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Cinq cents heures de films sur le DVD du futur

  • Posté le : Lundi 20 Novembre 2006
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  • par : C. Duval
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  • Expert : G. Pauliat
  • Actualisé le : Lundi 2 Novembre 2009
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Des capacités de stockage prodigieuses, reléguant nos DVD au rang de simples disquettes : voilà ce que promet la mémoire holographique, un nouveau procédé grâce auquel les informations ne sont plus gravées à la surface d’un disque, mais en profondeur. Des chercheurs de l’Institut d’Optique travaillent sur cette technologie, qui s’annonce déjà comme une révolution.

Disque holographique et rayons laserCe disque holographique est légèrement plus grand qu'un DVD ou un CD standard. Les deux faisceaux de lumière sont issus d’un laser ; ils permettent de graver des données sur le disque holographique. Cette photo montre les composants principaux, mais n'est pas une représentation réelle de la façon dont le dispositif fonctionne.
© InPhase Technologies

  Qui n’a jamais contemplé d’hologrammes, ces bizarreries optiques irisées, donnant l’illusion d’une image flottante en relief ? Gilles Pauliat, pour sa part, en observe tous les jours. Il en fabrique même. Pour s’amuser ? Pas exactement. Au sein de l’Institut d’Optique à Palaiseau, il travaille avec son équipe sur la mise au point de mémoires holographiques, une technologie capable de stocker les informations en trois dimensions, et non plus en deux comme sur un DVD classique. Ainsi, au lieu de se limiter à la surface, ce procédé permet d’enregistrer les données numériques dans l’épaisseur du support, sous la forme d’une pile d’hologrammes. L’accès au volume du matériau permettrait d’atteindre des capacités de stockage tout simplement hallucinantes. À terme, l’équivalent de trois cents DVD, soit 500 heures de films, pourrait être contenu sur un disque au diamètre courant de 12 cm. Une véritable prouesse technologique qui devrait prochainement devenir réalité.

La société InPhase Technologies, aux États-Unis, a ainsi développé un lecteur/enregistreur de disques holographiques de 300 GOctets. Ce lecteur a été présenté en fonctionnement lors de différents salons. Néanmoins, sa commercialisation initialement annoncée pour 2006 a été repoussée à différentes reprises et est maintenant prévue pour la fin 2009. Elle ambitionne ainsi de répondre à l’explosion attendue des besoins liés au stockage de données. Un immense marché en perspective. Déjà, la plupart des films en provenance d’Hollywood emploient des effets ou des personnages générés par ordinateur, ce qui nécessite des ressources colossales en terme de mémoire. De même, hôpitaux, bibliothèques, universités et banques, collectent des quantités croissantes d’informations. Une forte demande à laquelle les supports actuels, parvenus au bout de leurs capacités, ne seront bientôt plus en mesure de répondre. En première ligne pour leur succéder, les disques holographiques risquent de faire parler d’eux.

01.De l'hologramme… à la mémoire en 3D

Exemple d’hologramme - Sabre de NapoléonUn hologramme est une représentation multidimensionnelle d'un objet, obtenu par l'interaction de deux faisceaux laser.
© Musée de l'Holographie
  Des données stockées sous la forme d’hologrammes ? Voilà une idée qui peut paraître novatrice. Elle résulte pourtant d’une succession d’avancées technologiques dont la première remonte à 1948. Car c’est en cherchant à améliorer le pouvoir de résolution de microscopes électroniques qu’un physicien hongrois, du nom de Denis Gabor, réalise par hasard le premier hologramme.

Le principe de l’hologramme est de restituer l’image d’un objet en trois dimensions. Comment ? Grâce à un système d’interférence de deux faisceaux lumineux issus d’une même source. Explications : pour obtenir un hologramme, les étapes à suivre sont les suivantes (voir schéma) : la lumière d’un laser traverse un miroir où elle se scinde en deux faisceaux. Le premier faisceau (R), nommé "faisceau de référence", est dirigé directement vers une plaque photosensible. Le second faisceau (D) est d’abord dévié vers l’objet à holographier, par exemple une pomme, avant de frapper la plaque photosensible. La rencontre des deux faisceaux forme sur la plaque ce qu’on appelle un "système d’interférence". Il faut savoir que la lumière se propage comme une onde, à l’image d’une vague engendrée par un caillou jeté dans l’eau. Or que se passe-t-il lorsque deux ondes lumineuses, celle issue de la source et celle issue de l’objet, se rencontrent ? Eh bien, imaginons que l’on crée, en lançant deux cailloux dans l'eau, deux systèmes d'ondes en forme de cercles concentriques. À certains endroits, les vagues se renforcent, à d’autres, elles s’annulent. C’est ce que l’on appelle un phénomène d’interférence. Dans l’expérience de Denis Gabor, la figure d’interférence se manifeste par l’impression sur la plaque photographique de franges sombres, lorsque les vagues s’annulent, et claires, lorsque les vagues se renforcent. L’hologramme est enregistré. C’est en éclairant la plaque avec le faisceau de référence (R) que l’on restitue les ondes lumineuses contenues dans l’objet (faisceau D) et qu’apparaît son hologramme.

Mais pourquoi voit-on cette image en relief ? Contrairement à une photographie où seule l'intensité lumineuse est imprimée, l'hologramme enregistre également la "phase", qui résulte de la superposition des deux ondes. La phase traduit en effet le fait que la lumière déviée par l’objet arrive de plus ou moins loin, et donc n’atteint pas directement la plaque photographique. Dans l’exemple de la pomme, la lumière qui provient du haut de la pomme arrive après la lumière qui vient de la face. C’est ce décalage temporel qui permet de restituer la profondeur de l’objet.

Principe de l’enregistrement holographiqueLa lumière d’un laser traverse un miroir au niveau duquel elle se scinde en deux faisceaux. Le premier faisceau (R), nommé "faisceau de référence". Le second faisceau (D) est d’abord dévié vers l’objet à holographier (pomme), avant de frapper la plaque photosensible. La rencontre des deux faisceaux forme sur la plaque ce qu’on appelle un "système d’interférence". L’hologramme est enregistré.
© B.Turquier/Conseil général de l’Essonne

Il faudra toutefois attendre l’arrivée du laser, en 1961, pour que l’holographie puisse véritablement prendre son essor. Car les ondes lumineuses issues de deux objets n’interfèrent que dans certaines conditions. Elles doivent notamment provenir d’une lumière dite "cohérente", c’est-à-dire ordonnée dans le temps et dans l’espace. Or, c’est le laser qui satisfait le mieux à ces exigences. Contrairement à Denis Gabor, les chercheurs américains Leith et Upatnieks, ainsi que le Russe Yuri Denisyuk, obtiennent ainsi des images très claires et d'une grande profondeur. À la frontière entre art et technique, ces dernières révèlent peu à peu leurs propriétés étonnantes. Ainsi, l'ensemble des informations de l’objet sont enregistrées sur chaque fragment du support. Même si l'on brise une plaque holographique, chaque morceau peut être utilisé pour visualiser l’image entière ! Et en fonction de l’angle sous lequel on observe un hologramme, des détails différents apparaissent, comme si l’on tournait autour de l’objet.

Dès lors, le mot hologramme, du grec holos, qui veut dire "entier" et gramma, qui signifie "message", prend tout son sens. Les scientifiques se mettent à rêver d’un système de stockage de données en trois dimensions, qu’ils nomment mémoire holographique. Mais celle-ci ne se développe pas du jour au lendemain. Les chercheurs doivent faire face à un obstacle de taille : l’absence de matériaux photosensibles, associant stabilité et résistance, de façon à ce que l’hologramme ne soit pas altéré au cours du temps. Avec l’arrivée de photopolymères performants au cours des années quatre-vingt-dix, une étape décisive est franchie. Affichant de très bonnes performances, sans être parfaits, ils deviennent très vite le support de référence. Aujourd’hui, ils se trouvent au cœur des disques à mémoire holographique, dont la capacité de stockage est tout simplement incroyable.

02.Au cœur du disque holographique

Exemple de disque holographiqueSur un HVD (Holographic Versatile Disc, disque holographique polyvalent) on peut stocker l’équivalent de trois cents DVD (Digital Versatile Disc, disque numérique polyvalent), soit 500 heures de film.
© InPhase Technologies
Ne vous fiez pas à son apparence. Malgré la ressemblance, le disque holographique n’a rien à voir avec ses prédécesseurs optiques que sont le CD, le DVD ou le Blu-ray. Afin de comprendre pourquoi il faut savoir que, sur ces derniers, les informations sont gravées à la surface du disque, sous la forme de creux et de bosses qui symbolisent les données binaires 0 et 1. Le relief est ensuite lu par un laser pour déchiffrer le message, et produire du son ou de la vidéo par exemple. Mais dans ce cas il n’est pas possible d’utiliser l’épaisseur du disque pour graver un nombre infini de données (les chercheurs ont essayé, et limité leurs travaux à des disques comportant 16 couches).

L’enregistrement holographique, pour sa part, repose sur un procédé complètement différent, qui permet justement d’empiler les données dans l’épaisseur du disque. "Au lieu d'enregistrer les informations binaires les unes à la suite des autres, l’enregistrement holographique consiste à transformer des pages de données en hologrammes puis à empiler ces hologrammes dans un disque, résume Gilles Pauliat, directeur de recherche au CNRS à l'Institut d'Optique de Palaiseau, et spécialiste des mémoires holographiques. Tout l'intérêt de ce type de stockage réside dans la possibilité d'exploiter l'épaisseur du support, afin de pouvoir enregistrer plus d'informations que sur les disques actuels", indique-t-il. Beaucoup plus même, puisque leur capacité pourrait dépasser 1 téraoctet (mille milliards d’octets), l'équivalent de plus de trois cents DVD.

Devant de telles performances, plusieurs sociétés ont décidé de lancer leurs propres disques holographiques, comme l’américain Inphase, ou le japonais Optware, ce dernier étant à l’origine du standard HVD (Holographic Versatile Disc, disque holographique polyvalent). "Malgré certaines différences, toutes utilisent un procédé relativement similaire de fabrication", indique Gilles Pauliat. Le principe est le même que pour la réalisation d’un hologramme (voir partie 1). Sauf qu’ici on ne cherche pas à représenter en 3D un objet mais des données. Ces données traversent donc d’abord un module chargé de les convertir en pages de pixels noirs et blancs. Il reste à holographier ces pages, qui se présentent comme des damiers (noir et blanc), de façon classique, avec les deux faisceaux laser qui se rencontrent pour fabriquer un motif d’interférence : l’hologramme est gravé. On peut en empiler des centaines : il suffira ensuite d’illuminer l’hologramme à l’aide du faisceau de référence pour récupérer le faisceau de données et en extraire (grâce à un capteur optique) les informations codées lors de la gravure.

Malgré la complexité du système, une vitesse de lecture des données de plus de 1Go/s a été démontrée en laboratoire, contre 5 à 10 Mo/s pour les actuels DVD. Le lecteur proposé par la société InPhase reste néanmoins limité à un débit de 20 Mo/s.

De son côté, Gilles Pauliat s’intéresse plus particulièrement à un procédé photographique développé par Gabriel Lippmann, il y a plus de 100 ans, pour produire des photographies couleurs sur des plaques noir et blanc. Ce procédé ancestral, combiné au développement des sources laser multi-couleurs et aux nouveaux photopolymères, devrait permettre d’atteindre des capacités de stockage similaires à celles qui sont atteignables avec les autres techniques holographiques. Le procédé Lippmann possède l’avantage de pouvoir s’adapter facilement à la réplication en masse des mêmes données sur toute une série de disques à partir d’un unique disque "maître".

03.Des mémoires destinées aux "gros stockeurs"

  Offrant une capacité de stockage de l’ordre de 50 Go, la technologie Blu-Ray* a déjà été adoptée par les studios de cinéma pour remplacer le DVD. Mais l’apparition d’un troisième acteur ne risque-t-elle pas de bouleverser la donne ? Difficile à dire, car au-delà des performances annoncées, des obstacles demeurent pour le disque holographique. Du côté de sa résistance notamment. "Sous l’effet de la chaleur et de la lumière, les photopolymères ont tendance à se dégrader, confie Patrick Meyrueis, directeur du Laboratoire des Systèmes Photoniques (LSP) de l’université Louis Pasteur à Strasbourg. Pour ces raisons, une couche isolante a été intégrée au dispositif, mais sera-t-elle suffisante pour préserver l’intégrité des données avec le temps ? J’attends de voir."


  Déjà, l’américain InPhaseDisque Blu-RayLa technologie Blu-Ray offre une capacité de stockage telle qu'elle pourrait remplacer le DVD.
© www.neomediata.com
semble avoir surmonté ces obstacles, et annonce la sortie des premiers modèles fin 2009
. Ces disques holographiques de première génération seront capables d'enregistrer 300 Go de données. Mais leur prix, selon InPhase, devrait approcher 110 euros pièces, alors que les premiers appareils de lecture seraient vendus 12 000 euros environ. Le problème du renouvellement de ce matériel risque de se poser dans ces conditions de façon primordiale ! Avec de tels tarifs, les industriels visent donc en priorité le marché professionnel. "Les hôpitaux qui utilisent de plus en plus l’imagerie médicale, les banques ou les bibliothèques qui ne cessent d’archiver d’énormes quantités d’informations, ou ceux qui ont recours à la modélisation, comptent parmi les grands consommateurs potentiels, estime Philippe Tailhades, de l’Institut National Polytechnique (INP) de Toulouse. "Avec le disque holographique, la mise en place de bases de données universelles, consultables en temps réel par l’ensemble des internautes, devient envisageable", ajoute Patrick Meyrueis.

Alors à quand le disque holographique grand public ? Chez les particuliers, l’accès à la mémoire holographique risque de rencontrer certaines difficultés, ne serait-ce qu’à cause de son coût. En outre, les disques ne sont pas, pour l'instant, réinscriptibles. Avec des prix qui tournent autour des 10 euros, les Blu-Ray devraient donc être tranquilles, du moins à court terme. Mais les industriels engagés dans la course holographique espèrent bien profiter du haut-débit, qui devrait amener de larges masses de données au sein des foyers. "Il est vrai que d'ici 2007, l'introduction de la vidéo haute définition entraînera une hausse des besoins de stockage, indique Philippe Tailhades. À mesure que la qualité des supports évolue, les industriels créent ce besoin en réalité, et la mémoire holographique s’inscrit dans cette dynamique."

Un point de vue partagé par Patrick Meyrueis. "Finalement, plus que la technologie, c’est l’approche marketing qui fera le succès de ces nouveaux supports, assure-t-il. Nous ne sommes pas encore habitués aux sauts technologiques, qui se feront de plus en plus fréquents. Aussi, les fabricants de disques holographiques devront faire évoluer les mentalités, et montrer l’intérêt pour tout un chacun de stocker d’aussi grandes quantités de données. Car qui éprouverait le besoin de se balader avec 500 heures de films sur lui à l’heure actuelle ?" Pour le moment, peu de personnes sans doute. Et qui aurait parié sur des baladeurs permettant de stocker des milliers de chansons, il y a seulement une dizaine d’années ?


* Elle est basée sur un rayon laser bleu (d'où le nom en anglais Blue Ray, contracté en Blu-Ray), contrairement au laser rouge utilisé pour les CD et les DVD.

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