Un disque optique 5D pourrait stocker 500 To pendant des milliards d'années,

Grâce à une méthode d'écriture laser rapide et économe en énergie

Le 3 novembre 2021 à 17:23, par Bruno

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Des chercheurs de l'université de Southampton ont mis au point une méthode d'écriture laser rapide et économe en énergie pour produire des nanostructures à haute densité dans du verre de silice, rapporte Optica. Ces minuscules structures peuvent être utilisées pour le stockage optique à long terme de données en cinq dimensions (5D), plus de 10 000 fois dense que la technologie de stockage sur disque optique Blue-Ray.

Ce type de stockage de données utilise trois couches de points de taille nanométrique dans un disque en verre. La taille, l'orientation et la position (en trois dimensions) des points donnent les cinq "dimensions" utilisées pour coder les données. Selon les chercheurs, un disque 5D pourrait rester lisible après 13,8 milliards d'années, mais il serait surprenant que quelqu'un soit encore là pour le lire à ce moment-là. À plus court terme, les supports optiques 5D pourraient également survivre après avoir été chauffés à 1 000 degrés Celsius.

La technique mise au point par le chercheur doctorant Yuhao Lei utilise un laser femtoseconde à haut taux de répétition. Le processus commence par une impulsion d'ensemencement qui crée un nanovoïde, mais l'impulsion rapide n'a pas besoin d'écrire réellement des données. Les impulsions faibles répétées exploitent un phénomène connu sous le nom d'amélioration du champ proche pour sculpter les nanostructures de manière plus douce. Les chercheurs ont évalué des impulsions laser à différents niveaux de puissance et ont trouvé un niveau qui accélère l'écriture sans endommager le disque en verre de silice.

Écriture laser de structures de biréfringence dans du verre de silice

(a) Schéma de l'installation d'écriture laser. EOM est un modulateur électro-optique et QWP est une plaque quart d'onde ;
(b) Images de l'azimut de l'axe lent des voxels écrits par 100 impulsions laser d'une énergie de 30 nJ à différents taux de répétition de 1 à 10 MHz.

La durée de l'impulsion et la longueur d'onde dans (b) sont respectivement de 250 fs et 515 nm. Les pseudo-couleurs (en médaillon) indiquent l'orientation locale de l'axe lent.

L'étude fait état d'un débit de données maximal d'un million de voxels par seconde, mais chaque bit nécessite plusieurs voxels dans les systèmes optiques 5D. Cela équivaut à un débit de données d'environ 230 kilo-octets par seconde. À ce stade, il devient possible de remplir l'un des disques, dont la capacité est estimée à 500 To. Il faudrait environ deux mois pour écrire une telle quantité de données, après quoi elles ne pourraient plus être modifiées.

« Les particuliers et les organisations génèrent des ensembles de données de plus en plus volumineux, ce qui crée un besoin désespéré de formes de stockage de données plus efficaces, dotées d'une grande capacité, d'une faible consommation d'énergie et d'une longue durée de vie », a déclaré le chercheur Yuhao Lei, de l'université de Southampton, au Royaume-Uni. « Alors que les systèmes basés sur le cloud sont plutôt conçus pour des données temporaires, nous pensons que le stockage de données 5D dans le verre pourrait être utile pour le stockage de données à plus long terme pour les archives nationales, les musées, les bibliothèques ou les organisations privées », a-t-il ajouté.

Bien que le stockage optique de données 5D dans des matériaux transparents ait déjà fait l'objet de démonstrations, il s'est avéré difficile d'écrire des données assez rapidement et avec une densité suffisante pour les applications du monde réel. Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs ont utilisé un laser femtoseconde à haut taux de répétition pour créer de minuscules puits contenant une structure unique de type nanolamelle mesurant à peine 500 x 50 nanomètres chacun.

Plutôt que d'utiliser le laser femtoseconde pour écrire directement dans le verre, les chercheurs ont exploité la lumière pour produire un phénomène optique connu sous le nom d'amélioration du champ proche, dans lequel une structure de type nanolamelle est créée par quelques faibles impulsions lumineuses, à partir d'un nanovoïde isotrope généré par une micro-explosion à impulsion unique. L'utilisation de l'amélioration du champ proche pour fabriquer les nanostructures a permis de minimiser les dommages thermiques qui ont été problématiques pour d'autres approches utilisant des lasers à haute fréquence de répétition.

Les nanostructures étant anisotropes, elles produisent une biréfringence qui peut être caractérisée par l'orientation de l'axe lent de la lumière (4e dimension, correspondant à l'orientation de la structure en forme de nanolamelle) et la force du retard (5e dimension, définie par la taille de la nanostructure). Lorsque les données sont enregistrées dans le verre, l'orientation de l'axe lent et la force du retardement peuvent être contrôlées par la polarisation et l'intensité de la lumière, respectivement.

« Cette nouvelle approche améliore la vitesse d'écriture des données à un niveau pratique, de sorte que nous pouvons écrire des dizaines de gigaoctets de données en un temps raisonnable, a déclaré Lei. Les nanostructures de précision hautement localisées permettent une plus grande capacité de données, car davantage de voxels peuvent être écrits dans une unité de volume. En outre, l'utilisation de la lumière pulsée réduit l'énergie nécessaire à l'écriture. »

Les chercheurs ont utilisé leur nouvelle méthode pour écrire 5 gigaoctets de données textuelles sur un disque en verre de silice de la taille d'un disque compact classique, avec une précision de lecture de près de 100 %. Chaque voxel contenait quatre bits d'information, et tous les deux voxels correspondaient à un caractère de texte. Avec la densité d'écriture offerte par la méthode, le disque pourrait contenir 500 téraoctets de données. Grâce à des mises à niveau du système permettant une écriture parallèle, les chercheurs affirment qu'il devrait être possible d'écrire cette quantité de données en 60 jours environ.

Avec le système actuel, nous avons la capacité de préserver des téraoctets de données, ce qui pourrait être utilisé, par exemple, pour préserver les informations de l'ADN d'une personne travaille maintenant à augmenter la vitesse d'écriture de leur méthode et à rendre la technologie utilisable en dehors du laboratoire. Des méthodes plus rapides de lecture des données devront également être développées pour des applications pratiques de stockage de données.

Plutôt que d'utiliser le laser femtoseconde pour écrire directement dans le verre, les chercheurs ont exploité la lumière pour produire un phénomène optique connu sous le nom d'amélioration du champ proche, dans lequel une structure de type nanolamelle est créée par quelques faibles impulsions lumineuses, à partir d'un nanovoïde isotrope généré par une micro-explosion à impulsion unique. L'utilisation de l'amélioration du champ proche pour fabriquer les nanostructures a permis de minimiser les dommages thermiques qui ont été problématiques pour d'autres approches utilisant des lasers à haute fréquence de répétition.

Dépendance de la modification de type nanolamelles sur les paramètres du laser

à droite, diagrammes polaires de l'azimut et du retard des voxels écrits par des impulsions de 190 fs (en haut) et 700 fs (en bas).

(a) Retardance des voxels en fonction du nombre d'impulsions d'écriture imprimées avec/sans PEM, où le nombre d'impulsions d'ensemencement est de deux ;
(b) fenêtres d'énergie d'ensemencement et d'écriture et images de structures avec dommages (rouge), voxels biréfringents (vert) et voxels incohérents (bleu) ;
(c) à gauche, retard et erreur d'azimut des voxels en fonction de la durée de l'impulsion pour deux impulsions d'ensemencement et huit impulsions d'écriture ;
(d) retard des structures de type nanolamelles écrites par PEM à une longueur d'onde de 515 et 1030 nm en fonction du nombre d'impulsions d'écriture.
(e) Spectres de transmission de 10 couches de voxels par rapport au verre de silice vierge.

Les énergies des impulsions d'ensemencement et d'écriture pour 515 nm (1030 nm) étaient de 36 nJ (150 nJ) et 16,8 nJ (96 nJ), respectivement, et la durée de l'impulsion était de 190 fs.

Les nanostructures étant anisotropes, elles produisent une biréfringence qui peut être caractérisée par l'orientation de l'axe lent de la lumière (4e dimension, correspondant à l'orientation de la structure en forme de nanolamelle) et la force du retard (5e dimension, définie par la taille de la nanostructure). Lorsque les données sont enregistrées dans le verre, l'orientation de l'axe lent et la force du retardement peuvent être contrôlées par la polarisation et l'intensité de la lumière, respectivement.

« Cette nouvelle approche améliore la vitesse d'écriture des données à un niveau pratique, de sorte que nous pouvons écrire des dizaines de gigaoctets de données en un temps raisonnable, a déclaré Lei. Les nanostructures de précision hautement localisées permettent une plus grande capacité de données, car davantage de voxels peuvent être écrits dans une unité de volume. En outre, l'utilisation de la lumière pulsée réduit l'énergie nécessaire à l'écriture. »

Les chercheurs ont utilisé leur nouvelle méthode pour écrire 5 gigaoctets de données textuelles sur un disque en verre de silice de la taille d'un disque compact classique, avec une précision de lecture de près de 100 %. Chaque voxel contenait quatre bits d'information, et tous les deux voxels correspondaient à un caractère de texte. Avec la densité d'écriture offerte par la méthode, le disque pourrait contenir 500 téraoctets de données. Grâce à des mises à niveau du système permettant une écriture parallèle, les chercheurs affirment qu'il devrait être possible d'écrire cette quantité de données en 60 jours environ.

Avec le système actuel, nous avons la capacité de préserver des téraoctets de données, ce qui pourrait être utilisé, par exemple, pour préserver les informations de l'ADN d'une personne travaille maintenant à augmenter la vitesse d'écriture de leur méthode et à rendre la technologie utilisable en dehors du laboratoire. Des méthodes plus rapides de lecture des données devront également être développées pour des applications pratiques de stockage de données.

Source : Optica

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