Protocole expérimental de lecture des disques

2.2.2.1 Test dynamique des disques à Super-Résolution

Introduction

Les disques optiques classiques sont lus grâce à un faisceau laser continu de faible puissance. La modulation (en amplitude ou phase, en fonction du type de disque) du flux lumineux réfléchi par le disque est transcrite en signal électrique par le photo-détecteur. La qualité des disques optiques est évaluée en analysant ce signal qui délivre une multitude d’informations tant sur sur le signal informa- tif (HF – Hautes Fréquences) que sur les signaux d’asservissements (BF – Basses Fréquences). L’ap- proche classique du développement d’un disque optique consiste dans un premier temps à analyser le signal HF provenant de la lecture de séquences monotones pour diverses longueur de marques, de la plus courte (2T pour le format Blu-Ray, 3T pour le format DVD) à la plus longue (9T pour le format Blu-Ray, 14T pour le format DVD). Cette étude permet d’optimiser le signal (minimisation de l’asy- métrie, maximisation de l’amplitude) par le biais d’ajustements sur la géométrie des marques. Cette première étape franchie, les marques de différentes longueurs sont ensuite associées pour former des séquences aléatoires conformes adoptées pour le codage de l’information. L’analyse des signaux est alors plus complexe car elle demande l’utilisation d’une électronique de traitement de signal spéci- fique permettant de traiter des signaux multi-fréquentiels.

Dans le cas de disques conventionnels, les marques sont toutes plus longues que la limite de ré- solution de la tête optique et peuvent à ce titre être lues à basse puissance de lecture, c’est-à-dire sans qu’une modification locale des propriétés optiques ne soit nécessaire. En revanche, dans le cas de

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Tableau 2.2

Propriétés physico-chimiques des matériaux constituant le disque de référence, à température ambiante. La conductivité thermique de ZnS80-SiO2 20 mol%et InSb cristallin ont été mesurés par l’institut RWTH (Aix La

Chapelle) en couches minces de 100 nm. Les autres paramètres sont issus de la littérature.

Propriétés physico-chimiques Densitéρ (kg/m3) Chaleur spécifique C (J/kg/◦C)) Conductivité thermiqueκ (W/m/◦C) InSb Massif 5760 [2.21] 210 [2.22] 18 [2.19]

Couche mince cristallisée 4.45a

(ZnS)80-(SiO2)20 mol%(couche mince) 3775b 560c 1d/ 0.66 [2.25]

Polycarbonate [2.18] 1000 1300 0.23

a. Mesurée par l’institut RWTH.

b. La densité de ZnS est 4000 kg/m3) [2.23], celle de SiO2est 2320 kg/m3[2.24]. La densité du mélange«mécanique», égale à la somme des densités pondérées par leur fraction massique respective (86.64% pour ZnS, 13.35% pour SiO2), est

de 3775 kg/m3.

c. La chaleur spécifique du mélange mécanisuqe est égale à la somme des chaleurs spécifiques de ZnS et SiO2(465

J/kg/◦C et 748 J/kg/◦C, repectivement [2.22]) pondérées par leur fraction massique respective (86.64% pour ZnS, 13.35% pour SiO2)

d. Mesurée par l’institut RWTH.

disques à Super-Résolution, seules les plus petites marques requièrent la génération d’une zone aux propriétés optiques modifiées pour être détectées, les autres pouvant être lues même à basse puis- sance de lecture. Le processus de lecture de séquences aléatoires associant ces deux types de marques peut ainsi s’avérer plus complexe car impliquant deux processus de lectures complémentaires.

Durant cette thèse, nos travaux se sont principalement concentrés sur l’étude du processus de lecture de séquence monotones. Les signaux mono-fréquentiels obtenus peuvent être analysés sim- plement en observant le rapport signal sur bruit. L’étude de ces séquences s’avère ainsi idéale pour ex- traire un maximum d’informations sur la nature physique et/ou physico-chimique des phénomènes à l’origine des variations de propriétés optiques de la couche active, comparer les matériaux et tester de nouveaux empilements. Nous avons également pu obtenir en milieu de thèse une matrice per- mettant d’étudier le phénomène de Super-Résolution sur disques au format Blu-Ray comportant des séquences multi-fréquentielles, que nous présenterons ultérieurement.

Protocole de test

Le protocole de test dynamique d’un disque pré-enregistré conventionnel comporte les étapes suivantes :

– mise en rotation du disque de manière à ce que la tête optique balaye une piste à une vitesse constante v,3

2.2. CONDITIONS EXPÉRIMENTALES 65

– focalisation du spot laser sur l’empilement de couches minces, – enclenchement du suivi de piste,

– analyse du signal HF.

Le protocole de test mis au point pour les disques à Super-Résolution reprend ces fondamentaux, si ce n’est que le faisceau laser est porté à haute puissance de manière à générer une modification lo- cale des propriétés optiques de l’empilement actif, requise pour obtenir l’effet de Super-Résolution. Cette spécificité implique toutefois une complexification des réglages car elle nécessite un ajuste- ment permanent des gains du testeur. Les substrats testés conservant le track pitch de le norme, un suivi de piste acceptable a pu être obtenu pour la majorité des disques testés.

Par ailleurs, une particularité de nos empilements réside dans le fait qu’ils ne possèdent pas de couche réfléchissante, généralement constituée par des composés métalliques présentant des pro- priétés de puits thermique. L’utilisation de puissances laser élevées, requises pour induire une va- riation des propriétés optiques de la couche active, induit pour la totalité des matériaux actifs tes- tés une élévation de leur température aboutissant systématiquement à la cristallisation du matériau lorsque la puissance de lecture augmente. L’absence de puits thermique rend théoriquement impos- sible toute ré-amorphisation de cette couche, si bien que le matériau reste cristallin même après pas- sage éventuel à sa température de fusion. Lors du test dynamique des disques, nous observons une phase transitoire lors de la lecture sur les premiers tours, traduisant ce processus de cristallisation.

Les résultats expérimentaux présentés par la suite ont été obtenus à partir de trois testeurs dyna- miques :

– un testeur TMM (Thomson Multimédia) pour le format DVD, – un testeur TMM pour le format Blu-Ray,

– un testeur Toptica au format Blu-Ray.

Les résultats au format Blu-Ray présentés sont ceux qui ont été obtenus sur le testeur Toptica utilisé comme testeur principal au laboratoire depuis le milieu de thèse.

La plage d’excursion en puissance de la diode laser de lecture s’étend entre 0.7 mW et 6 mW pour le testeur DVD, et entre 0.4 mW et 2.5 mW pour les testeurs Blu-Ray.

Notons qu’une attention particulière a été apportée à la qualité des asservissements en suivi de piste sans lesquels il est impossible de tester les disques ROM. Deux méthodes sont traditionnelle- ment utilisées pour assurer le suivi de piste :

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– la méthode dite Push-Pull qui est fondée sur une analyse différentielle des déséquilibres d’am- plitude entre les lobes de diffraction d’ordre ±1,

– la méthode dite DPD (Differential Phase Tracking), fondée sur une analyse différentielles des déséquilibres de phase entre les lobes de diffraction d’ordre ±1,

Cette dernière méthode apporte plus de robustesse aux asservissements en suivi de piste. Nous n’avons toutefois pas pu l’utiliser, les testeurs dynamiques du laboratoire ne disposant pas d’un module DPD pouvant fonctionner à haute puissance de lecture. Ceci n’a pas représenté un handicap majeur pour notre étude, les substrats que nous utilisons ayant un track pitch identiques à celui des normes DVD (track picth = 740 nm) et Blu-Ray (track picth = 320 nm). Dans cette configuration, la méthode Push Pull offre des performances acceptables.

2.2.2.2 Rapport signal sur bruit dans les disques optiques Origine du bruit dans les disques optiques

Dans notre étude, la notion de bruit sous entend toute composante du signal qui ne contient pas d’information sur la séquence de marques lues. L’analyse spectrale du signal provenant de la lecture

d’un disque optique montre que la densité spectrale de bruit évolue en«en 1/f»(figure 2.12(b)).

Le bruit observé lors de la lecture d’un disque optique provient de plusieurs sources [2.26, 2.27, 2.28, 2.29] :

– rugosité du substrat et de l’empilement de couches minces,

– changements locaux de réflectivité liés à l’orientation des cristallites, dans le cas des disques à changement de phase,

– bruits électroniques du photo-détecteur et de l’électronique de traitement de signaux, – bruit de la source laser.

Evaluation de la qualité du signal : mesure du CNR

Pour notre étude nous avons été amenés à observer l’évolution du rapport signal sur bruit avec la puissance de lecture, pour différentes vitesses de lecture. Le signal obtenu lors de la lecture à une

vitesse v d’une séquence monotone de marques de longueur L est modulé à la fréquence fp= v/2L.

Ce signal peut être observé directement à l’oscilloscope (figure 2.12(a)), mais une analyse spectrale (figure 2.12(b)) permet de le quantifier plus précisément. L’analyseur de spectre est un appareil de mesure qui balaie un filtre passe-bande étroit sur un large spectre et détermine la puissance du signal pour chaque fréquence. Cette mesure permet de qualifier les performances des disques optiques par