存儲(chǔ)容量是普通光盤上萬倍、普通硬盤上百倍的“超級(jí)光盤”，在中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所誕生。這對(duì)于我國在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域突破關(guān)鍵核心技術(shù)、實(shí)現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

近日，上海光機(jī)所與上海理工大學(xué)等科研單位合作，在超大容量超分辨三維光存儲(chǔ)研究中取得突破性進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)利用國際首創(chuàng)的雙光束調(diào)控聚集誘導(dǎo)發(fā)光超分辨光存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)驗(yàn)上首次在信息寫入和讀出均突破了衍射極限的限制，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并完成了100層的多層記錄，單盤等效容量達(dá)Pb量級(jí)。


什么是光儲(chǔ)存技術(shù)？

信息資料迅速增長(zhǎng)是當(dāng)今社會(huì)的一大特點(diǎn)。有人統(tǒng)計(jì)，科技文獻(xiàn)數(shù)量大約每7年增加1倍，而一般的情報(bào)資料則以每2年~3年翻一番的速度增加。大量資料的存儲(chǔ)、分析、檢索和傳播，迫切需要高密度、大容量的存儲(chǔ)介質(zhì)和管理系統(tǒng)。

1898年荷蘭的Valdemar Poulsen發(fā)明了世界上第一個(gè)磁記錄設(shè)備：磁線錄音機(jī)，從此，開始了傳統(tǒng)的磁記錄應(yīng)用實(shí)踐。在隨后的一個(gè)多世紀(jì)里面，出現(xiàn)了多種不同種類的磁記錄設(shè)備：磁帶機(jī)，磁芯存儲(chǔ)器，磁盤等等。雖然有大量不同的磁存儲(chǔ)設(shè)備出現(xiàn)，但是磁記錄的基礎(chǔ)原理仍然是上述的鐵磁性材料能夠保持外磁場(chǎng)磁化方向的特性。傳統(tǒng)的磁記錄的寫入原理是將隨時(shí)間變化的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為在線性或者旋轉(zhuǎn)的鐵磁性材料中的磁化強(qiáng)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(qiáng)度的空間變化，通過線性或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用磁電轉(zhuǎn)化元件，轉(zhuǎn)換為隨時(shí)間變化的電信號(hào)。

但是，隨著記錄密度的提高(目前的硬盤記錄密度已經(jīng)能夠達(dá)到 30Gb/cm2)，能夠獲得的感生電流的強(qiáng)度和信噪比已經(jīng)過小，造成讀入設(shè)備的誤碼率已經(jīng)不能達(dá)到要求。計(jì)算機(jī)和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展使越來越多的信息內(nèi)容以數(shù)字化的形式記錄、傳輸和存儲(chǔ)，對(duì)大容量信息存儲(chǔ)技術(shù)的研究也隨之不斷升溫 。激光技術(shù)的不斷成熟，尤其是半導(dǎo)體激光器的成熟應(yīng)用，使得光存儲(chǔ)從最初的微縮照相發(fā)展成為快捷、方便、容量巨大的存儲(chǔ)技術(shù)，各種光ROM紛紛產(chǎn)生。與磁介質(zhì)存儲(chǔ)技術(shù)相比，光存儲(chǔ)具有壽命長(zhǎng)、非接觸式讀/寫、信息位的價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。

光存儲(chǔ)技術(shù)是采用激光照射介質(zhì)，激光與介質(zhì)相互作用，導(dǎo)致介質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生變化而將信息存儲(chǔ)下來的。讀出信息是用激光掃描介質(zhì)，識(shí)別出存儲(chǔ)單元性質(zhì)的變化。在實(shí)際操作中，通常都是以二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)信息的，所以首先要將信息轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)。寫入時(shí)，將主機(jī)送來的數(shù)據(jù)編碼，然后送入光調(diào)制器，這樣激光源就輸出強(qiáng)度不同的光束。

多階光存儲(chǔ)是目前國內(nèi)外光存儲(chǔ)研究的重點(diǎn)之一，緣于它可以大大地提高存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)傳輸率。在傳統(tǒng)的光存儲(chǔ)系統(tǒng)中，二元數(shù)據(jù)序列存儲(chǔ)在記錄介質(zhì)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。多階光存儲(chǔ)是讀出信號(hào)呈現(xiàn)多階特性，或者直接采用多階記錄介質(zhì)。多階光存儲(chǔ)分為信號(hào)多階光存儲(chǔ)和介質(zhì)多階光存儲(chǔ)。


光存儲(chǔ)的基本原理

常見的照相術(shù)就是最早的光存儲(chǔ)技術(shù)。無論是膠片感光靈敏度、分辨率、色彩，還是照相儀器，都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，不僅能拍攝靜止景物，還能通過電影、電視將活動(dòng)圖像記錄和再現(xiàn)。然而， 包括全息照相在內(nèi)的照相術(shù)，都屬于模擬光存儲(chǔ)范疇，它在存儲(chǔ)容量、存儲(chǔ)密度及傳輸速率等方面都受到一定限制。隨著信息社會(huì)的發(fā)展，特別是激光的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)的日益普及，數(shù)字光儲(chǔ)技術(shù)開始興起，數(shù)字光盤的誕生成為存儲(chǔ)技術(shù)的一項(xiàng)重大突破。

迄今為止，絕大部分商品化光盤存儲(chǔ)系統(tǒng)中所用的記錄介質(zhì)的記錄機(jī)理都是熱致效應(yīng)。利用從激光束吸收的能量，作為高度集中的、強(qiáng)大的熱源，促使介質(zhì)局部熔化或蒸發(fā)，通常稱為燒蝕記錄。

在實(shí)際操作中，一般用電腦來處理信息，因?yàn)殡娔X只能識(shí)別二進(jìn)制數(shù)據(jù)，所以要在存儲(chǔ)介質(zhì)上面儲(chǔ)存數(shù)據(jù)、音頻和視頻等信息，首先要將信息轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在常見的CD光盤、DVD光盤等光存儲(chǔ)介質(zhì)，與軟盤、硬盤相同，都是以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式來存儲(chǔ)信息的。寫入信息時(shí)，將主機(jī)送來的數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后送入光調(diào)制器，使激光源輸出強(qiáng)度不同的光束，調(diào)制后的激光束通過光路系統(tǒng)， 經(jīng)物鏡聚焦然后照射到介質(zhì)上，存儲(chǔ)介質(zhì)經(jīng)激光照射后被燒蝕出小凹坑，所以在存儲(chǔ)介質(zhì)上，存在被燒蝕和未燒蝕兩種不同的狀態(tài)，這兩種狀態(tài)對(duì)應(yīng)著兩種不同的二進(jìn)制的數(shù)據(jù)。

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(qiáng)、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(shí)，激光掃描介質(zhì)，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(chǔ)介質(zhì)上的二進(jìn)制信息讀出，然后再將這些二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成為原來的信息。

另外，可擦寫光盤的存儲(chǔ)介質(zhì)為使光照點(diǎn)的結(jié)晶態(tài)發(fā)生變化，即相變型介質(zhì)。而磁光存儲(chǔ)材料的光盤的存儲(chǔ)介質(zhì)則是產(chǎn)生磁化方向的改變，從而記錄或刪除信息。


我國“超級(jí)光盤”誕生

上海光機(jī)所相關(guān)研究成果于2024年2月22日發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。

光存儲(chǔ)技術(shù)具有綠色節(jié)能、安全可靠、壽命長(zhǎng)達(dá)50~100年的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，非常適合長(zhǎng)期低成本存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，然而受到衍射極限的限制，傳統(tǒng)商用光盤的最大容量?jī)H在百GB量級(jí)。在信息量日益增長(zhǎng)的大數(shù)據(jù)時(shí)代，突破衍射極限、縮小信息點(diǎn)尺寸、提高單盤存儲(chǔ)容量長(zhǎng)久以來一直都是光存儲(chǔ)領(lǐng)域的不懈追求。

從光學(xué)顯微技術(shù)，到當(dāng)今“卡脖子”技術(shù)的光刻機(jī)，再到光存儲(chǔ)技術(shù)，無一不被光學(xué)衍射極限所限制。在2021年Science發(fā)布的全世界最前沿的125個(gè)科學(xué)問題中，突破衍射極限限制更是在物理領(lǐng)域高居首位。該超分辨光盤的成功研制在信息寫入和讀出都突破了這一物理學(xué)難題，有助于我國在存儲(chǔ)領(lǐng)域突破“卡脖子”障礙，將在大數(shù)據(jù)數(shù)字經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重大作用，以滿足信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的重大需求。

上世紀(jì)八十年代，上海光機(jī)所干福熹院士開創(chuàng)了我國數(shù)字光盤存儲(chǔ)技術(shù)的研究，研究團(tuán)隊(duì)一直深耕光存儲(chǔ)領(lǐng)域。依托于豐厚的研究基礎(chǔ)和創(chuàng)新技術(shù)方案，基于雙光束超分辨技術(shù)及聚集誘導(dǎo)發(fā)光存儲(chǔ)介質(zhì)，在信息寫入和讀出均突破了衍射極限的限制，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并完成了100層的多層記錄，單盤等效容量約1.6 Pb。經(jīng)老化加速測(cè)試，光盤介質(zhì)壽命大于40年，加速重復(fù)讀取后熒光對(duì)比度仍高達(dá)20.5：1。

這是國際上首次實(shí)現(xiàn)Pb量級(jí)的超大容量光存儲(chǔ)，得到了審稿人的高度評(píng)價(jià)：“這是一種具有突破性創(chuàng)新的Pb級(jí)光存儲(chǔ)技術(shù)…”“與現(xiàn)有其它技術(shù)相比，該技術(shù)在性能方面提供了最高的光存儲(chǔ)面密度…”“研究成果可能會(huì)帶來數(shù)據(jù)中心檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的突破，解決大容量和節(jié)能的存儲(chǔ)技術(shù)難題…”。

未來，研究團(tuán)隊(duì)將加快原始創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，推動(dòng)超大容量光存儲(chǔ)的集成化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，并拓展其在顯微成像、光刻、傳感、光信息處理領(lǐng)域的交叉應(yīng)用，產(chǎn)出更多更優(yōu)秀的創(chuàng)新成果。