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 : Nucléation nanocrystalite

GDR Verres 16

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