Fonctionnement d'un ordinateur/Les disques optiques

Les mémoires vues précédemment étaient des mémoires fabriquées à base de semi-conducteurs ou de matériaux magnétiques. Les mémoires à semi-conducteurs sont généralement des mémoires assez rapides, peu d'entre elles servant de mémoires de masse. À l'inverse, les mémoires magnétiques sont systématiquement des mémoires de masse. Mais il existe un second type de mémoires de masse, basées sur des supports dits optiques. Les CD-ROM, DVD et autres Blue-Ray font partie de cette catégorie. Nous allons les étudier dans ce chapitre.

Le support de mémorisation

Couches d'un disque optique. La couche A est la couche de polycarbonate, la seconde est la couche réfléchissante, la troisième est la couche de vernis, et la quatrième la couche d'illustration.

Un disque optique est composé d'un plateau circulaire, composé de plastique (du polycarbonate), qui fait environ 1,2 millimètre d’épaisseur. Ce plateau est recouverte d’une fine couche d’aluminium réfléchissant, qui lui donne son aspect luisant, iridescent. C'est cette couche qui sert de support de stockage proprement dit. Enfin, le tout est recouvert d'une couche de vernis, afin de prévenir le CD de l'oxydation. Parfois, une quatrième couche est ajoutée, afin de placer un dessin sur le disque optique (pensez à vos CD musicaux).

Vu du dessous un disque optique est composé de plusieurs parties. La partie centrale est une portion plastique transparente qui ne contient pas de données. Elle sert juste à s'accrocher au lecteur de CD/DVD. La portion réfléchissante est celle qui contient les données proprement dite. Elle est aussi appelée la portion programmée. Elle est encerclée par deux bande circulaires en plastique, qui contiennent des données spécifiques : des informations sur le support pour la bande intérieure, et des données spéciales pour la bande extérieure (du silence pour un CD audio). Les tailles de chaque bande, de la portion programmée et de la partie centrale sont standardisées.

Illustration des différentes portions d'un CD-ROM.

Pistes, sillons et bits

Le disque est organisé en pistes circulaires, chaque piste comprenant un grand nombre de bits consécutifs. Ces pistes sont délimitées par des sillons, qui permettent à la tête de lecture de se positionner sur une piste.

Surface d'un disque optique (ici, un DVD), vierge de toute donnée. On voit que les pistes sont séparées par des sillons relativement profonds.

Comparaison de la taille des creux entre CD et DVD.

L'écriture des données va créer des irrégularités à la surface du disque plastique. Précisément, les bits sont stockés sous la forme de creux sur la surface du disque. Suivant le support, le codage des bits peut être relativement différent. Les anciens disques optiques utilisaient un codage simple : un creux code un 1, tandis qu'une absence de creux code un zéro. Mais sur les disques récents, c'est la transition d'un creux vers une bosse qui code un 1, l'absence de transition codant un zéro. Ces creux sont creusés dans la surface réfléchissantes : ils n'atteignent pas le disque de polycarbonate. Ils sont placés les uns à côté des autres, d'une manière similaire à celle utilisée sur les disques durs, sur une même piste.

La taille des creux varie suivant que l'on a affaire à un CD-ROM, un DVD-ROM, un Blue-Ray, ou tout autre type de disque optique. Plus ces creux sont petits, plus on peut en mettre à surface équivalente. Cela permet donc de coder plus de données pour une surface égale. Le passage du CD au DVD, puis au BR s'est accompagné d'une réduction de la taille des creux, ce qui s'est traduit par une augmentation de la capacité mémoire des disques optiques.

Le lecteur de disques optiques

Lentille d'un lecteur CD.

La méthode de lecture des disques optiques est relativement similaire à celle utilisée sur les disques durs. Le disque optique est balayé par une tête de lecture, qui parcours les pistes du disque optique. Lorsqu'on place le disque optique dans son lecteur, celui-ci entre en rotation sous l'influence d'un moteur. En tournant, le disque optique va être balayé par la tête de lecture, qui lira les bits d'une piste les uns après les autres.

Comme pour les disques durs, la tête de lecture est placée au bout d'un bras de lecture, qui lui permet de passer d'une piste à l'autre.

Le disque optique contient un détrompeur, qui lui permet de s'insérer dans les sillons qui délimitent les pistes, ainsi que de quoi lire le contenu de la piste.

Tête de lecture optique.

Le servomoteur

Le disque optique est entraîné par un moteur, qui le fait tourner à une vitesse bien précise. Selon le lecteur, la vitesse de rotation peut varier : certains vont plus vite que d'autres. Les premiers lecteurs utilisaient une vitesse de rotation qui permettait d'obtenir un débit de 150 Ko/s, débit qui est devenu une sorte de norme à laquelle il est encore fait référence aujourd'hui. De nos jours, les lecteurs ont un débit qui est un multiple de débit de 150 Ko/s : on parle ainsi de lecteur 4x pour un lecteur qui a un débit de 4 fois 150 Ko/s. De nos jours, les lecteurs les plus rapides font jusqu’à 48 fois cette valeur, ce qui donne du 7200 Ko/S.

La tête de lecture

La tête de lecture contient un laser, qui émet de la lumière en direction de la surface du disque optique. La lumière émise est réfléchie par le disque, sa fraction reflétée étant alors captée par un capteur intégré à la tête de lecture. Ce capteur est une cellule photoélectrique, un composant électronique qui transforme la présence ou absence de lumière en signal électrique. Suivant la présence d'un creux ou d'une bosse, la lumière ne sera pas réfléchie de la même manière. L’électronique du lecteur peut alors détecter la présence d'un creux ou d'une bosse selon la qualité de la lumière réfléchie.

Précisons que le capteur de lumière et le laser ne sont pas placés l'un à côté de l'autre, par manque de place. Si on plaçait le laser et le capteur l'un à côté de l'autre, il y aurait un décalage assez problématique à gérer. La lumière devrait être émise avec un angle pour rebondir en direction du capteur. Pour éviter ce genre de problème, les lecteurs actuels utilisent une ruse basée sur l'optique élémentaire. L'idée est d'utiliser un prisme droit, qui laisse passer la lumière tout droit lors du trajet aller, mais qui dévie la lumière lors du retour.

Pour résumer, voici comment se déroule la lecture d'un bit sur un disque optique. La lumière est émise par le laser, traverse le prisme en ligne droite, avant d'être concentrée par diverses lentilles, histoire d'obtenir un fin faisceau de lumière qui frappera le disque en un point. La lumière frappe la surface réfléchissante et est renvoyée vers la tête de lecture. Mais elle est alors déviée par le prisme, en direction du capteur de luminosité.

Fonctionnement d'une tête de lecture de lecteur CD-DVD-BR.

Lorsque la lumière est réfléchie par le disque, elle va interférer avec la lumière émise par le laser, causant ou non des interférences et de la diffraction. Lors du passage d'un creux à un plat (ou l'inverse), la lumière réfléchie sera minime. Par contre, la lumière réfléchie par une surface plane (hors creux ou bosse) sera maximale. On peut ainsi détecter le passage d'un creux à un plat en regardant l'intensité de la lumière émise. Vu que les creux n'ont pas la même taille entre un CD, un DVD ou un Blu-ray la lumière utilisée n'a pas la même longueur d'onde. Les CD-ROM sont lues avec une lumière grise, dont la taille est de 780 nm. Les DVD utilisent une longueur d'onde plus courte, de 650 nm, qui a une couleur rouge. Les Blu-ray utilisent quand à eux une lumière de 405 nm, tout comme les HD-DVD.

Comparaison CD, DVD, BD.

Voir aussi

Pour ceux qui veulent aller plus loin, je conseille vivement la lecture des liens suivants :

• La technique du lecteur CD, la prise de son et le codage numérique
• La technique du lecteur CD, l’organisation des données sur le disque
• La technique du lecteur CD, les servo-systèmes (systèmes asservis)
• La technique du lecteur CD, l’effacement d’erreurs