les pistes du stockage de données sur support verre et...
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Les pistes du stockage de données sur support verre et vitrocéramique
Lionel Canioni, Université Bordeaux, LOMA
Quelques remarques générales sur les supports optique
GDR Verres 2
Nous abordons ici le cas les disques optiques
•Information stockée : propriété optique localisée différente d’un point
à l’autre du support. (hétérogène)
•L’information inscrite dans un verre, une vitrocéramique est a priori
pérenne.
Propriété physique modifiée localement Phénomène optique associé
Variation d’indice isotrope Changement de réflectivité, transmission
Variation d’indice anisotrope Dépolarisation, vortex
Absorption localisée Changement transmission, réf
Absorption anisotrope Changement transmission, réf dépendant de la polarisation
Fluorescence, luminescence Localisée modifiée
Emission de lumière =/
Variation des propriétés non linéaire X2, X3 Emission de lumière harmonique modifiée
Les limites Physiques pour une grande capacité
GDR Verres 3
Diminuer la taille de l’information
• Possible pour la fluorescence.
Lecture STED (stimulated-emission-depletion)
résolution en lecture possible de 10, 20 nm en champ
lointain ( 500 Go sur un DVD simple couche?)
•Passage sur un support 3D (100 Couches, 500 Go,
1mm d’épaisseur)
Lecture en champ lointain limitée par la diffraction
W0=0,516 l/NA exemple: NA=0,85 , l=400 nm,
250 nm entre pistes
Les mécanismes :variation d’indice; problème de
diffusion.
Fluorescence ou propriété non linéaire: lecture non
linéaire
•Adopter un nouveau format 3D + autres dimensions:
Polarisation, longueur-d’onde.. 10 To sur un DVD?
Micro -
Nanoélectronique
Micro -
Nanophotonique
Transport, stockage, manipulation de l’information
Macroélectronique
Nanostructures photoniques
Macrophotonique
Savage Linking with light, IEEE Spectrum 2002
Contexte: Electronique et Photonique comment écrire?
GDR Verres 4
3D mais micrométrique
Limite par diffraction
Structuration laser
Nanométrique mais 2D
Techniques lithographiques
Rilll et al., Nature Materials, 2008
Assemblage de structures 2DModification 3D de verre
photosensibilité
Fabrication de structures photoniques en 3D?
GDR Verres 5
20
15
10
50
-5-1
0-1
5-2
0
r (µ
m)
100806040200
z (µm)
20
15
10
50
-5-1
0-1
5-2
0
r (µ
m)
100806040200
z (µm)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Norm
aliz
ed a
bsorp
tion (a
. u.)
CB
VB
L
CB
VB
L
Origine de la Structuration 3D
Clef: absorption non-linéaire du laser femtoseconde
Principe de structuration 3D
Dépot d’energie dans un semi conducteur suite à une absorption linéairegauche et non-linéaire à droite
GDR Verres 6
Photo-ionization (multiphoton absorption
and/or tunneling ionization) (after1 fs)
Avalanche ionization (after50 fs)
Thermalization of the electrons (after100
fs)
Energy transfer electrons → lattice (after1 ps)
Thermodynamic processes
(thermal diffusion, fusion and/or
explosion) (after 10 ps)
Photochemical processes (chemical reactions
and/or phase transitions) (after 1 ns)
1
fs
1 ps 1 ns 1 μs Time
Les principaux processus physiques suite au dépot d’énergie
GDR Verres 7
Modification d’indice
homogène
Modification d’indice
anisotrope
Micro-explosion
Guide d’onde Polariseur Stockage
La structuration de la silice
No
modification
Type 1:
Isotropic RI
change
Type 2:
Birefringent RI
change
Type 3:
Micro-
cavitiesFluence
1 µm
8
La structuration dépend fortement de la fluence ( J/cm²)
Travaux de Kasansky, Corkum,Nolte, Scheffer, Royon..
GDR Verres 8
Faible DN ZA très
importante
Possible et démontré
2D
Measured at 1.5 m
0,1
1
10
100
Chalcogenide
Tellurite
d0 ions (Ti4+, Nb5+, W6+) in silicate, borate, phosphate matrices
Silicates, borates, phosphates
Fluoride
n2/n2 SiO2
Sulfide,
Selenide
Oxide
Fluoride
Wave guide writing
In oxyde glasses
and chalcogenide
(SiO2, phosphate, As2S3…)
Photo expansion
After irradiation
Exemple de structuration de matériaux vitreux
Les grandes familles de verre et l’échelle des non- linéarités
No
modification
Photochemical
reactions
Chemical bond
breakings – Fusion
Phase
transitions
Micro-
explosions Fluence
GDR Verres 9
Origine Variation d’indice: diffusion et structuration
Avant le Tg, mobilité possible des ions dans les verres par sauts sur des niveaux pièges de la matrice
Ln(temps)
Ln(C
on
cen
trat
ion
)
T0
T1
Diffusivité en fonction de la température
GDR Verres 10
Translation
stages for 3D
motion
Microscop
e objective
Femtosecond
laser
AOM
Pulse energy,
repetition rate
and/or number of
pulses adjustments
Inline
observation
Polarization
controller
Sample
White light
illumination
Imaging
lens
CCD
Camera
Le dispositif expérimental
Grande récurrence
> 100 Khz
Porte échantillon chauffant <400°C
Dispositif expérimental
NA: 0.2 0.9En: 0400 nJFrep: 010 MhzTemp: 20400°C
GDR Verres 11
Film photographique Verre photosensible
Ag+ Ag0 Agmx+ Agn
Image contrastéeImage latente
e-
Verre radio-photo-
luminescent: FPL
Verre PTR..
Développement
Doisneau, Mathématiques, 1941Stookey, Ind. Eng. Chem., 1949
Les Matériaux photosensibles: une alternative
P2O5 /ZnO / Ag2O/Ga
GDR Verres 12
Bright Field Microscopy
20 µm
Formations d’agrégats fluorescent.
Fluorescence confocal Microscopy
λexcitation = 405 nm
GDR Verres 13
Photo-modification sur des matériaux optimisés
Tem
pér
atu
re/t
emp
s
Post traitement thermique pour la nucléation, la transition de phase..
Clefs du succès
Ion
Ag+Nucleation
center Ag0
TTg
Free electron e-Nanocluster
Agmx+ Nanoparticle
Agn
Nanocrystallite
NaF@Agn
+
Temperature Post-TraitementPhoto-ionisation
Free electron generated from:
- Matrix,
- Sensitizer Ce3+,
- Photosensitive agent Ag+.
L
Ta
Fluence
GDR Verres 14
Résonance de plasmon de surface
due aux nanoparticules d’argent
Théorie de Mie: R = 10 nm
Recuit thermique420°C, 20 min
Agmx+ Agn
Image latenteImage contrastée
Post-traitement : Nucléation de nanoparticules d’argent
GDR Verres 15
Post-traitement : Adaptation résonnance plasmon
Min GU, 5 dimensional optical storage using gold nanorods mediated by surface plasmons
17GDR Verres
La recette pour une structuration physicochimique
Optimiser le matériau vis-à-vis de l’interaction non-linéaire. optimiser le coût énergétiqueMaîtrise de la densité de photo-électrons générés Dopage avec des donneurs d ’électrons Ce3+
Dopage avec des éléments photosensibles: Ag+, Cu+ ,Au+
Maîtriser la température pendant l’irradiation maîtriser les processus de diffusion
Utilisation d’un post traitement pour contrôler les modifications des propriétés optiques.Contrôle des cycles thermiques de recuitOptimisation de la matrice pour le contrôle de la diffusivité et des phases
GDR Verres 18