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ENSEIGNEMENT SPECIFIQUE TERMINALE S SCIENCES PHYSIQUES Christophe.alleau@ac-poi

ENSEIGNEMENT SPECIFIQUE TERMINALE S SCIENCES PHYSIQUES Christophe.alleau@ac-poitiers.fr Stockage optique 1 Stockage optique Thème Transmettre et stocker de l’information Compétence travaillée ou éva- luée Expliquer le principe de la lecture par approche interféren- tielle ; Relier la capacité de stockage et son évolution au phéno- mène de diffraction. 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, ce mode d’archivage s’est généralisé. Il apparait donc nécessaire de décrire les principes mis en œuvre au sein de ces appareils afin de mieux appréhender leur choix. Mots clefs Disques optiques, stockage, données numériques. Académie Poitiers Référence B.O. spécial n°8 du 13 octobre 2011 page 14 http://media.education.gouv.fr/file/special_8_men/99/0/ph ysique_chimie_S_195990.pdf Auteur Christophe.alleau@ac-poitiers.fr ENSEIGNEMENT SPECIFIQUE TERMINALE S SCIENCES PHYSIQUES Christophe.alleau@ac-poitiers.fr Stockage optique 2 Contenu 1 Nécessité du stockage ......................................................................................................... 3 2 Principe des disques optiques ............................................................................................. 4 2.1 Description ................................................................................................................... 4 2.2 Stockage des données .................................................................................................. 4 2.3 Lecture des données ..................................................................................................... 7 2.3.1 Système de lecture ................................................................................................ 7 2.3.2 Caractéristiques du laser ....................................................................................... 8 2.3.3 Lecture des données ........................................................................................... 10 2.4 Capacité de stockage.................................................................................................. 12 3 Approche didactique......................................................................................................... 15 4 Sitographie ....................................................................................................................... 16 ENSEIGNEMENT SPECIFIQUE TERMINALE S SCIENCES PHYSIQUES Christophe.alleau@ac-poitiers.fr Stockage optique 3 1 Nécessité du stockage La 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. Date Evènement 1956 Invention du premier disque dur par IBM sans possibilité de transport de l’information. 1958 Invention du laser par H. Townes et A.L. Schawlow ; Invention du circuit intégré par J.Sl Kilby ; Invention des cartes perforées permettant de véhiculer des informations. 1976 Présentation du prototype du disque audio par Sony, Mitsubishi et Hitachi ; Présentation de nouveaux supports magnétiques amovibles : les disquettes. Possibilité d’effacer et de réécrire les données mais pas de stockage à long terme. 1982 Commercialisation du disque optique compact audionumérique dit CD-DA. Grande capacité de stockage (environ 500 disquettes sur un disque), longévité importante des données ; Standardisation des normes utilisées par les différents fabricants (norme définie dans le Livre rouge développée par Philips et Sony). 1983 Conception du CD-ROM offrant des possibilités de stockage (norme définie dans le Livre jaune). 1985 Conception CD-ROM XA pour un usage multimédia permettant le stockage à la fois des données, de l’image et du son. 1986 Conception du CD-I (Compact disc interactive, disque compact interactif) pour lire des applications multimédia interactive à partir d’ordinateur ou de console de salon. ENSEIGNEMENT SPECIFIQUE TERMINALE S SCIENCES PHYSIQUES Christophe.alleau@ac-poitiers.fr Stockage optique 4 1988 Conception du CD-R (Compact Disc Recordable, disque compact enregistrable) pou- vant être enregistré grâce à un graveur CD. Il peut prendre tous les types de formats cités précédemment. Les normes sont décrites dans le Livre Orange. Conception aussi du CD-MO (magnéto-optique). Les normes sont décrites dans le Livre Orange Part. Sa caractéristique principale est d'être réinscriptible. 1995 Le DVD est conçu. 1997 Le CD-RW (Compact Disc Recordable Rewritable, disque compact enregistrable réinscriptible), est mis sur le marché. Les normes sont décrites dans le Livre Orange. 2006 Conception du Blu-ray Disc. 2009 Diffusion commerciale des disques Blu-ray. 2 Principe des disques optiques 2.1 Description Dans 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 (plu- sieurs 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 li- cence Philips Sony HP. La norme ISO 9660 définit le système de fichiers utilisé sur les CD- ROM et DVD-ROM. 2.2 Stockage des données Les 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. ENSEIGNEMENT SPECIFIQUE TERMINALE S SCIENCES PHYSIQUES Christophe.alleau@ac-poitiers.fr Stockage optique 5 Figure 1 Les différentes couches d'un CD (Source : http://en.wikipedia.org/wiki/File:CD_layers.svg) Légende : Les couches composant un disque compact sont : A. Couche de polycarbonate comportant l'information codée sous la forme de cavités. B. Couche réfléchissante. C. Couche de laque prévenant l'oxydation D. Étiquette imprimée sur le dessus du disque. E. Le rayon laser traverse les cavités, est réfléchi, puis est détecté par le lecteur. Les informations sont gravées sur un sillon unique, appelé piste. Enroulée en spirale, elle commence au centre du disque. Figure 2 Structure de l’enregistrement sur CD (Source : Jean-Philippe Muller) ENSEIGNEMENT SPECIFIQUE TERMINALE S SCIENCES PHYSIQUES Christophe.alleau@ac-poitiers.fr Stockage optique 6 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 3 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 (cou- leur 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 des- tructive 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 :  On a un « 1 » logique lors du passage d’un creux à une bosse ou d’une bosse à un creux (appelé front). ;  On a un « 0 » logique lorsqu’il n’y a pas de front. ENSEIGNEMENT SPECIFIQUE TERMINALE S SCIENCES PHYSIQUES Christophe.alleau@ac-poitiers.fr Stockage optique 7 Figure 4 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 utili- sé, mais le principe de lecture est le même. En effet, il est créé, à la gravure, des tâches bru- lées 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 fais- ceau incident, l’intensité réfléchie est minimale. 2.3 Lecture des données 2.3.1 Système de lecture La 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. ENSEIGNEMENT SPECIFIQUE TERMINALE S SCIENCES PHYSIQUES Christophe.alleau@ac-poitiers.fr Stockage optique 8 Figure 5 Système de lecture (Source : Jean-Philippe Muller) La lumière émise par la diode laser est transformée en une onde plane grâce à une lentille si- tuée 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 élec- trique exploitable par le système électronique du lecteur. 2.3.2 Caractéristiques du laser L’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. ENSEIGNEMENT SPECIFIQUE TERMINALE S SCIENCES PHYSIQUES Christophe.alleau@ac-poitiers.fr Stockage optique 9 Figure 6 Principe lecture disques optiques (sources : http://www.lacie.com/fr/technologies/technology.htm?id=10026) 2.3.2.1 Ouverture numérique Le rayon lumineux du laser réfléchi par le miroir uploads/Litterature/ stockage-optique-pdf.pdf