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Le stockage de données 5D est une forme de stockage de données optiques comme les CD et DVD. La différence est que les données sont encodées non seulement dans tout le volume d’un matériel (3D), mais aussi en utilisant deux propriétés de l’optique (5D) qui permettent d’encoder plusieurs données (bit) dans un même espace mémoire. Ceci nous permet d’obtenir un disque de données avec une capacité de 360 TB. Avec le bon matériel, nous pouvons obtenir une résistance thermique allant jusqu’à 1 000°C et une espérance de vie de l’ordre de 13 milliards d’années.

Écrire à l’échelle nanométrique en 3D

Cet article concerne la lithographie à faisceau optique, qui est l’une des différentes méthodes possible à utiliser dans le domaine du stockage de données optiques. Normalement, la lithographie à simple faisceau optique est limitée par la nature de la lumière et sa longueur d’onde. Cette nouvelle technique utilise deux faisceaux optiques pour repousser les limites de la diffraction et écrire dans un matériel en 3D. D’autres méthodes existent pour dépasser les limites de la diffraction, mais aucunes ne permettent d’enregistrer des données dans le volume d’un matériel. Cette méthode se nomme SPIN « super-resolution photoinduction-inhibition nanolithography ». Avec cette technique, on peut réduire le faisceau optique jusqu’à 9 nm.

Pour simplifier, le SPIN c’est quand on utilise deux faisceaux pour enregistrer des données. La loi de la diffraction s’applique toujours pour chaque faisceau de façon individuelle. Pour permettre que chaque faisceau endosse une fonction différente, on doit les mettre sur des fréquences différentes. La photo induction est produite par un des deux faisceaux. Ce faisceau est responsable de l’écriture de données et utilise un faisceau gaussien. L’autre faisceau doit faire l’inhibition de la photo induction dans toute la zone affectée par le faisceau, sauf en son centre. Cela est accomplie en utilisant un faisceau en forme de beigne, donc aucune lumière en son centre, avec une distribution d’intensité modulée spatialement. Les deux faisceaux arrivent à la zone affectée avec des angles différents. C’est le point de rencontre des deux faisceaux qui produit l’écriture dans le matériel ce qui n’est pas limitée à un plan, mais à tout le volume du matériel. Quand les deux faisceaux se chevauchent spatialement, la limite de la diffraction est repoussée puisque le deuxième faisceau annule la diffraction du premier faisceau, ce qui permet d’atteindre les limites de l’échelle nanométrique.

Augmenter la limite de stockage d’informations grâce au multiplexage

Normalement, dans un seul espace mémoire ou voxel, seulement 1 bit de données peut être enregistré. Cependant, il est possible d’entreposer plus qu’un bit de données en utilisant une technique de multiplexage. Le résultat sera que la capacité totale de stockage de données va être augmentée ainsi que la vitesse de lecture puisqu’il contient plusieurs bits de données dans un voxel. Pour permettre le multiplexage, il est essentiel que le matériel utilisé soit non seulement sensible à l’intensité de la lumière, mais aussi à d’autres propriétés de la lumière. Différentes propriétés de la lumière ont été étudiées pour réussir le multiplexage comme la polarisation, la longueur d’onde et la fluorescence qui ajouteraient une ou plusieurs dimensions au stockage d’informations 3D. Divers matériaux ont aussi été testés pour le stockage de données de multi-dimensions comme du verre avec des nanoparticules d’argent ou d’or ainsi que du matériel transparent. Récemment, l’écriture de multiplexage par polarisation a été démontré en utilisant un laser femtoseconde qui produit des rainures nanométriques dans un verre de quartz ou verre de silice. Cet article se concentre sur le verre de quartz ou de silice.

L’alignement des rainures nanométriques produit un effet anisotrope, ce qui donne de la biréfringence du même ordre de grandeur que le cristal de quartz qui a une biréfringence positive. En utilisant deux paramètres de la biréfringence, il est possible de pouvoir encoder plusieurs données au même endroit. C’est l’orientation de l’axe lent qui devient la quatrième dimension et la valeur de biréfringence qui devient la cinquième dimension. L’orientation de l’axe lent est contrôlée par la polarisation du faisceau responsable de l’écriture. La valeur de biréfringence est contrôlée par l’intensité du même faisceau. Les deux paramètres sont contrôlés indépendamment. Une étude a été réalisée pour démontrer qu’on peut écrire plusieurs données dans le même voxel. Un texte a été enregistré sur deux différentes valeurs de biréfringence (1 bit) et quatre différentes orientations de l’axe lent (2 bits), ce qui a pour effet que chaque voxel contient 3 bits de données.

Processus d’écriture et de lecture de données

En utilisant un modulateur spatial de lumière, la distribution de l’intensité du laser d’écriture sur la zone ciblée est modulée, ce qui a pour effet de diviser le laser en plusieurs faisceaux. Après, les faisceaux passent à travers une lame à retard pour permettre une liberté de contrôle de mouvement de la polarisation. La lame à retard est placée entre deux lentilles convergentes pour concentrer les faisceaux sur la lame à retard. Pour terminer, le laser est concentré avec un microscope immergé sous l’eau. La polarisation est contrôlée par la lame à retard. La lecture des données est effectuée avec un laser sous un microscope. Les données peuvent aussi être lues avec le processus de l’absorption à deux photons.

Réécriture et suppression de données

Le stockage de données 5D dans du verre de silice peut aussi effacer et réécrire des données, ce qui est un important facteur pour du stockage d’informations. Des rainures nanométriques dans un voxel peuvent être réécrient en modifiant l’angle de polarisation du laser femtoseconde de 45° par rapport à l’angle d’alignement des rainures originales. Alors, les rainures originales sont complètement effacées pour être remplacées par de nouvelles rainures à 45° par rapport aux originales. Ce changement est effectué dans tout le volume du voxel. Le processus derrière est que la chaleur du laser femtoseconde chauffe le verre de silice pendant un court instant. La silice solide se transforme alors en flux viscoélastique qui efface les vieilles rainures. En même temps, grâce au champ électrique du rayon laser de nouvelles rainures émergent. Il a été démontré que le processus peut être répété au moins 1 000 fois avec peu de dégradation dans leur qualité. Pour effacer un voxel sans réécrire, il suffit d’arrêter le processus à mi-chemin, juste avant que les nouvelles rainures soit complètement formées et que les vieilles soit effacées.

Durabilité du verre de silice

Le verre de silice est un candidat idéal pour le stockage d’informations optiques 5D, grâce non seulement à de grandes résistances aux hautes températures et aux chocs thermiques, mais aussi résistance à l’eau, l’humidité et aux radiations. Une étude récente a démontré que la technique de stockage de données optiques 5D en utilisant le verre de silice a une espérance de vie de 300 millions d’années. L’étude est basée sur une mémoire optique qui a une capacité d’un disque blu-ray. En plus, le stockage de verre de silice va pouvoir être personnalisable, car on peut dessiner des images, lettres ou œuvres sur le verre de silice.

Espérance de vie du stockage de verre de silice

Malgré le fait que le verre de silice a un point de fusion très élevé (1 710°C) et possède une transition vitreuse à 1 200°C, l’information encodée dans le verre de silice subit des altérations significatives à partir de 800°C. Cette information a été obtenue en expérimentant avec des températures de recuit pendant 2 heures. Cette expérience a aussi démontré qu’il n’y a aucune altération du stockage de verre de silice jusqu’à 500°C. Même si le stockage de données dans du verre de silice subit des changements significatifs à partir de 800°C, la région de biréfringence est encore lisible et ce même à 1 000°C. C’est dû au fait que même si la valeur de biréfringence change, la différence entre les deux indices de réfraction (valeur de biréfringence) reste presque la même.

Les informations encodées sont des rainures à l’échelle nanométrique produites par un laser femtoseconde. Ensuite, chacun des plans nanométriques de rainures sont espacés d’environ 300 nm. Ces plans ont un indice de biréfringence réduit à cause de la porosité du matériel à ces endroits. La création de la porosité, qui consiste en la présence d’oxygène à l’intérieur d’espace vide à l’échelle nanométrique peut être expliquée par le phénomène suivant; la radiation du laser femtoseconde produit une décomposition rapide du verre de silice qui crée du plasma, ce qui engendre des excitons auto piégés. Ces excitons empêchent la recombinaison de la silice avec l’oxygène, alors les molécules d’oxygènes se recombinent entre elles pour créer de l’oxygène. Ces espaces vides pourraient s’effondrer avec le temps, faisant disparaître la biréfringence de cette région. Les expériences de recuit ont démontré que ce phénomène ne peut arriver qu’après au moins deux heures à 1 000°C.

Cependant pour connaître la durée de vie à température pièce, il faut utiliser des mesures de vieillissement accéléré. Ces calculs seront réalisés grâce à la loi d’Arrhenius. Les résultats ont démontré que la période de désintégration des rainures nanométriques est de 3 x 1020 années à température pièce (30°C) et 13.8 milliards d’années à 189°C. Par contre, les calculs avec la loi d'Arrhenius ne tiennent pas compte du changement de température durant cette période.