納米光子開(kāi)啟信息技術(shù)新方向

齊旭

近年來(lái)，納米光子學(xué)已經(jīng)成為光電子學(xué)乃至整個(gè)信息技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)至關(guān)重要的發(fā)展方向。盡管我國(guó)光電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)在核心技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)鏈搭建、應(yīng)用領(lǐng)域拓展等方面取得了重大進(jìn)展，但仍需在原始性新技術(shù)、關(guān)鍵材料等“短板”上著重發(fā)力。

在11月13日舉辦的2019“中國(guó)光谷”國(guó)際光電子信息產(chǎn)業(yè)高峰論壇上，諾貝爾獎(jiǎng)得主威廉·默爾納、中國(guó)工程院外籍院士顧敏針對(duì)納米光子為光電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)的新機(jī)遇展開(kāi)探討，成為論壇上的最大亮點(diǎn)，為我國(guó)未來(lái)光電子核心技術(shù)突破和應(yīng)用創(chuàng)新指明方向。

納米級(jí)光子開(kāi)啟超分辨率新“視界”

光電子信息技術(shù)涉及光顯示、光存儲(chǔ)、激光等重要領(lǐng)域，是未來(lái)信息產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)。近年來(lái)，納米光子為材料科學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了關(guān)鍵性技術(shù)突破，使得從單個(gè)分子開(kāi)始構(gòu)建功能完備的器件成為可能。其中，納米級(jí)顯微術(shù)是納米光子學(xué)的重要應(yīng)用。

威廉·默爾納在演講時(shí)指出，“阿貝定律”源于光的衍射性質(zhì)，為研究人員進(jìn)入納米級(jí)的極小區(qū)域設(shè)置了障礙。20世紀(jì)80年代末，工業(yè)研究將光學(xué)控制技術(shù)引入到成像領(lǐng)域，這種結(jié)合實(shí)現(xiàn)了超越衍射極限的成像，突破了“衍射極限定律”，完成了納米級(jí)的單分子光學(xué)探測(cè)。超分辨顯微技術(shù)可以在20-40nm或更低的分辨率下觀察生物和其他納米尺度的三維結(jié)構(gòu)，由此開(kāi)創(chuàng)了單分子檢測(cè)和成像的研究領(lǐng)域。

威廉·默爾納是打破衍射極限定律、突破傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的極限分辨率的先驅(qū)，將顯微技術(shù)帶入“納米”領(lǐng)域。他講述道：“當(dāng)我注意到水母體內(nèi)的熒光分子可以被隨意的開(kāi)啟或關(guān)閉，發(fā)現(xiàn)如果使用波長(zhǎng)為405納米的光線去照射它，那么這個(gè)蛋白質(zhì)又能再次復(fù)活并發(fā)出熒光。我將這些可以被激發(fā)的蛋白質(zhì)均勻散布其中，這樣其單個(gè)分子之間的距離就能大于當(dāng)年衍射極限定律所限定的0.2微米的長(zhǎng)度。由于這些分子被分散了開(kāi)來(lái)，一臺(tái)常規(guī)的光學(xué)顯微鏡便可以區(qū)分來(lái)自單個(gè)分子發(fā)出的熒光?！?/p>

對(duì)于光電子的研究?jī)r(jià)值，威廉·默爾納的理解是：“光電子學(xué)誕生和發(fā)展的真正意義，是把只能在實(shí)驗(yàn)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)的高精度光學(xué)測(cè)量，應(yīng)用到惡劣、負(fù)責(zé)的生產(chǎn)和科研現(xiàn)場(chǎng)，造福更多學(xué)科領(lǐng)域。”

光存儲(chǔ)為大數(shù)據(jù)中心

提供關(guān)鍵支撐

光電子另外一個(gè)重要使能領(lǐng)域就是光存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)顯示，隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，信息量呈爆炸性增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2020年會(huì)達(dá)到40ZB（澤字節(jié)），2025年達(dá)到162ZB。

迅速膨脹的數(shù)據(jù)，勢(shì)必需要越來(lái)越多的存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)承載。顧敏指出，為保存這些海量的數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)中心應(yīng)運(yùn)而生。為了滿足大數(shù)據(jù)中心的PB（1PB=1024TB）級(jí)別容量的需求，通常大數(shù)據(jù)中心應(yīng)用現(xiàn)有低存儲(chǔ)密度的電子或磁存儲(chǔ)媒質(zhì)組成龐大的陣列技術(shù)，這不僅占地大、能耗和碳排放量高，而且一般只有3—5年壽命。

顧敏表示，數(shù)據(jù)有“熱冷”之分。對(duì)于數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的同時(shí)，也呈現(xiàn)出分層特征。按照數(shù)據(jù)被訪問(wèn)頻率從高到低進(jìn)行分類(lèi)，可以將數(shù)據(jù)分為熱數(shù)據(jù)、溫?cái)?shù)據(jù)、冷數(shù)據(jù)，其中，這些活動(dòng)不頻繁、不會(huì)被經(jīng)常訪問(wèn)但仍然需要長(zhǎng)期保留的溫冷數(shù)據(jù)，才是數(shù)據(jù)中心的技術(shù)難點(diǎn)。光存儲(chǔ)為溫冷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供最佳方案。

他舉了個(gè)形象的例子，盤(pán)體直徑120mm的CD單層容量?jī)H0.64GB，DVD單層容量為4.7GB，而同樣直徑的藍(lán)光存儲(chǔ)介質(zhì)（BD）單層容量可達(dá)到25GB;CD的數(shù)據(jù)傳輸速率為1200Kibit/s，DVD為11.08mbps，而藍(lán)光存儲(chǔ)介質(zhì)可達(dá)到36mbps。

同時(shí)，由于藍(lán)光介質(zhì)采用無(wú)機(jī)的金屬或金屬氧化物作為記錄材料，性質(zhì)較穩(wěn)定，因而具有更長(zhǎng)的使用壽命。

顧敏指出，原來(lái)受限于所謂的光學(xué)衍射極限，DVD及藍(lán)光技術(shù)的存儲(chǔ)密度被制約在5GB到25GB，與現(xiàn)有容量與磁或電存儲(chǔ)相差甚遠(yuǎn)。目前，學(xué)界的五維光學(xué)材料已經(jīng)突破了藍(lán)光DVD三維存儲(chǔ)的技術(shù)瓶頸，利用突破衍射光學(xué)極限的綠色光子存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)最小記錄尺寸9納米，即實(shí)現(xiàn)單盤(pán)PB容量，相當(dāng)于藍(lán)光技術(shù)的40萬(wàn)倍。

“這種材料由懸浮在玻璃基板上透明塑料板內(nèi)的金納米棒層組成，在材料的同一區(qū)域內(nèi)多種數(shù)據(jù)圖案可在互不干擾的情況下被讀取和刻寫(xiě)。同時(shí)，這種全新光子存儲(chǔ)光盤(pán)單點(diǎn)消耗的能量非常低，支持1000倍能耗節(jié)省，更擁有超過(guò)500年的超長(zhǎng)記錄/存儲(chǔ)壽命?！鳖櫭粽f(shuō)。

據(jù)顧敏介紹，“全光光子大數(shù)據(jù)中心”是他心中理想的模式——PB級(jí)光盤(pán)存儲(chǔ)、超低能耗，以太陽(yáng)能為動(dòng)力，不使用地球上的能源。