Niveau : Terminale S Thème : Agir Sous

Niveau :
Terminale S
Thème :
Agir
Sous-thème :
Transmettre et stocker de l'information
Panne de lecteur DVD !
Notions et Contenus :
Stockage optique :
Écriture et lecture des données sur un disque optique.
Capacités de stockage.
Prérequis
Nature de l’activité :
documentaire et expérimentale
 Reconnaître un phénomène d'interférence.
 Reconnaître un phénomène de diffraction.
Objectif
spécifique
● Réinvestir la condition sur la différence de
marche permettant d'obtenir des interférences
destructives pour comprendre la lecture d'un
support optique.
Objectif
transversal
● Découvrir les limitations et contraintes
technologiques imposées par l'existence de la
diffraction dans une situation de la vie
quotidienne.
Capacités disciplinaires
 Expliquer le principe de la lecture par une
approche interférentielle.
 Relier la capacité de stockage et son
évolution au phénomène de diffraction.
 Proposer un protocole expérimental simple.
Capacités disciplinaires
 Réaliser un protocole simple.
Objectifs
Compétences
exigibles
Capacités transversales
Obstacles
prévisibles
 Extraire et exploiter des informations à partir
d’une animation ou d’un schéma ou d’un texte
 Effectuer une synthèse pertinente de
l’information.
 Mise en relation des informations
 Représentation spatiale du phénomène pour déterminer la situation
conduisant à l'existence d’interférences destructives.
Panne de lecteur DVD !
Tu pourrais peut-être la remplacer
par la diode laser du vieux
lecteur CD ?
Personne ne s'en sert...
Le lecteur DVD est en panne...
la diode laser est grillée...
il va falloir investir...
Chic ! C'est l'occasion de passer
à la haute définition !
J'ai -par hasard- déjà repéré un
modèle de lecteur Blu-ray
particulièrement performant !
Partie 1 :
Mais... est-ce qu'il lira
encore mes
dessins animés ?
Avant de tout démonter ou d'acheter
un nouvel appareil,
documentons-nous... et
réfléchissons un peu
au fonctionnement de ces lecteurs...
Quelques « pistes » pour comprendre
les principes de lecture et d'écriture sur
des disques optiques
Pour conseiller ce père de famille au mieux, consulter d'abord les animations internet et les documents
proposés puis répondre aux quelques questions préliminaires :
Animations internet :
http://www.cea.fr/var/cea/storage/static/fr/jeunes/animation/aLaLoupe/lecteurCD/animation.htm
http://www.ta-formation.com/applets/cdrom-reinsc/cdrom-reinsc.htm (après le document 3)
Document 1 : Couche réflective d'un CD et taille comparée des « creux » et du spot laser.
Document 2 : Correspondance entre piste d'un CD et codage du signal
La génération des valeurs 1 n'est pas associée à la réflexion du spot laser par un creux ou un plat mais par le
passage de l'un à l'autre (par front montant et descendant).
Document 3 : Différents types d'écriture des disques.
Il y a tout d'abord les disques optiques non inscriptibles fabriqués en usine par des méthodes non optiques
(gravure, pressage). Pour écrire soi-même sur un disque il faut disposer d'un stylo » dont la pointe soit la
plus fine possible et qui soit susceptible de modifier localement la réflectivité du matériau constituant le
disque optique. La technique la plus simple consiste à augmenter la puissance du laser utilisé pour la lecture
jusqu'à une dizaine de milliwatts, et à utiliser un disque revêtu d'une couche de colorants [dye, initialement
transparent à la lumière à la longueur d'onde du laser]. Le faisceau laser chauffe localement cette couche au
niveau de la tâche focale, ce qui rend alors le colorant opaque et change de manière irréversible la
réflectivité du disque. C'est le procédé utilisé dans les CD-R ou les DVD-R, dits « inscriptibles ».
Mais il est et également intéressant de disposer d'une « gomme », qui permet d'utiliser de nombreuses fois
le même support afin de stocker temporairement de l'information. Le fonctionnement de ces CD-RW, ou
DVD-RW, est basé sur l'utilisation de changements de phase réversibles du matériau composant la surface
du disque. Il s'agit d'un alliage contenant de l'argent, de l'indium, de l'antimoine et du tellure qui peut exister
sous forme cristalline (phase C, transparente et conférant ainsi au disque une haute réflectivité pour la
lumière du laser) ou bien sous forme amorphe, ou vitreuse (phase A, opaque, conférant au disque une plus
faible réflectivité). Pour passer de C à A on utilise une impulsion brève et de forte puissance du laser, qui
porte le matériau à une température supérieure à 500°C. Il est alors localement liquéfié et se refroidit ensuite
suffisamment rapidement pour n'avoir pas le temps de cristalliser. Il se trouve donc en fin de compte sous
l'état amorphe. Pour passer de A à C, on utilise une impulsion lumineuse moins intense et plus longue, qui
porte le matériau à une température légèrement inférieure à la température de liquéfaction, de sorte que la
mobilité des atomes est suffisante pour que le processus de cristallisation ait lieu.
D'après Panorama de la physique, « Le stockage optique de l'information », Belin pour la science.
Document 4 : Structure et intensité lumineuse réfléchie par un CD inscriptible CD-R
D'après « L'enregistrement optique, comment
marche ? », J.J. Wanègue, Paris 17 novembre 2009.
ça
Document 5 : Des disques qui vieillissent trop vite
Différentes études du Laboratoire National d’Essais pour la Direction des Archives de France l’ont
montré : les CD-R et DVD-R gravés n’ont pas la pérennité des CD et DVD pressés du commerce : 10 à 15%
des CD-R gravés subissent ainsi des évolutions rapides pouvant entraîner la perte de données en moins de
cinq ans. Altération des colorants (dye) à la lumière, effets de l’humidité, de la température, de la vitesse
gravure, les paramètres agissant sur le vieillissement sont nombreux…
Document 6 : Evolution de la tension aux bornes du récepteur, image de l'intensité du
faisceau laser réfléchi par un CD.
Questions préliminaires :
- Quelle interaction le disque optique doit-il avoir avec le faisceau laser pour que le lecteur puisse
en extraire un signal numérique codé par une suite de 0 et de 1 ?
- Étudier les structures mises en place au niveau d'un disque compact (CD) et au niveau d'un CD-R
pour arriver à l’objectif précédent, en mettant en avant leurs avantages, leurs contraintes et leurs
inconvénients respectifs.
- D'après l'explication suivante de l'animation du CEA : « Les caractéristiques de la lumière réfléchie
ne sont pas les mêmes lorsque le faisceau est focalisé sur une bosse ou sur un creux. Ces écarts
de phase, liés à la différence de hauteur entre les microreliefs se traduisent au niveau de la cellule
par une modulation d'intensité », quel phénomène optique est responsable de la variation de
l'intensité du faisceau réfléchi par le disque compact ?
Réfraction ?
Modification de la
transmittance du milieu ?
- Justifier que, sur le document 6, le symbole
laser réfléchi n'est-elle alors pas nulle ?
Interférences ?
Diffraction ?
correspond à un creux. Pourquoi l'intensité du
- Expliquer pourquoi la profondeur des creux des pistes dans le polycarbonate du CD d'indice de
réfraction 1,55 a été fixée à environ 125 µm.
Réponse à la proposition de réparation faite au père bricoleur :
A l'aide de vos réponses aux questions précédentes, expliquer si le remplacement de la diode laser
λ = 650 nm du lecteur DVD par celle du « vieux » lecteur CD ( λ = 780 nm) est judicieux.
Partie 2 :
Mais quelle idée aussi de
changer de diode laser d'un
type de lecteur à l'autre !
Ne pouvait-on pas se
contenter de garder la
même ?
Une course...
vers les « petites longueurs » d'onde !
Document 1 : le Blu-ray, successeur et héritier des CD et DVD
À première vue, un disque Blu-ray ressemble à s’y méprendre à ses compères CD et DVD : une
galette plastique de 12 cm de diamètre. Même son concept est identique. Les données y sont
stockées sous forme de creux et de bosses le long d’une spirale. La différence se situe justement
dans la taille de ces creux et bosses. La plus petite de ces marques mesure 830 nanomètres sur un
CD et 400 nm sur un DVD. Sur un disque Blu-ray, elle ne fait plus que 160 nm !
Une taille minuscule imposée par les besoins en capacité de stockage : il faut nécessairement
réduire la taille des marques pour pouvoir en mettre davantage sur un support dont la surface, elle,
ne change pas. Une miniaturisation qui impose des modifications des techniques de production et
de lecture des disques Blu-ray. « C’est un peu comme si vous souhaitiez mettre de plus en plus de
texte sur une feuille blanche. Il vous faudra non seulement une plume de plus en plus fine mais
aussi une loupe efficace pour reconnaître les lettres qui, à cette taille, risquent d’être déformées par
les bavures du papier. » En guise de loupe, le laser rouge de 650 nm de longueur d’onde des
lecteurs DVD est remplacé par un laser bleu (d’où le nom Blu-ray) à 405 nm.
Les défis du CEA-120, décembre 2006-janvier 2007.
Document 2 : les limitations dues au système optique.
Pour lire les informations contenues sur le disque optique, le faisceau laser est focalisé sur les
alvéoles à l'aide d'une association de lentilles. Ce système optique est conçu pour faire converger
le faisceau sur une surface la plus petite possible : la courbure de chaque dioptre est profilée afin
d'ôter tout phénomène d'aberration géométrique, même en étant très éloigné des conditions de
Gauss. Cependant aussi perfectionné que soit ce système optique, la taille du spot laser sur les
alvéoles ne peut être réduite indéfiniment. La nature ondulatoire de la lumière provoque un
phénomène de diffraction dans la zone de focalisation : même avec un système optique
rigoureusement stigmatique, le faisceau donne dans le plan des alvéoles (des creux) une tâche
lumineuse, appelée « tâche d'Airy », et non un point lumineux.
La largeur D de cette tâche correspond à la taille minimale du spot laser : elle est proportionnelle à
λ / η, le rapport de la longueur d'onde λ du laser utilisé sur l'ouverture numérique η caractéristique
du système optique (distance focale, diamètre de la lentille).
D'après Bulletin de l'Union des
Physiciens, n°934, mai 2011.
Document 3 : l'évolution des supports pressés et de leur système de lecture associé.
Enregistrements sonores
Enregistrements vidéo
* pour des supports à une seule couche de données.
La grandeur notée e correspond à la distance entre 2 sillons voisins.
Vidéo haute-définition
Document 4 : influence de la taille du spot sur la qualité de lecture d'une piste d'un CD.
A la lecture, la forte variation d'intensité lumineuse provoquée par le passage du spot d'un creux à un plat
est codée par un 1, une intensité lumineuse quasi constante est codée par un 0.
Séquence codée sur le CD par l'alternance des « creux » et « plats » :
Séquence interprétée suite à la lecture par un spot de diamètre 0,9 µm :
0
0 1
1 1 0 0
Séquence interprétée suite à la lecture par un spot de diamètre 3 µm :
0
0 0
1 0 0 0
- A l'aide des documents 1 et 3, indiquer les modifications que les industriels ont cherché à apporter
aux sillons du CD pour stocker davantage d'informations sur une même surface de disque.
- A partir du matériel à votre disposition (les différents supports optiques, un laser), proposer et
réaliser un protocole expérimental simple permettant de vérifier qualitativement l'évolution de la
distance entre 2 sillons consécutifs, du CD au Blu-ray.
Réponse à l'interrogation du père :
A l'aide des documents 3 et 4, justifier pourquoi il n'est pas possible de continuer à utiliser
l'ensemble (laser-système optique de focalisation des lecteurs CD) pour lire de manière fiable un
disque dont les creux sont disposés comme sur un Blu-ray.
A l'aide du document 2, justifier la « course vers les faibles longueurs d'onde » engagée alors sur le
marché des diodes laser compactes. Sur quel autre paramètre ont également joué les
constructeurs ?
Partie 3 :
Multiplier par 38 la capacité du
disque en passant du CD au BluRay... cela justifie bien un petit
changement de diode laser non ?
Pas sûr que cela soit la seule
explication !
Sur ton facteur 38, quelle part est
imputable à la seule modification de la
longueur d'onde ? N'oublie pas que
l'ouverture numérique aussi a été
modifiée !
La capacité
de stockage
des disques
Proposer une réponse à la question du père.
Les deux facteurs suffisent-ils pour retrouver le gain de capacité obtenu en réalité ? Conclure.
Pour simplifier, supposons
que la surface nécessaire
pour coder un 0 ou un 1
a évolué proportionnellement à la
surface du spot laser...
Donc si la surface du spot
devient 2 fois plus petite on peut
coder 2 fois plus de données !
… et la surface d'un spot
circulaire est
proportionnelle au carré
de son diamètre... donc....