Le stockage optique de données 3D est toute forme de stockage de données optique dans lequel des informations peuvent être enregistrées ou lues avec une résolution tridimensionnelle (par opposition à la résolution bidimensionnelle fournie, par exemple, par CD).

Cette innovation a le potentiel de fournir un stockage de masse au niveau des pétaoctets sur des disques de la taille d’un DVD (120 mm). L’enregistrement et la relecture des données sont réalisés en focalisant les lasers dans le support. Cependant, en raison de la nature volumétrique de la structure de données, la lumière laser doit traverser d’autres points de données avant d’atteindre le point où la lecture ou l’enregistrement est souhaité. Par conséquent, une sorte de non-linéarité est nécessaire pour garantir que ces autres points de données n’interfèrent pas avec l’adressage du point souhaité.

Aucun produit commercial basé sur le stockage optique de données 3D n’est encore arrivé sur le marché de masse, bien que plusieurs sociétés développent activement cette technologie et affirment qu’elle pourrait bientôt être disponible.

Vue d’ensemble
Les supports de stockage de données optiques actuels, tels que les CD et DVD, stockent les données sous forme d’une série de marques réfléchissantes sur la surface interne d’un disque. Pour augmenter la capacité de stockage, il est possible que les disques contiennent deux ou plus de ces couches de données, mais leur nombre est sévèrement limité, car le laser d’adressage interagit avec chaque couche qu’il traverse au cours de son trajet. . Ces interactions génèrent un bruit qui limite la technologie à environ 10 couches. Les méthodes de stockage de données optiques 3D résolvent ce problème en utilisant des méthodes d’adressage dans lesquelles seul le voxel spécifiquement adressé (pixel volumétrique) interagit de manière substantielle avec la lumière d’adressage. Cela implique nécessairement des méthodes de lecture et d’écriture de données non linéaires, en particulier d’optique non linéaire.

Le stockage de données optique 3D est lié au stockage de données holographiques (et entre en concurrence avec celui-ci). Les exemples traditionnels de stockage holographique ne traitent pas de la troisième dimension et ne sont donc pas strictement « 3D », mais plus récemment, le stockage holographique 3D a été réalisé grâce à l’utilisation de micro-hologrammes. La technologie multicouche à sélection de couche (où un disque multicouche a des couches pouvant être activées individuellement, par exemple électriquement) est également étroitement liée.

Par exemple, un système de stockage de données optique 3D prototype peut utiliser un disque qui ressemble beaucoup à un DVD transparent. Le disque contient de nombreuses couches d’informations, chacune à une profondeur différente dans le support et chacune consistant en une piste en spirale de type DVD. Afin d’enregistrer des informations sur le disque, un laser est mis au point à une profondeur particulière dans le support qui correspond à une couche d’informations particulière. Lorsque le laser est allumé, cela provoque un changement photochimique dans le support. Lorsque le disque tourne et que la tête de lecture / écriture se déplace le long d’un rayon, la couche est écrite comme un DVD-R est écrit. La profondeur de la mise au point peut alors être modifiée et une autre couche d’informations totalement différente peut être écrite. La distance entre les couches peut aller de 5 à 100 micromètres, ce qui permet de stocker plus de 100 couches d’informations sur un seul disque.

Afin de lire les données (dans cet exemple), une procédure similaire est utilisée, sauf que cette fois-ci au lieu de provoquer une modification photochimique du support provoqué par la fluorescence par le laser. Ceci est réalisé par exemple en utilisant une puissance laser inférieure ou une longueur d’onde laser différente. L’intensité ou la longueur d’onde de la fluorescence est différente selon que le support a été écrit à ce moment-là et, par conséquent, en mesurant la lumière émise, les données sont lues.

La taille des molécules de chromophore ou des centres de couleur photoactifs individuels est beaucoup plus petite que la taille du foyer laser (qui est déterminée par la limite de diffraction). La lumière s’adresse donc à un grand nombre (voire même 109) de molécules à la fois, de sorte que le milieu agit comme une masse homogène plutôt que comme une matrice structurée par les positions des chromophores.

Histoire
Les origines de ce champ remontent aux années 1950, lorsque Yehuda Hirshberg développa les spiropyrans photochromiques et suggéra leur utilisation pour le stockage de données. Dans les années 1970, Valeri Barachevskii a démontré que ce photochromisme pouvait être produit par excitation à deux photons et, finalement, à la fin des années 1980, Peter M. Rentzepis a montré que cela pouvait conduire à un stockage de données en trois dimensions. La plupart des systèmes développés reposent dans une certaine mesure sur les idées originales de Rentzepis. Un large éventail de phénomènes physiques de lecture et d’enregistrement de données ont été étudiés, un grand nombre de systèmes chimiques pour le support ont été développés et évalués, et de nombreux travaux ont été menés pour résoudre les problèmes associés aux systèmes optiques nécessaires à la lecture et à la lecture. enregistrement de données. Actuellement, plusieurs groupes continuent de travailler sur des solutions présentant différents niveaux de développement et un intérêt pour la commercialisation.

Processus de création de données écrites
L’enregistrement de données sur un support de stockage optique 3D nécessite qu’un changement ait lieu dans le support lors de l’excitation. Ce changement est généralement une réaction photochimique, bien que d’autres possibilités existent. Les réactions chimiques étudiées comprennent les photoisomérisations, les photodécompositions, le photoblanchiment et l’initiation de la polymérisation. La plupart des produits étudiés sont des composés photochromiques, notamment les azobenzènes, les spiropyranes, les stilbènes, les fulgides et les diaryléthènes. Si le changement photochimique est réversible, un stockage de données réinscriptible peut être réalisé, du moins en principe. En outre, l’enregistrement multiniveau, où les données sont écrites en « niveaux de gris » plutôt qu’en tant que signaux « activés » et « désactivés », est techniquement réalisable.

Ecriture par absorption multiphotonique non résonante
Bien qu’il existe de nombreux phénomènes optiques non linéaires, seule l’absorption multiphotonique est capable d’injecter dans le support l’énergie importante nécessaire pour exciter électroniquement les espèces moléculaires et provoquer des réactions chimiques. L’absorption à deux photons est de loin l’absorbance multiphoton la plus forte, mais il s’agit tout de même d’un phénomène très faible, conduisant à une faible sensibilité du support. Par conséquent, de nombreuses recherches ont été consacrées à la fourniture de chromophores avec des sections efficaces d’absorption à deux photons élevées.

L’écriture par absorption à deux photons peut être obtenue en focalisant le laser d’écriture sur le point où le processus d’écriture photochimique est requis. La longueur d’onde du laser d’écriture est choisie de telle sorte qu’elle ne soit pas absorbée linéairement par le support et qu’elle n’interagisse donc pas avec le support, sauf au niveau du point focal. Au point focal, l’absorption à deux photons devient importante car il s’agit d’un processus non linéaire dépendant du carré de la fluence du laser.

L’écriture par absorption à deux photons peut également être obtenue par l’action de deux lasers en coïncidence. Cette méthode est généralement utilisée pour réaliser simultanément l’écriture parallèle d’informations. Un laser traverse le support, définissant une ligne ou un plan. Le second laser est ensuite dirigé sur les points de cette ligne ou de ce plan pour lesquels une écriture est souhaitée. La coïncidence des lasers en ces points a excité l’absorption à deux photons, ce qui a conduit à l’écriture de photochimie.

Ecriture par absorption multiphotonique séquentielle
Une autre approche pour améliorer la sensibilité du support a été d’utiliser l’absorption résonante à deux photons (également connue sous le nom d’absorbance « 1 + 1 » ou « séquentielle » à deux photons). L’absorption à deux photons non résonants (comme on l’utilise généralement) est faible car, pour que l’excitation se produise, les deux photons excitants doivent arriver au chromophore presque exactement au même moment. En effet, le chromophore est incapable d’interagir avec un seul photon. Toutefois, si le chromophore a un niveau d’énergie correspondant à l’absorption (faible) d’un photon, il peut alors être utilisé comme un tremplin, ce qui permet une plus grande liberté lors de l’arrivée des photons et donc une sensibilité beaucoup plus grande. Cependant, cette approche entraîne une perte de non-linéarité par rapport à l’absorbance à deux photons non résonante (étant donné que chaque étape d’absorption à deux photons est essentiellement linéaire) et risque donc de compromettre la résolution 3D du système.

Microholographie
En microholographie, des faisceaux de lumière focalisés sont utilisés pour enregistrer des hologrammes submicrométriques dans un matériau photoréfractif, généralement au moyen de faisceaux colinéaires. Le processus d’écriture peut utiliser les mêmes types de supports que ceux utilisés dans d’autres types de stockage de données holographiques et peut utiliser des processus à deux photons pour former les hologrammes.

Enregistrement de données en cours de fabrication
Des données peuvent également être créées lors de la fabrication du support, comme c’est le cas avec la plupart des formats de disques optiques pour la distribution de données commerciale. Dans ce cas, l’utilisateur ne peut pas écrire sur le disque – il s’agit d’un format ROM. Les données peuvent être écrites par une méthode optique non linéaire, mais dans ce cas, l’utilisation de lasers à très haute puissance est acceptable, de sorte que la sensibilité du support devient moins problématique.

La fabrication de disques contenant des données moulées ou imprimées dans leur structure 3D a également été démontrée. Par exemple, un disque contenant des données en 3D peut être construit en prenant en sandwich un grand nombre de disques minces, qui sont chacun moulés ou imprimés avec une seule couche d’informations. Le disque ROM résultant peut ensuite être lu à l’aide d’une méthode de lecture 3D.

Autres approches de l’écriture
D’autres techniques pour écrire des données en trois dimensions ont également été examinées, notamment:

La gravure de trous spectraux persistants (PSHB), qui offre également la possibilité d’un multiplexage spectral pour augmenter la densité de données. Cependant, les supports PSHB nécessitent actuellement de maintenir des températures extrêmement basses afin d’éviter toute perte de données.

Formation de vide, où des bulles microscopiques sont introduites dans un milieu par irradiation laser à haute intensité.

La polarisation des chromophores, où la réorientation des chromophores induite par le laser dans la structure du support entraîne des modifications lisibles.

Processus de lecture de données
La lecture des données des mémoires optiques 3D a été réalisée de différentes manières. Si certaines d’entre elles s’appuient sur la non-linéarité de l’interaction lumière-matière pour obtenir une résolution 3D, d’autres utilisent des méthodes de filtrage spatial de la réponse linéaire du support. Les méthodes de lecture comprennent:

Absorption à deux photons (entraînant une absorption ou une fluorescence). Cette méthode est essentiellement une microscopie à deux photons.

Excitation linéaire de fluorescence avec détection confocale. Cette méthode est essentiellement une microscopie confocale à balayage laser. Il offre une excitation avec des puissances laser beaucoup plus faibles que l’absorbance à deux photons, mais présente certains problèmes potentiels du fait que la lumière d’adressage interagit avec de nombreux autres points de données en plus de celui qui est traité.

Mesure de petites différences d’indice de réfraction entre les deux états de données. Cette méthode utilise généralement un microscope à contraste de phase ou un microscope à réflexion confocale. Aucune absorption de lumière n’est nécessaire, il n’y a donc aucun risque d’endommager les données lors de la lecture, mais l’inadéquation requise de l’indice de réfraction dans le disque peut limiter l’épaisseur (c’est-à-dire le nombre de couches de données) que le support peut atteindre en raison des erreurs de front d’onde aléatoires accumulées qui détruisent la qualité du point focalisé.

La génération de la deuxième harmonique a été démontrée en tant que méthode pour lire des données écrites dans une matrice polymère polarisée.

La tomographie par cohérence optique a également été démontrée en tant que méthode de lecture parallèle.

Design média
La partie active du support de stockage optique 3D est généralement un polymère organique dopé ou greffé avec l’espèce photochimiquement active. En variante, des matériaux cristallins et sol-gel ont été utilisés.

Facteur de forme du support
Des supports pour le stockage optique de données 3D ont été suggérés sous plusieurs formes: disque, carte et cristal.

Un support de disque offre une progression depuis un CD / DVD et permet de lire et d’écrire à l’aide de la méthode bien connue du disque rotatif.

Un support de format de carte de crédit est attrayant du point de vue de la portabilité et de la commodité, mais aurait une capacité inférieure à celle d’un disque.

Plusieurs auteurs de science-fiction ont suggéré de petits solides qui stockent des quantités énormes d’informations, ce qui pourrait au moins en principe être réalisé avec le stockage de données optique 5D.

Fabrication de médias
La méthode de fabrication la plus simple – le moulage d’un disque en une pièce – est une possibilité pour certains systèmes. Une méthode plus complexe de fabrication de supports consiste à construire les supports couche par couche. Cela est nécessaire si les données doivent être créées physiquement lors de la fabrication. Cependant, la construction couche par couche ne signifie pas nécessairement la combinaison de plusieurs couches. Une autre alternative consiste à créer le support sous une forme analogue à un rouleau de ruban adhésif.

Conception de l’entraînement
Un lecteur conçu pour lire et écrire sur un support de stockage de données optique 3D peut avoir beaucoup en commun avec les lecteurs de CD / DVD, en particulier si le facteur de forme et la structure de données du support sont similaires à ceux d’un CD ou d’un DVD. Cependant, un certain nombre de différences notables doivent être prises en compte lors de la conception d’un tel lecteur.

Laser
En particulier lorsque l’absorption à deux photons est utilisée, il peut être nécessaire de recourir à des lasers de grande puissance pouvant être volumineux, difficiles à refroidir et poser des problèmes de sécurité. Les lecteurs optiques existants utilisent des lasers à diode à onde continue fonctionnant à 780 nm, 658 nm ou 405 nm. Les lecteurs de stockage optiques 3D peuvent nécessiter des lasers à l’état solide ou des lasers à impulsions, et plusieurs exemples utilisent des longueurs d’onde facilement disponibles par ces technologies, telles que 532 nm (vert). Ces lasers plus grands peuvent être difficiles à intégrer dans la tête de lecture / écriture du lecteur optique.

Correction d’aberration sphérique variable
Étant donné que le système doit traiter différentes profondeurs dans le milieu et que l’aberration sphérique induite sur le front d’onde est différente, il est nécessaire de disposer d’un procédé pour prendre en compte ces différences de manière dynamique. Il existe de nombreuses méthodes possibles qui incluent des éléments optiques qui entrent et sortent du chemin optique, des éléments en mouvement, des optiques adaptatives et des lentilles à immersion.

Système optique
Dans de nombreux exemples de systèmes de stockage de données optiques 3D, plusieurs longueurs d’onde (couleurs) de la lumière sont utilisées (par exemple, laser de lecture, laser à écriture, signal; parfois même deux lasers sont nécessaires uniquement pour l’écriture). Par conséquent, en plus de la haute puissance laser et de l’aberration sphérique variable, le système optique doit combiner et séparer ces différentes couleurs de lumière selon les besoins.

Détection
Dans les lecteurs de DVD, le signal produit à partir du disque est une réflexion du faisceau laser d’adressage et est donc très intense. Toutefois, pour le stockage optique 3D, le signal doit être généré dans le volume minuscule qui est adressé et est donc beaucoup plus faible que la lumière laser. De plus, la fluorescence est rayonnée dans toutes les directions à partir du point adressé. Par conséquent, une optique spéciale de collecte de la lumière doit être utilisée pour maximiser le signal.

Suivi des données
Une fois qu’elles sont identifiées le long de l’axe des z, les couches individuelles de données de type DVD peuvent être consultées et suivies de la même manière que les DVD. La possibilité d’utiliser un adressage parallèle ou par page a également été démontrée. Cela permet des taux de transfert de données beaucoup plus rapides, mais nécessite la complexité supplémentaire des modulateurs spatiaux de lumière, de l’imagerie du signal, de lasers plus puissants et d’un traitement plus complexe des données.

Problèmes de développement
Malgré le caractère très attrayant du stockage de données optique 3D, le développement de produits commerciaux a pris beaucoup de temps. Cela résulte d’un soutien financier limité sur le terrain, ainsi que de problèmes techniques, notamment:

Lecture destructive. Étant donné que la lecture et l’écriture des données sont effectuées à l’aide de faisceaux laser, le processus de lecture peut entraîner une petite quantité d’écriture. Dans ce cas, la lecture répétée de données peut éventuellement servir à l’effacer (ceci se produit également dans les matériaux à changement de phase utilisés dans certains DVD). De nombreuses approches ont permis de résoudre ce problème, notamment l’utilisation de bandes de absorption différentes pour chaque processus (lecture et écriture) ou l’utilisation d’une méthode de lecture ne faisant pas appel à l’absorption d’énergie.

Stabilité thermodynamique De nombreuses réactions chimiques qui semblent ne pas se produire se produisent en réalité très lentement. En outre, de nombreuses réactions qui semblent s’être produites peuvent lentement s’inverser. Étant donné que la plupart des supports 3D sont basés sur des réactions chimiques, il existe un risque que les points non écrits deviennent lentement écrits ou que les points écrits redeviennent lentement non écrits. Ce problème est particulièrement grave pour les spiropyrans, mais des recherches approfondies ont été menées pour trouver des chromophores plus stables pour les mémoires 3D.

Sensibilité aux médias. L’absorption à deux photons étant un phénomène faible, des lasers de forte puissance sont généralement nécessaires pour la produire. Les chercheurs utilisent généralement des lasers Ti-saphir ou Nd: YAG pour obtenir une excitation, mais ces instruments ne conviennent pas à une utilisation dans les produits de consommation.

Développement académique
Une grande partie du développement du stockage de données optique 3D a été réalisée dans les universités. Les groupes qui ont fourni une contribution précieuse comprennent:

Peter T. Rentzepis a été l’initiateur de ce domaine et a récemment mis au point des matériaux exempts de lecture destructive.
Watt W. Webb a développé le microscope à deux photons dans les laboratoires Bell et a montré l’enregistrement 3D sur un support photoréfractif.
Masahiro Irie a développé la famille des matériaux photochromiques diarylethene.
Yoshimasa Kawata, Satoshi Kawata et Zouheir Sekkat ont développé et travaillé sur plusieurs systèmes de manipulation de données optiques, impliquant en particulier des systèmes à polymères polarisés.
Kevin C Belfield développe des systèmes photochimiques pour le stockage de données optiques 3D en utilisant le transfert d’énergie de résonance entre molécules, et développe également des matériaux à section efficace à deux photons.
Seth Marder a effectué la plupart des travaux initiaux en développant des approches logiques pour la conception moléculaire de chromophores de section transversale à deux photons.
Tom Milster a apporté de nombreuses contributions à la théorie du stockage de données optique 3D.
Robert McLeod a examiné l’utilisation de microhologrammes pour le stockage de données optiques 3D.
Min Gu a examiné la lecture confocale et les méthodes pour l’améliorer.

Développement commercial
Outre la recherche universitaire, plusieurs sociétés ont été créées pour commercialiser le stockage de données optique 3D et certaines grandes entreprises ont également manifesté un intérêt pour la technologie. Cependant, il n’est pas encore clair si la technologie réussira sur le marché en présence de concurrents d’autres secteurs, tels que les disques durs, le stockage flash et le stockage holographique.

Call / Recall a été fondée en 1987 sur la base des recherches de Peter Rentzepis. Utilisant l’enregistrement à deux photons (à 25 Mbit / s avec 6,5 ps, 7 nJ, impulsions de 532 nm), la lecture à un photon (avec 635 nm) et une lentille à immersion à haute NA (1.0), ils ont stocké 1 To à 200 couches dans un disque de 1,2 mm d’épaisseur. Ils visent à améliorer la capacité jusqu’à> 5 To et les débits de données jusqu’à 250 Mbit / s en un an, en développant de nouveaux matériaux ainsi que des diodes laser bleu pulsées très puissantes.
Mempile développe un système commercial appelé TeraDisc. En mars 2007, ils ont présenté l’enregistrement et la relecture de 100 couches d’informations sur un disque de 0,6 mm d’épaisseur, ainsi qu’une faible diaphonie, une sensibilité élevée et une stabilité thermodynamique. Ils ont l’intention de lancer un produit grand public à laser rouge de 0,6 à 1,0 TB en 2010 et ont une feuille de route pour un produit au laser bleu de 5 To.
Constellation 3D a mis au point à la fin des années 90 le Fluorescent Multilayer Disc, un disque ROM fabriqué couche par couche. La société a échoué en 2002, mais la propriété intellectuelle (IP) a été acquise par D-Data Inc., qui tente de l’introduire sous le nom de Digital Multilayer Disk (DMD).
Storex Technologies a été créée pour développer des supports 3D à base de verres photosensibles fluorescents et de matériaux vitrocéramiques. La technologie dérive des brevets du scientifique roumain Eugen Pavel, qui est également le fondateur et le PDG de la société. Lors de la conférence ODS2010, les résultats concernant la lecture par deux méthodes sans fluorescence d’un disque optique en pétaoctet ont été présentés.
Landauer Inc. développe un support basé sur l’absorption résonante à deux photons dans un substrat monocristallin en saphir. En mai 2007, ils ont montré l’enregistrement de 20 couches de données utilisant 2 nJ d’énergie laser (405 nm) pour chaque marque. La vitesse de lecture est limitée à 10 Mbit / s en raison de la durée de vie de la fluorescence.
Colossal Storage a pour objectif de développer une technologie de stockage optique holographique 3D basée sur la polarisation de champ électrique induite par un photon utilisant un laser à ultraviolets afin d’améliorer considérablement la capacité de traitement des données et les taux de transfert actuels.
Microholas opère à l’Université de Berlin, sous la direction de la professeure Susanna Orlic, et a réussi à enregistrer jusqu’à 75 couches de données microholographiques, séparées de 4,5 micromètres, suggérant une densité de données de 10 Go par couche.
3DCD Technology Pty. Ltd. est une spin-off universitaire conçue pour développer une technologie de stockage optique 3D basée sur les matériaux identifiés par Daniel Day et Min Gu.
Plusieurs grandes entreprises technologiques telles que Fuji, Ricoh et Matsushita ont déposé des demandes de brevet sur des matériaux sensibles à deux photons pour des applications comprenant le stockage de données optique 3D, sans toutefois indiquer qu’elles développaient des solutions complètes de stockage de données.