多維度信息記錄與再現(xiàn)技術的進展

王 倩， 余 樂， 馮云鵬*， 吳恒宇

(1. 北京理工大學 光電學院， 北京 100081； 2. 北京理工大學 深圳研究院， 廣東 深圳 518057)

人類已經(jīng)進入大數(shù)據(jù)時代，海量數(shù)據(jù)的高速存儲、長期保存成為信息技術領域的重大需求。據(jù)國際數(shù)據(jù)公司(International Data Corporation, IDC)統(tǒng)計報告顯示，2025年全球數(shù)據(jù)量將達到175 ZB(1 ZB=103EB=106PB=109TB=1012GB)，其中溫冷數(shù)據(jù)儲存量約占總數(shù)據(jù)量的80%以上[1]。目前，數(shù)據(jù)中心存儲數(shù)據(jù)的主流技術是基于電或磁的存儲技術，這種存儲技術不僅成本高、耗能大、有效可靠壽命短、易受電磁干擾，而且其存儲容量也已達到極限(285 GB/cm2)[2]。光學存儲技術憑借其超大的存儲容量、高速的存取速度、超長的使用壽命等優(yōu)良特性，特別適合于海量數(shù)據(jù)的長期安全保存。業(yè)界普遍認為光存儲技術會成為下一代存儲技術的核心[3-6]。在現(xiàn)有光存儲技術的研究中，排除編碼等影響因素，提高光存儲系統(tǒng)容量的方法主要有多維度信息復用技術和深亞波長光學超分辨技術。深亞波長光學超分辨技術通過突破光學衍射極限來增加信息存儲容量，即不斷地縮小會聚到光盤上的記錄點，來實現(xiàn)大容量存儲，這種方法對光盤的體積利用率較低。

在超分辨技術中存儲容量相對較高的是受激發(fā)射損耗(stimulated emission depletion，STED)熒光顯微三維光存儲技術，其存儲容量可達30 TB/disc[7]，但與多維存儲技術的存儲密度相比仍有差距。本文圍繞光學存儲技術的維度展開論述，分別介紹了以光盤為主的二維面存儲技術、以雙光子吸收存儲/全息存儲技術為主的三維體存儲技術和以金納米棒為存儲材料的五維存儲技術，總結了多維度光學存儲技術的研究現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢。

1 二維面存儲技術

二維存儲是將信息存儲在二維平面上，如以磁記錄技術為原理的磁盤；集精密機械、微電子電路、電磁轉換為一體的硬盤；綜合DRAM(dynamic random access memory)、磁盤存儲和高速緩沖存儲器的磁電存儲器；用光來記錄和讀取信息的光盤；等等。其中，光盤存儲技術因其存儲容量大、耗能少得到廣泛應用。

光盤存儲技術是利用激光照射存儲介質表面，通過發(fā)生物理或者化學變化來存儲數(shù)字型信息的一種存儲技術[3]。常用的光盤存儲技術有CD (compact disc)、DVD (digital video disc) 和Blue DVD (blue digital video disc)。在信息記錄過程中，激光會聚到燒蝕型存儲介質表面，材料吸收激光能量而產(chǎn)生熱燒蝕，形成小穴或氣泡來記錄信息；在信息訪問過程中，利用小穴或氣泡與周圍介質的反射率不同，讀取出信息[8]。激光會聚到光盤上的光斑尺寸越小，光盤的存儲容量就越大。但由于受光學衍射極限的影響，光斑尺寸受聚焦物鏡和激光波長限制r=0.61λ/NA，其中r為光斑尺寸，λ為激光波長，NA為聚焦物鏡的數(shù)值孔徑[4,5]。利用紅光激發(fā)(780 nm)和低數(shù)值孔徑(0.45)的寫入物鏡，CD存儲技術的存儲密度可以達到650～750 MB/disc。

在光盤存儲中，要提高存儲密度，可以通過減小聚焦光斑，即縮短記錄激光波長或增大寫入物鏡的數(shù)值孔徑來實現(xiàn)[8]。圖1(a)～(c)所示為各類光盤中聚焦光斑尺寸發(fā)展的對比圖[3]。DVD技術通過降低記錄激光波長至650 nm，提高數(shù)值孔徑到0.6，將CD技術的聚焦光斑尺寸縮小了約37.5%，存儲密度達到4.7 GB/disc。藍光DVD將波長縮短至405 nm，數(shù)值孔徑提高到0.85，進一步將DVD技術的聚焦光斑尺寸縮小了約56%，存儲密度提升到23.5 GB/disc。

圖1 光學裝置和光盤[8](a) CD存儲技術，λ=780 nm，NA=0.45，存儲密度0.7 GB/disc；(b) DVD存儲技術， λ=650 nm，NA=0.6，存儲密度4.7 GB/disc； (c) Blue DVD存儲技術， λ=405 nm，NA=0.85，存儲密度23.5 GB/disc； (d) 三維CD存儲技術， λ=900 nm，NA=1.4，存儲密度298 GB/discOptical setups and optical discs[8](a) The storage technology of CD, λ=780 nm, NA=0.45, the storage density is 0.7 GB/disc; (b) the storage technology of DVD, λ=650 nm, NA=0.6, the storage density is 4.7 GB/disc; (c) the storage technology of Blue DVD, λ=405 nm, NA=0.85, the storage density is 23.5 GB/disc; (d) the storage technology of 3-D CD, λ=900 nm，NA=1.4, the storage density is 298 GB/disc

為進一步滿足大容量數(shù)據(jù)存儲的需求，人們提出了光盤庫的概念，即把超萬張的光盤放置在同一個庫內(nèi)，以擴大數(shù)據(jù)存儲容量。曹強等[9]設計和開發(fā)的一種超大容量光盤庫,如圖2所示。該光盤庫為六瓣轉籠式結構，有6列×10層×17個槽匣×12張光盤，共計12240張光盤?？赏ㄟ^機械裝置和分布式存儲實現(xiàn)單張光盤的獨立自動存取。但是光盤庫只是光盤數(shù)量上的增加，光盤自身的存儲容量和密度仍沒有突破。

圖2 超大容量光盤庫的機械結構示意圖[9]Schematic of mechanical structure of an ultra-large scale optical disc library[9]

以光盤為主的二維面存儲技術，由于受光學衍射極限的限制，其記錄激光波長和寫入物鏡的數(shù)值孔徑都已到了能夠改變的極限。而且，采用更短波長的記錄激光需要更復雜的光學系統(tǒng)、昂貴的光學元件和新的存儲介質等，使得光存儲的成本增加。因此，研究其它高存儲容量的存儲技術具有十分重要的科學意義和應用價值。

2 三維體存儲技術

鑒于二維面存儲技術只用到了光盤的表面部分，約占光盤體積的0.01%[3]，光盤的體積資源并沒有得到充分的利用。因此，人們將兩維面存儲進行累加或堆積構成了三維體存儲技術，如圖1(d)所示。三維體存儲能將二維光存儲的存儲密度提高2～4個數(shù)量級[3]。但在實現(xiàn)三維體存儲的過程中，當記錄光束聚焦到介質內(nèi)部時，其所發(fā)生的光學散射會降低存儲技術的聚焦效率和記錄效率，限制了體存儲技術的發(fā)展。如何消除相鄰數(shù)據(jù)層之間的相互干擾，是實現(xiàn)三維體存儲技術的主要困難。目前雙光子吸收技術的非線性激發(fā)特性能夠增加存儲介質層與層之間的抗干擾能力，很好地解決了這一問題。此外，全息存儲技術的體式存儲特性，也能夠將存儲技術擴展到三維。

2.1 雙光子存儲技術

對于采用單光子吸收技術的存儲系統(tǒng)，入射激光垂直傳輸方向的每一層吸收相同的能量，很難區(qū)分出聚焦焦點對固定某一層的作用，在焦平面存儲信息的同時也強烈影響了焦平面上下的介質層。

雙光子吸收是指介質在強光激發(fā)作用下，基態(tài)電子會同時吸收兩個光子躍遷到激發(fā)態(tài)，如圖3(a)所示，光子躍遷速度與光強的平方成正比。在光存儲中，可通過存儲介質與飛秒激光束的雙光子吸收作用，實現(xiàn)光信息的三維體存儲。由于雙光子激發(fā)與入射光光強成正比，每層的凈激發(fā)與該層離焦點距離的平方成反比，因此能夠將信息寫到某一焦平面層而不會嚴重干擾到鄰近層[10,11]。在雙光子存儲技術中，受光照激發(fā)點與未受激發(fā)點的任何光物理和化學機制的差異，如光致變色效應、光致聚合效應、光折變效應等，都可被用作信息的光記錄和光讀出[12]。理論上，雙光子吸收存儲密度最高可達3.5 TB/cm3[13]。

一種正交模式的雙光子吸收三維光存儲系統(tǒng)如圖3(b)所示[12]，激光束λ1和激光束λ2相互正交，λ1用來記錄信息，λ2用來選擇存儲面。只有當兩束光在時間和空間上重疊時才會有較強的雙光子吸收發(fā)生，進而改變存儲介質的物理或化學性質，實現(xiàn)光信息存儲。在兩束光沒有會聚在一點的地方，光束可以通過，但是不會發(fā)生任何反應，保證了三維記錄的可行性。

圖3 雙光子存儲技術[12](a) 單光子和雙光子吸收過程對應的能級躍遷圖； (b) 雙光子三維存儲示意圖Two-photon storage technology[12](a) Energy diagram for single-photon and two-photon absorption; (b) schematic of two-photon three-dimensional storage

2.2 體全息存儲技術

自上世紀60年代激光器問世以后，有關全息光存儲的研究就開始了。全息存儲不同于傳統(tǒng)光盤存儲，它利用信息光和參考光在存儲介質中發(fā)生干涉，從而以干涉條紋的方式將信息存儲在介質中[14]。在恢復數(shù)據(jù)時，只需用與干涉時相同的參考光照射存儲介質，即可恢復出原信息。

全息存儲技術有體式存儲和并行讀寫兩種顯著特點。體式存儲是指它可以將多個存儲信息存儲在存儲介質的同一位置，實現(xiàn)方法有波長復用、角度復用、相位復用、空間復用等。其存儲密度理論上可達1/λ3量級[15]，其中λ為記錄光波波長。并行讀寫是指信息以數(shù)據(jù)頁為單位進行讀寫，傳輸速率高，可達1 GB/s。在全息存儲技術中，存儲材料占有很重要的位置，存儲材料的性能在很大程度上限制著全息存儲技術的發(fā)展。目前，全息存儲材料主要有光折變材料(如鈮酸鋰晶體LiNbO3)、光致聚合物和液晶材料等。

全息存儲系統(tǒng)的光路，有離軸光路和同軸光路兩種。離軸全息存儲系統(tǒng)以InPhase公司產(chǎn)品為代表，同軸全息存儲系統(tǒng)以Optware公司產(chǎn)品為代表。圖4所示為InPhase公司的系統(tǒng)[16]，是典型的離軸全息存儲系統(tǒng)。偏振分束器1(polarizing beam splitter, PBS)將激光束分成兩束，經(jīng)過空間光調制器(spatial light modulator, SLM)的一束為信息光，另一束為參考光，兩束光在存儲介質上進行干涉。參考光路中的振鏡(galvo mirror)可以改變參考光的角度，實現(xiàn)角度復用。讀取時，利用參考光的共軛光讀取信息(圖中淡紫色光路)，經(jīng)過光學系統(tǒng)在CCD上成像出原存儲信息。

圖4 離軸全息存儲系統(tǒng)[16]HWP：半波片；PBS：偏振分束器；SLM：空間光調制器Off-axis holographic storage system[16]HWP: half-wave plate; PBS: polarizing beam splitter; SLM: spatial light modulator

圖5所示為同軸全息系統(tǒng)[17]，將要存儲的信息和參考光同時編碼調制在數(shù)字微鏡空間光調制器(digital microwave device, DMD)上。記錄光波采用的是綠光或藍光。在記錄時，DMD上的物光和參考光同時被點亮，光束經(jīng)透鏡系統(tǒng)，最終在存儲介質上進行干涉，完成記錄過程；在數(shù)據(jù)再現(xiàn)階段，DMD上只有參考光點亮，參考光經(jīng)透鏡系統(tǒng)照射到存儲介質上，經(jīng)介質的反射層反射，返回到CMOS成像傳感器，恢復出原圖像。圖中的紅光是伺服系統(tǒng)，用來控制和檢測聚焦物鏡的移動，使記錄光波攜帶的信息會聚在介質特定的位置上，實現(xiàn)控制和定位的功能。

與傳統(tǒng)光盤存儲技術相比，體全息存儲技術不僅能夠極大地提升存儲容量和存儲密度，同時由于空間光調制器的存在，多個數(shù)據(jù)可以通過振幅或相位編碼的方式調制到同一張數(shù)據(jù)頁上，信息以數(shù)據(jù)頁為單位并行傳輸，進而顯著提高了信息的傳輸速率。此外，全息存儲以干涉條紋的存儲方式存儲數(shù)據(jù)，安全性較高。不足之處是，全息存儲需要兩束光進行記錄數(shù)據(jù)，操作相對復雜。

3 五維光存儲技術

當金屬材料的尺寸縮減到納米尺度時，會出現(xiàn)許多優(yōu)異的光學和電學特性。一些優(yōu)異的光學特性，如增強的雙光子吸收系數(shù)、吸收和熒光隨顆粒尺寸的可調節(jié)性以及受物理形態(tài)敏化的偏振吸收特性，為多維光存儲的實現(xiàn)提供了傳統(tǒng)材料無可比擬的優(yōu)勢[3,18]。

2009年，顧敏研究組提出了一種五維存儲技術[19]，在入射光照射下，金納米棒材料發(fā)生的縱向表面等離子共振(surface plasmon resonance, SPR)效應，會對入射光的波長和偏振態(tài)產(chǎn)生明顯的選擇吸收特性，如圖6(a)和(b)所示。當采用匹配的等離子共振波長和偏振激光激發(fā)金納米棒材料時，基于表面原子擴散機理，金納米棒在熔點以下溫度會出現(xiàn)特殊的再成型行為[20]，如圖6(c)所示。這種納米尺寸內(nèi)的光致形變過程被應用在多維光存儲技術上，實現(xiàn)了波長、偏振態(tài)和3個空間域同時存儲的五維存儲技術，存儲密度可達1.6 TB/disc[13]。數(shù)據(jù)再現(xiàn)時，使用與記錄時相同的波長和偏振的激光照射存儲介質，可探測到縱向SPR調制的雙光子熒光信號，恢復出原存儲信息。由于金納米棒材料的雙光子高吸收截面，可以使得信息無損、無串擾地讀出。

圖5 帶有伺服系統(tǒng)的同軸全息存儲系統(tǒng)[17]DVD：數(shù)字微鏡裝置；PBS：偏振分束器；DBS：雙光分束器；QWP：1/4波片；HVD：全息多功能光盤Collinear holographic storage system with servo system[17]DMD: digital micro mirror device; PBS: polarizing beam splitter; DBS: dichotic beam splitter; QWP: quarter wave plate; HVD: holographic versatile disc

圖6 金納米棒的光學特性[19,20](a) 金納米棒的吸收光譜隨納米顆粒尺寸的增大而紅移；(b) 金納米棒的等離子共振偏振選擇吸收特性；(c) 金納米棒特殊的再成型行為Optical properties of gold nanorods[19,20](a) The absorption spectrum of gold nanorods is red-shifted as the increase of nanoparticles’ size; (b) the SPR polarization selective absorption characteristics of gold nanorods; (c) the special reshaping behavior of gold nanorods

五維存儲原理圖如圖7所示。該技術使用的存儲材料的制備流程大致如下：將3種不同縱橫比的納米棒混合在一起，再混入占總重量15%的聚乙烯醇溶液，將混合液旋涂在玻璃蓋玻片上，存儲介質層的厚度為1±0.2 μm，其中納米微粒的濃度為400±50 nmol/L，在圖7(a)中0.95NA40×物鏡的聚焦體積中，約有200個金納米棒；隨后用折射率為1.506的透明壓敏膠壓在旋涂層上，壓敏膠的厚度為10±1 μm。重復上述過程，使存儲介質的層數(shù)不斷增加。需要注意的是，在存儲時，存儲材料上一層會對下一深層產(chǎn)生消光作用，隨著存儲材料層的增加，存儲的頁間串擾也會增加。一般存儲材料每多一層，用于存儲的激光能量需提高20%以優(yōu)化存儲通道、降低頁間串擾，故存儲材料的最高層數(shù)與所用激光器的能量有關。圖7(a)中使用的存儲介質層數(shù)為3層。

在圖7(b)光熱圖像中可以看到，在未經(jīng)激光照射的存儲介質中，存在3種不同縱橫比(縱橫比分別是2±1、4.2±1和6±2)和2種不同走向(橫和豎)的金納米棒。分別采用s偏振、λ=840 nm的激光和p偏振、λ=980 nm的激光照射金納米棒顆粒，與其對應的不同縱橫比和走向的金納米棒會發(fā)生等離子共振，形變?yōu)榍驙睿捎脕碛涗洿鎯π畔?。在讀取階段，采用與記錄時相同波長和偏振態(tài)的激光照射存儲介質，便可探測到對應的原存儲信息。在圖7(a)中，采用3種波長和3種偏振態(tài)的激光照射存儲介質，可在含有3種不同縱橫比的金納米棒的存儲介質的同一點存儲9幅圖片。

圖7 五維存儲原理圖[19](a) 存儲示意圖，采用3種波長和3種偏振態(tài)的激光，可以在存儲介質的同一點存儲9幅圖片；(b) 光熱圖像，金納米棒的不同縱橫比和走向對激光的波長和偏振態(tài)具有選擇特性，采用特定波長和偏振態(tài)的激光照射金納米棒，與其對應的金納米棒將會發(fā)生形變The schematic diagram of five-dimensional storage[19](a) The storage schematic. The same point on the storage medium store nine images with three wavelengths and three polarization states of lasers; (b) Photothermal patterning. The different aspect ratios and orientations of gold nanorods have selective characteristics for the wavelength and polarization state of the laser. The gold nanorods are irradiated with laser light of a specific wavelength and polarization state. The corresponding gold nanorods will be deformed

五維存儲技術的出現(xiàn)得益于納米光子學的發(fā)展，利用金納米棒材料對激光波長和偏振態(tài)的選擇特性，該技術既突破了傳統(tǒng)光盤存儲的光學衍射極限[21]，同時也使得存儲介質的體積得到了充分的利用。憑借其超大的存儲容量和優(yōu)良的存儲性能，五維存儲技術極有可能會發(fā)展成為光學存儲的核心技術。

4 總結與展望

為滿足飛速增長的大數(shù)據(jù)存儲需求，信息存儲從電磁技術到二維存儲、三維存儲，再到多維存儲，存儲容量在不斷提升。幾種主流存儲技術的性能對比如表1所示。

目前，磁盤和光盤的商業(yè)應用已經(jīng)很廣泛了。在全息存儲方面，2005年，InPhase公司推出了首款300 GB的商業(yè)全息存儲驅動器[22]；2009年，GE全球研發(fā)中心成功開發(fā)出一種微型全息光盤[23]，容量可達500 GB，相當于100張DVD光盤的存儲容量，但與全息存儲的理論存儲極限相比仍有較大差距，有很大的提升空間。同時，全息技術大部分仍停留在實驗室階段，更加成熟的商業(yè)化方案有待進一步發(fā)展。2016年，英國南安普頓大學開發(fā)出利用玻璃中的微型納米結構編碼信息的五維存儲技術，據(jù)稱一張標準光碟上能保存約360 TB的數(shù)據(jù)，在190 ℃的環(huán)境中可保存138億年，但這種技術的商用化還在研究當中[24]。

表1 幾種存儲技術的性能指標

在各存儲技術的對比中，可以看到光存儲技術未來的發(fā)展趨勢：

1)大存儲容量：伴隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，海量數(shù)據(jù)的存儲需求激勵人們不斷研發(fā)大存儲容量的存儲技術。從目前光存儲技術的發(fā)展來看，多維光存儲技術憑借其超大的存儲容量，在存儲領域頗有發(fā)展及應用前景，預計光存儲技術會向多維度方向發(fā)展。

2)高速的存取速度：海量數(shù)據(jù)的存儲需要高速的存儲和讀取速度，否則在存取過程中，所耗費的時間成本是難以估計的。高速的存取速度能夠提升存儲技術的使用性能，更加便捷、人性化。

3)超長的使用壽命：磁盤和光盤由于其壽命較短，每隔一段時間就需要將數(shù)據(jù)進行重新存儲，這將耗費大量的管理和資源成本。因此，超長壽命的存儲技術是人們迫切需要的。

4)存儲介質的高穩(wěn)定性：存儲介質的穩(wěn)定性一方面能夠提升存儲技術的壽命，另一方面還能夠提升存儲盤的環(huán)境適應性，如溫度、濕度等，降低存儲環(huán)境要求、便于管理。此外，高性能的存儲介質還將引發(fā)存儲技術的革新，比如金納米棒在存儲上的應用，帶來了超大存儲容量的五維存儲技術。

展望未來，伴隨著人們對海量數(shù)據(jù)存儲需求的不斷增加，光學存儲技術憑借其超大的存儲容量、高速的存取速度、超長的使用壽命等優(yōu)良特性，必將成為大數(shù)據(jù)存儲時代的佼佼者。