引言
“您的存儲空間不足，請在‘設置’中管理存儲空間”“電腦硬盤空間已滿，請及時清理”……這些空間焦慮的背后，是人們與日俱增的數(shù)據(jù)存儲需求。據(jù)美國IT研究公司IDC預測，全球數(shù)據(jù)總量將在2020年達到44 Zb（澤字節(jié),1 ZB= 10億TB），2025年增長到163 Zb。以1TB容量的移動硬盤存儲這些數(shù)據(jù)，需要至少1750億個。這不僅成本高昂，而且數(shù)據(jù)存儲壽命短。因此，開發(fā)綠色安全的存儲技術已成為緊迫需求。
近日，中國科學院上海光學精密機械研究所（以下簡稱“上海光機所”）與上海理工大學等科研單位合作，研究團隊利用國際首創(chuàng)的雙光束調控聚集誘導發(fā)光超分辨光存儲技術，實驗上首次在信息寫入和讀出均突破了衍射極限的限制，實現(xiàn)了點尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數(shù)據(jù)存儲，并完成了100層的多層記錄，單盤等效容量達Pb量級。這對于我國在信息存儲領域突破關鍵核心技術、實現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。相關研究成果于2月22日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志“Pb容量三維納米光子存儲”(A 3D nanoscale optical disk memory with petabit capacity)。
人類社會信息記錄的歷史演變。 AD：公元后；BC：公元前，HDD;硬盤驅動器。[1] 從歷史上看，人類文明發(fā)展至今離不開信息的記錄。正如上圖所展示的，人類從最初的圖畫、雕塑和書寫，演進到當今的數(shù)字化信息保存方式，其存儲能力經(jīng)歷了爆炸式的增長。數(shù)字化技術的發(fā)展，無疑極大地推動了經(jīng)濟與社會的進步，因此，存儲來自各個領域的信息，包括教育、娛樂、衛(wèi)生、商業(yè)等，已經(jīng)成為信息時代人類眾多活動中不可或缺的一部分。 隨著人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、社交媒體以及云計算技術的飛速發(fā)展，數(shù)字數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)出了前所未有的指數(shù)級增長。這一趨勢迫切要求我們大規(guī)模增加數(shù)據(jù)存儲能力。然而，傳統(tǒng)的存儲介質，如磁性硬盤和固態(tài)硬盤（SSD），正逐漸達到其存儲密度的極限，迫使我們必須探索新的、能夠長期保存數(shù)據(jù)的解決方案。在這種對更大存儲容量和更快數(shù)據(jù)訪問速度的需求推動下，催生了各種超高密度光存儲技術的解決方案。 高密度光學數(shù)據(jù)存儲技術原理 高密度光存儲技術是一種利用光學原理來存儲和檢索大量數(shù)據(jù)的技術。它通過激光與介質的相互作用使介質發(fā)生物理、化學變化來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的編碼、存儲和讀取，以實現(xiàn)高密度、高速度和高穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)存儲。 其基本物理原理是：存儲介質受到激光照射后，介質的某種性質(如反射率、反射光極化方向等)發(fā)生改變，介質性質的不同狀態(tài)映射為不同的存儲數(shù)據(jù)，存儲數(shù)據(jù)的讀出則通過識別存儲單元性質的變化來實現(xiàn)。所有基于光盤的光存儲都基于相同的技術原理：聚焦光束人射到光盤上，如果光盤上已經(jīng)存在記錄信息，反射光的特征，例如，光強、光的相位或者光的偏振狀態(tài)將發(fā)生某種變化，通過電子系統(tǒng)處理可以再現(xiàn)原始記錄的數(shù)據(jù)信息，這就是光盤的基本讀出過程。具體來說，就是讀取信息時，激光掃描介質，在凹坑處由于反射光與入射光相互抵消入射光不返回，而在未燒蝕的無凹坑處，入射光大部分返回。這樣，根據(jù)光束反射能力的不同，就可以把存儲介質上的二進制信息讀出，然后再將這些二進制代碼轉換成為原來的信息。 圖 1.藍光光學數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)通常向后兼容光盤 （CD） 和數(shù)字視頻光盤 （DVD） 系統(tǒng)，因為它們不僅包含 405 nm 藍色激光器，還包含 780 nm （CD） 和 650 nm （DVD） 激光器，如索尼堆疊芯片配置的 SEM 照片所示。各種波長的發(fā)射發(fā)生在標記的芯片刻面上。[2] 傳統(tǒng)光存儲中，絕大部分商品化光盤存儲系統(tǒng)中所用的記錄介質的記錄機理都是熱致效應。利用從激光束吸收的能量，作為高度集中的、強大的熱源，促使介質局部熔化或蒸發(fā)，通常稱為燒蝕記錄。對于特定的高密度存儲用途，可以選擇不同的機制：雙光子異構化(TPI)和激光誘導表面變形。TPI可以產(chǎn)生巨大的雙折射，實現(xiàn)高信噪比(>20d B)的多維可逆存儲。隨著記錄能量的增加，表面發(fā)生偏振相關的形變，這不僅有利于多級存儲，而且提高了讀出信號和存儲穩(wěn)定性。光致表面形變當記錄劑量(曝光時間或記錄功率)增加到臨界閾值以上時，材料表面將形成偏振相關的形變[23，24]。與其他激光類型的熱燒蝕不同，飛秒激光引起的表面變形一般歸因于電場力驅動的聚合物分子的大規(guī)模遷移。[3] 與傳統(tǒng)磁存儲的對比 了解光存儲相對于磁存儲方法的優(yōu)勢，需要從原理上理解它們的根本區(qū)別，傳統(tǒng)的磁記錄的寫入原理是將隨時間變化的電信號轉換為在線性或者旋轉的鐵磁性材料中的磁化強度和方向的空間變化，傳統(tǒng)的磁記錄讀出原理是將分布于磁性材料中的磁化方向和強度的空間變化，通過線性或者旋轉運動，利用磁電轉化元件，轉換為隨時間變化的電信號。每次處理或翻轉一點信息時，驅動器都會使用磁場通過線圈傳導熱量，從而燃燒大量能量。相反，如果驅動器可以在磁層上使用激光脈沖，則該器件將在較低的電壓下運行，并且位翻轉所需的能量將大大減少。[4] 隨著記錄密度的提高(目前的硬盤記錄密度已經(jīng)能夠達到 30Gb/cm2)，能夠獲得的感生電流的強度和信噪比已經(jīng)過小，造成讀入設備的誤碼率已經(jīng)不能達到要求。計算機和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展使越來越多的信息內容以數(shù)字化的形式記錄、傳輸和存儲，對大容量信息存儲技術的研究也隨之不斷升溫。 與傳統(tǒng)的磁存儲技術（如硬盤驅動器）相比，高密度光存儲技術具有更高的存儲密度和更快的數(shù)據(jù)訪問速度，同時具有更好的數(shù)據(jù)保持性和耐用性。 兩種存儲技術的對比以及光存儲的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著激光技術的不斷成熟，尤其是半導體激光器的成熟應用，使得光存儲從最初的微縮照相發(fā)展成為快捷、方便、容量巨大的存儲技術，各種光存儲技術紛紛產(chǎn)生。與磁介質存儲技術相比，光存儲具有壽命長、非接觸式讀/寫、信息位的價格低等優(yōu)點。從二十世紀六十年代開始一經(jīng)發(fā)展就迅速流行[1]，已普及到國民經(jīng)濟的各行各業(yè)。直到近些 年來，隨著全固態(tài)硬盤(solid state hard drive, SSD)、硬盤(hybrid hard disk, HHD)等存儲技術的快速發(fā)展，其存儲密度、容量不斷增大和成本不斷降低，以及網(wǎng)速的不斷提高、云存儲的普及，經(jīng)歷了數(shù)代進步的光盤市場開始不斷萎縮。 但隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)時代的到來，主流的數(shù)據(jù)保存方法，例如 SSD 存儲存在單位成本高的問題，同樣存儲容量的 SSD 比 HDD 貴得多；而 HDD 雖然單位成本低，適合做大容量存儲，但讀寫速度遠不如 SSD。而且 SSD和 HDD 壽命都只有 3 年~5 年。磁帶庫具有存儲密度高，成本低的優(yōu)點，但每 10 年左右就要進行遷移，需要恒溫恒濕的保存環(huán)境，抵御強電磁場的能力差。在此情況下，面對大數(shù)據(jù)時代長期保存、低能耗、高可靠的存儲要求，光存儲技術又開始受到重視和發(fā)展[2]。 與單個硬盤驅動器單元相比，單個光存儲單元的業(yè)務費用減少的年數(shù)。 上圖顯示了50年來單個單元讀/寫和空閑狀態(tài)的電力消耗比較。在此比較中，單個HDD單元通常用于讀/寫消耗20 W，并且以這種方式用于每年100小時。在空閑狀態(tài)下，每小時功耗為10w。單個ODS單元的讀寫功耗為7w，每年以這種方式使用100小時。成本是根據(jù)假設計算出來的[1] 高密度光學數(shù)據(jù)存儲技術發(fā)展 為了提高存儲密度和數(shù)據(jù)傳輸速率，未來主流光存儲技術發(fā)展的另一個重要目標將是增加在光盤中制造的存儲層的數(shù)量。光存儲正在由長波向短波、低維向高維(即由平面向立體)、遠場向近場、光熱效應向光子效應、逐點存儲向并行存儲發(fā)展。 超分辨光信息存儲技術進展[5] 1. 多層光盤存儲技術：這種技術通過增加光盤的存儲層數(shù)，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲容量的大幅提升。傳統(tǒng)的DVD和藍光技術分別支持單層和雙層存儲，而多層光盤技術可以支持更多的數(shù)據(jù)層，從而顯著增加存儲容量。信息的寫入和讀出通常是通過將一束或多束激光束聚焦到 3D 介質中來實現(xiàn)的。 100層體積納米ODS及數(shù)字模式編解碼演示。[6] 2. 三維光存儲技術：三維光存儲技術通過在多個維度（通常是三個空間維度）上存儲信息，來實現(xiàn)高密度存儲。這種技術可以在同一體積內存儲大量數(shù)據(jù)，比傳統(tǒng)的二維存儲技術（如CD、DVD）的存儲密度要高得多。包括可超越光學衍射極限的雙光子吸收 (two-photon absorption，TPA)三維光存儲，基于遠場超分辨受激發(fā)射損耗(stimulated emission depletion， STED)熒光顯微三維光存儲技術； 寫入過程是通過使用商用可調諧鈦藍寶石振蕩器完成的，該振蕩器通過自制顯微鏡中的高數(shù)值孔徑透鏡聚焦。納米棒有一個閾值溫度，在該溫度下，它們會熔化并重整為更短的棒或球體。這種光熱重塑發(fā)生的程度取決于輸入波長及其相對于入射偏振的對齊。因此，可以從焦點體積中存在的大量桿中選擇單個桿;只有那些具有適當長度和方向的桿才會被轉換為球體，表示與這些參數(shù)相對應的枯竭的局部桿群：數(shù)據(jù)點。 (A) 使用SLM的并行光學記錄方案。 (B) 平面內平行(2D)記錄、體積3D記錄和3D極化組合平行記錄的示意圖。箭頭表示偏振方向。 (C) 作為平面內平行度和物理尺寸的函數(shù)的總吞吐量。 BS，分束器；2D，二維；3D，三維；FS，飛秒；ICCD，增強型電荷耦合器件；SLM，空間光調制器；SS，掃描臺。[1] 3. 全息數(shù)據(jù)存儲技術：全息存儲是一種利用光的干涉和衍射原理，將數(shù)據(jù)以全息圖的形式在介質中存儲和再現(xiàn)的技術。全息存儲不僅可以在兩維平面上存儲數(shù)據(jù)，還可以利用介質的深度，實現(xiàn)高密度存儲。采用三維體存儲模式，其理論存儲密度為1/λ3。由于存儲密度提升了一個維度，因此可以將現(xiàn)有的光存儲密度提升幾個數(shù)量級。一般光學體全息數(shù)據(jù)存儲機理為：待存儲的數(shù)據(jù)(數(shù)字或模擬)經(jīng)空間光調制器(SLM)被調制到信號光上，形成一個二維信息頁，然后與參考光在記錄介質中干涉形成體全息圖從而完成信息的記錄讀出時使用和原來相同的參考光尋址，可以讀出相應地存儲在晶體中的全息圖。利用體全息圖的布拉格選擇性，改變參考光的入射角度或波長，就可在一個單位體積內復用多幅圖像，實現(xiàn)多重存儲，達到超高密度存儲的目的。 全息存儲技術原理圖[7] 4. 超快激光直寫技術實現(xiàn)大容量、超長壽命的多維光學數(shù)據(jù)存儲，特別是微納米結構技術，以其快速、高精度的能量沉積等獨特優(yōu)勢，在透明材料中得到了廣泛的研究。與更長的激光脈沖(大于幾皮秒)相比，飛秒激光脈沖可以在非熱狀態(tài)下在材料內部產(chǎn)生修改而不會造成附帶損害，這表明飛秒激光是極具潛力的3D光學數(shù)據(jù)存儲工具。 通常情況下，數(shù)據(jù)體素中只能存儲一位信息，而多路復用技術可以記錄更多位，從而產(chǎn)生更大的存儲容量和更高的寫入/讀出速度，這是全息數(shù)據(jù)存儲的替代方案。 [11，12]最近，通過幾個參數(shù)，如強度、偏振和波長，實現(xiàn)了額外的維度?；诔旒す鈱懭胧⒉ＡМa(chǎn)生的自組裝納米級(第二類修飾)[17-20]，展示了多路數(shù)字數(shù)據(jù)的記錄和檢索，并利用三維空間和兩個光學維度(慢軸取向和延遲性)實現(xiàn)了多維數(shù)據(jù)存儲。除了多路復用的優(yōu)點外，利用熔融二氧化硅中可重寫的[23-25]納米額定值的多維光學數(shù)據(jù)存儲具有高的化學和熱穩(wěn)定性以及高的光學損傷閾值，在室溫下產(chǎn)生似乎無限的壽命。另外作為一種具有100%讀出精度的多層超低損耗多維數(shù)據(jù)存儲方案。實驗還實現(xiàn)了每體素高達7比特的≈99%的準確率，為實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲提供了可行性方案[8] 5. 多階光存儲技術：傳統(tǒng)的光存儲系統(tǒng)中，二元數(shù)據(jù)序列存儲在記錄介質中，記錄符只有兩種不同的物理狀態(tài)，例如只讀光盤中交替變化的坑岸形貌。如將數(shù)據(jù)流調制成M進制數(shù)據(jù)(M>2)，令調制后的數(shù)據(jù)與記錄介質的M種不同物理狀態(tài)相對應，即可實現(xiàn)M階存儲。如圖所示的坑深調制多階存儲，就是通過改變信息符的深度來實現(xiàn)多值存儲，數(shù)據(jù)流經(jīng)調制轉換成盤基多種不同坑深的變化，即可實現(xiàn)多階坑深存儲。[9] 6. 近場光學存儲技術：傳統(tǒng)光驅使用包含物鏡的光學頭進行寫、讀、擦操作，由于物鏡距盤片記錄層多為幾個毫米，屬于遠場光存儲方式，光無法聚焦成直徑小于半波長的點，存儲密度受到了限制。近場光學存儲采用的是近場光，它是由記錄介質與光源在小于半波長量級 的距離時獲得的隱失光。隱失光為非傳輸光，當距離超過波長量級時迅速衰減到接近于零。近場光學存儲的基本原理就是通過亞波長尺寸的光學頭和亞波長尺寸的距離控制，實現(xiàn)亞波長尺寸的光點記錄。只要將光學存儲介質放在近場光學顯微鏡中，保持光學探針與存儲介質的距離在近場范圍內，則在存儲介質中形成的記錄點尺寸就可能在亞波長量級內，從而克服衍射極限，實現(xiàn)高密度存儲。近場超越光學衍射極限光學存儲，包括近場探針掃描顯微(scanning probe microscopy，SPM)存儲、近場固體浸沒透鏡(solid immersion lens，SIL)存儲和超分辨近場結構 (super-resolution near-field structure ，super-RENS)存儲 等離子體納米光刻，使用基于SIL的近場光學與納米孔徑。[10] 飛秒激光器參與的光存儲方案和關鍵作用 在對高效、可靠的存儲解決方案的需求不斷增長的數(shù)字時代，高密度光數(shù)據(jù)存儲技術變得越來越重要。飛秒激光器以其超短脈沖持續(xù)時間為特征，已成為這些存儲解決方案發(fā)展的關鍵參與者。它們在微觀和納米尺度上精確操縱材料的能力使它們成為高密度光學數(shù)據(jù)存儲應用的理想選擇。涉及全息存儲、雙光子吸收存儲以及近場光學技術，利用飛秒脈沖激光在納米尺度下創(chuàng)建修改區(qū)域，編碼多級和多路復用信息，以顯著擴展存儲容量。高功率飛秒激光技術的發(fā)展為實現(xiàn)超高密度光存儲提供了一種高可行性的方案。 鐿鐳飛秒的HELIOS系列高功率飛秒激光器，在提高數(shù)據(jù)存儲密度和讀寫速度方面發(fā)揮了重要作用，由于其窄脈寬的特性，允許在不損傷周圍材料的情況下，對存儲介質進行極其精細的加工。這意味著可以在更小的空間內創(chuàng)建存儲單元，無需擔心因加工過程產(chǎn)生的熱損傷而影響數(shù)據(jù)的完整性。使其能夠在存儲介質上制作極其細小的標記，這允許在相同空間內存儲更多的數(shù)據(jù)。通過精確控制激光脈沖的能量和持續(xù)時間，可以實現(xiàn)復雜的數(shù)據(jù)編碼模式，從而極大地提高存儲密度和存儲介質的長期穩(wěn)定性和可靠性。HELIOS系列高功率飛秒激光器還可以用于開發(fā)新型存儲介質，如通過在玻璃或其他透明材料中創(chuàng)建微納結構來實現(xiàn)高密度存儲，搭配鐿鐳開發(fā)的AURORA系列光參量放大器，通過調諧激發(fā)波長尋找可以對存儲材料特異性激發(fā)的特殊波長，開發(fā)新型大容量光存儲材料。也通過使用具有較高重復頻率的飛秒激光器并對每個體素多于8個狀態(tài)(3Bit)的熒光強度進行編碼，可以進行更高速的記錄飛秒激光誘導材料熒光基團來實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)讀寫。 另外在研究光磁相互作用的實驗中，采用飛秒磁光成像技術研究磁化轉換的超快動力學。用單個泵浦脈沖記錄磁區(qū)，并用中心波長為800 nm的單個40fs非聚焦探測脈沖成像；激光誘導磁化過程。為了研究飛秒激光脈沖在YIG：Co薄膜中誘導的自旋振蕩，我們還利用磁光泵浦探測方法進行了常規(guī)的時間分辨測量。泵浦脈沖的持續(xù)時間為50fs，以500kHz的重復頻率打到樣品處。 時間分辨磁化動力學和單次成像原理圖。附圖顯示了單脈沖激光激發(fā)YIG:Co形成的磁疇的磁光可視化。[11] 在等離子體數(shù)據(jù)存儲中，需要非常短(~幾飛秒)的激光脈沖聚焦到包含金屬納米結構的光盤的小區(qū)域上的衍射限制光斑。存儲在每個比特單元中的包括多個比特信息的數(shù)字數(shù)據(jù)修改入射光脈沖的頻譜。隨后，在反射/傳輸時，借助于光學頻譜分析器來檢測該頻譜。[12] 飛秒激光器在增強光學數(shù)據(jù)存儲技術方面的多種應用，從實現(xiàn)高密度存儲的等離子體納米結構到使用激光誘導的材料變化來實現(xiàn)靈活和多維的數(shù)據(jù)存儲解決方案。飛秒激光器提供的精度和控制有助于開發(fā)先進的ODS系統(tǒng)，能夠滿足對數(shù)據(jù)存儲容量和速度日益增長的需求。這種便捷的比特記錄方法在相同的存儲介質中實現(xiàn)了完全不同的記錄機制，為可持續(xù)的大數(shù)據(jù)存儲鋪平了道路。 市場規(guī)模和未來展望 2012 年，PennWell's Strategies Unlimited（加利福尼亞州）預測，在大約 76 億美元的激光市場中，近 7.85 億美元（占總市場的 10% 以上）用于光學數(shù)據(jù)存儲激光器的銷售。[13] 2021 年 11 月，美國國會通過了《國防授權法案》（NDAA），要求建立國家半導體技術中心 （NSTC）。美國國家半導體技術中心（National Semiconductor Technology Center）的卓越內存聯(lián)盟建議。[14]因此對這些迅速增長的數(shù)據(jù)量進行存檔的需求不斷增長。另一方面，處理大量數(shù)據(jù)歸檔的數(shù)據(jù)中心更是特別需要降低存儲成本(初始成本和運營成本)。光存儲可以作為一種非常有前途的大容量存儲解決方式，但為了真正滿足未來這些數(shù)據(jù)中心的需求，增加光存儲容量密度是必需的。松下、索尼等公司也早都開始了新型高密度大容量光存儲技術的開發(fā)[15] 之后隨著光存儲的發(fā)展和用戶意識的普及，2017 年下半年，光存儲進入快速發(fā)展階段，從 2018年到 2019 年將有一個很大的突破點[29]，如單個光盤存儲容量將達到或超過 500 G，并不斷降低存儲成本。預計在 2022 年左右與光存儲相關的單項技術和系統(tǒng)集成技術將達到穩(wěn)定，并使得存儲購買成本達到或低于 1 美分/GB。 未來光存儲技術研究將主要圍繞兩個大的方向并行：新的存儲方式工程化和研發(fā)性能更優(yōu)良的存儲介質材料。目前，最有望工程化的是雙光束超分辨技術和玻璃存儲技術。由于各種存儲技術都以提高存儲容量、密度、可靠性和數(shù)據(jù)傳輸率為主要發(fā)展目標。因此在未來 5 到 10 年內，光存儲技術的發(fā)展趨勢仍然是以超大容量、超高效率、超高吞吐率、低成本及廣泛兼容性的云存儲產(chǎn)品為主要目標，通過完善并依據(jù)相應的行業(yè)標準、國家標準和國際標準，各行各業(yè)普及高性能低成本大數(shù)據(jù)光存儲。 可以合理地預測，在不久的將來，OSA將在大數(shù)據(jù)技術領域獲得巨大的份額，全球市場規(guī)模將達到每年300億美元。與蓬勃發(fā)展的芯片和激光技術一起，OSA作為數(shù)據(jù)流的中繼站或信息歸檔的倉庫，將能夠推動一種全新的全光信息管理范式，走向大數(shù)據(jù)存儲的可持續(xù)未來。[16] 近年來，隨著各類光存儲技術的持續(xù)進步，光學數(shù)據(jù)存儲理論存儲密度不斷攀升。這使得光學數(shù)據(jù)存儲技術具備了克服磁控存儲技術等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲方式在高能耗和低壽命等方面缺點的優(yōu)勢，尤其在大數(shù)據(jù)存儲領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。當前，商用光存儲系統(tǒng)主要以二維數(shù)據(jù)存儲技術為主，研發(fā)重點集中在提升數(shù)據(jù)存儲面密度。然而，關于開發(fā)和提升信息存儲體密度的研究及商業(yè)化應用仍有巨大的發(fā)展空間。通過深入研發(fā)各類高密度光存儲技術，有望在信息存儲密度、讀寫速度及使用壽命穩(wěn)定性等方面實現(xiàn)光學存儲技術的巨大提升，進而實現(xiàn)單設備數(shù)據(jù)存儲容量的幾何級增長。
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