorphes du matériau à changement de phase. La lecture est réalisée en générant dans la couche active une ouverture nanométrique transparente à la longueur d’onde d’étude. Cette ouver- ture nanométrique, dont les dimensions peuvent être ajustée en choisissant une puissance et une vitesse de lectures adéquates, se comporte alors comme une sonde qui génère des ondes évanes- centes (champ proche optique). Ce rayonnement en champ proche est en mesure de se coupler avec les marques inscrites. Vigoureux et. al. [1.46] ont montré en 1992 qu’une telle ouverture peut collecter ce rayonnement en champ proche et le propager sous forme d’ondes propagatives (champ lointain). Plusieurs matériaux ont été utilisés pour assurer le rôle de couche de masquage dans ces disques. Tominaga et. al. proposèrent dans un premier temps d’utiliser le matériau antimoine [1.25, 1.22, 1.47] qui devient transparent lorsqu’il est chauffé au delà de sa température de fusion. Le signal obtenu avec ce matériau étant très faible (CNR < 15 dB), Tominaga et. al. proposèrent d’utiliser les oxydes d’argent comme couche de masquage, le mécanisme dede variation des propriétés optiques reposant sur la décomposition locale de ces oxydes en nanoparticles d’argent de taille aléatoire. L’origine du signal, de plus forte amplitude qu’avec l’antimoine (25 dB), était alors attribué à une amplification par résonance de plasmonique, les plasmons de surface étant générés à la surface des nanoparticules d’argent [1.45, 1.48, 1.49, 1.50, 1.51].

Disques optiques enregistrables une fois

Kim et. al. (Samsung) ont proposé en 2003 une variante de la technologie Super-RENS initiale [1.52, 1.53] pour réaliser des disques enregistrables une fois. Cette structure, représentée sur la fi- gure 1.21, comporte une couche enregistrable d’oxyde de platine, et deux couches minces de maté-

38 CHAPITRE 1. L’ENREGISTREMENT OPTIQUE PAR SUPER-RÉSOLUTION

Figure 1.21

Représentation schématique d’un disque Super-RENS enre- gistrable une fois, proposée par Kim et. al. [1.52]. L’écriture de marques est réalisée par explo- sion de bulles dans la couche d’oxyde de platine, qui provoque une structuration des couches de matériaux à changement de phase (AgInSbTe – AIST). Les variations des propriétés optiques de ces couches, à haute puissance de lecture, permet la détection des petites marques.

riaux à changement de phase. Le mécanisme d’écriture de marques de dimension inférieure à la li- mite de résolution repose sur la génération de bulles formées par décomposition locale de la couche d’oxyde de platine [1.54]. En ce qui concerne la lecture de ces disques, l’obtention d’un signal de Super-Résolution a été dans un premier temps attribuée à une excitation plasmonique de nanopar- ticules de platine, sur un modèle semblable à celui proposé pour les disques contenant une couche d’oxyde d’argent [1.55]. Il a depuis été montré que la lecture des petites marques repose sur les varia- tions de propriétés optiques des matériaux à changement de phase [1.56]. Une structure optimisée, proposée par Kim et. al. [1.56], utilisant deux fines couches de platine, a permis la lecture par une tête optique Blu-Ray (limite de résolution : 120nm) de marques de 37.5 nm avec un CNR de 33 dB, soit l’équivalent d’un disque de 100 GB (gain en capacité X4).