遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)

劉魁?嚴(yán)文

摘要：光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)是現(xiàn)代社會(huì)的重要信息載體，隨著信息社會(huì)信息量的不斷膨脹，對(duì)存儲(chǔ)容量的需求不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)受限于光的衍射極限，容量難以進(jìn)一步提升，能夠突破衍射極限的超分辨技術(shù)為提升光盤(pán)容量提供了可能。

關(guān)鍵詞：光盤(pán);遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨;雙光束

隨著人類文明邁入數(shù)字化時(shí)代，信息技術(shù)日新月異，已成為 21 世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。然而信息時(shí)代需要先進(jìn)的信息存儲(chǔ)技術(shù)，只有通過(guò)離線方式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)上，信息才能起到傳承的作用。離開(kāi)存儲(chǔ)，信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)將不復(fù)存在。

一、光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)概況

在目前的信息存儲(chǔ)技術(shù)中，主要有三種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式：光盤(pán)存儲(chǔ)（ODD）、半導(dǎo)體存儲(chǔ)（Flash Memory）以及硬盤(pán)存儲(chǔ)（HDD，又稱磁存儲(chǔ)）。其中，硬盤(pán)存儲(chǔ)的記錄內(nèi)容可擦寫(xiě)，當(dāng)遭受熱磁沖擊時(shí)記錄內(nèi)容易消失;半導(dǎo)體存儲(chǔ)的記錄內(nèi)容易擦寫(xiě)，當(dāng)遭受強(qiáng)電場(chǎng)沖擊時(shí)記錄內(nèi)容會(huì)消失;光盤(pán)存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)在于成本低，且其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)能長(zhǎng)時(shí)間保存，保存時(shí)間越長(zhǎng)，成本優(yōu)勢(shì)越大，但單盤(pán)的存儲(chǔ)容量需要進(jìn)一步提升。另一方面，目前世界上90%以上的數(shù)據(jù)中心都采用“硬盤(pán)+磁盤(pán)”的存儲(chǔ)方案，運(yùn)維成本隨時(shí)間延長(zhǎng)而增長(zhǎng)，而運(yùn)維成本中的40%為空調(diào)電費(fèi)，在相同數(shù)據(jù)量、相同保存時(shí)間長(zhǎng)度的情況下，光存儲(chǔ)的耗電量成本只有硬盤(pán)存儲(chǔ)成本的1/15。

近三十年來(lái)光存儲(chǔ)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。從 1981 年的 CD 光盤(pán)，到 1996年第二代光存儲(chǔ)的 DVD 光盤(pán);進(jìn)入 21 世紀(jì)，藍(lán)光 DVD 技術(shù)作為第三代光存儲(chǔ)技術(shù)已獲得了巨大成功，光盤(pán)技術(shù)發(fā)展可謂方興未艾。光存儲(chǔ)技術(shù)從最初的CD到現(xiàn)在的藍(lán)光DVD，存儲(chǔ)容量的提升是一直追求的目標(biāo)。

二、遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨光存儲(chǔ)技術(shù)概況

根據(jù)光的衍射極限公式可知，衍射極限D(zhuǎn)與光波長(zhǎng)λ 成正比，與鏡頭數(shù)值孔徑NA（Numerical Aperture）成反比，光存儲(chǔ)面密度的提高，需要縮短激光束的波長(zhǎng)或提高物鏡的數(shù)值孔徑。對(duì)于一般的 CD 系統(tǒng)，其典型值為 λ = 780nm， NA= 0.45;而對(duì)于一般的 DVD 系統(tǒng)，其典型值為 λ = 650nm， NA= 0.65。目前，光存儲(chǔ)激光波長(zhǎng)最短做到了 405nm 的藍(lán)紫光，衍射極限約為200nm，在藍(lán)光之后進(jìn)一步減小激光器的波長(zhǎng)在技術(shù)實(shí)施上非常困難，器件本身的研制困難而且高昂。當(dāng)激光器發(fā)展到紫外區(qū)，成本和壽命都是現(xiàn)在難以解決的嚴(yán)重問(wèn)題。其次，更高數(shù)值孔徑的球面鏡的加工制作十分困難，并且數(shù)值孔徑越高會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的焦深越短，這樣對(duì)系統(tǒng)的聚焦伺服和光盤(pán)盤(pán)片的加工提出了更嚴(yán)格的要求。由此可見(jiàn)，依靠改變波長(zhǎng)和數(shù)值孔徑的方法遇到了很大的技術(shù)瓶頸，為了使聚焦光斑不再受波長(zhǎng)和數(shù)值孔徑的限制，人們尋找其它更行之有效的方法來(lái)超越衍射極限。

為了提高光盤(pán)存儲(chǔ)的密度及容量，除了利用傳統(tǒng)的縮短激光器波長(zhǎng)、增加物鏡數(shù)值孔徑和減小光斑尺寸的方法外，另一種方法是超分辨存儲(chǔ)技術(shù)。超分辨存儲(chǔ)技術(shù)包括光學(xué)系統(tǒng)超分辨技術(shù)和介質(zhì)超分辨技術(shù)兩大類。這兩類技術(shù)分別通過(guò)改進(jìn)光盤(pán)的讀寫(xiě)光學(xué)系統(tǒng)和光盤(pán)存儲(chǔ)介質(zhì)性能結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，使實(shí)際記錄的信息符尺寸突破傳統(tǒng)光學(xué)衍射極限，從而實(shí)現(xiàn)高密度的信息存儲(chǔ)。超分辨存儲(chǔ)的方法分為遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨和近場(chǎng)超分辨兩種情況，光學(xué)頭與存儲(chǔ)記錄介質(zhì)表面之間的距離小于波長(zhǎng)量級(jí)的范圍稱為近場(chǎng)超分辨，而大于此距離量級(jí)的范圍稱為遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨。通常廣泛使用的光盤(pán)系統(tǒng)的物鏡都離光盤(pán)記錄介質(zhì)較遠(yuǎn)，屬于遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨。

三、遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨光存儲(chǔ)技術(shù)最新進(jìn)展

遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)屬于超分辨光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)的一個(gè)技術(shù)分支，主要技術(shù)路線包括光學(xué)變跡術(shù)和雙光束遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨技術(shù)，其中具有更高應(yīng)用前景的是基于STED的雙光束超分辨存儲(chǔ)技術(shù)。2014年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)即授予發(fā)展超分辨率熒光顯微成像技術(shù)的3位科學(xué)家，分別是美國(guó)霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所教授Eric Betzig、德國(guó)馬克斯普郎克生化研究所教授Stefan W. Hell和美國(guó)斯坦福大學(xué)教授William Moerner。其中除了William Moerner是由于發(fā)現(xiàn)了綠色熒光蛋白的光轉(zhuǎn)化效應(yīng)而間接推動(dòng)了超分辨熒光顯微技術(shù)，另兩位學(xué)者的研究領(lǐng)域均是直接與超分辨顯微成像相關(guān)。其中發(fā)展較早的是1994年由Stefan W. Hell提出的受激發(fā)射損耗技術(shù)（STED）。該系統(tǒng)中利用一束激發(fā)光和一束損耗光來(lái)實(shí)現(xiàn)超分辨。首先利用激發(fā)光來(lái)照射衍射斑范圍內(nèi)的熒光分子，使其處于激發(fā)態(tài);然后利用環(huán)形損耗光照射，使損耗光照射區(qū)域外環(huán)的電子以受激發(fā)射的方式回到基態(tài);內(nèi)環(huán)的電子仍然以自發(fā)熒光的方式回到基態(tài)，這樣探測(cè)器僅能接收到來(lái)自于光斑中心的光，光斑大小遠(yuǎn)低于衍射極限。

利用受激發(fā)射損耗技術(shù)中的兩路光束，同時(shí)在光盤(pán)中設(shè)置相應(yīng)的感光材料能夠減小寫(xiě)入光束的直徑，突破衍射極限，從而極大提高光盤(pán)存儲(chǔ)的容量，具有廣闊的應(yīng)用前景。雙光束超分辨存儲(chǔ)技術(shù)2008年出現(xiàn)相關(guān)專利申請(qǐng)，湯姆森和株式會(huì)社SPINET分別就該技術(shù)主題在歐洲和和日本進(jìn)行了專利申請(qǐng)，并未獲得授權(quán)。2013年，澳大利亞斯威本科技大學(xué)的研究人員發(fā)表了采用雙光束技術(shù)實(shí)現(xiàn)9nm光刻的文章，該項(xiàng)技術(shù)在光存儲(chǔ)和光刻領(lǐng)域都具有廣闊前景，因此具有較大影響，文章被引量達(dá)到159次。利用該方法，在實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)了33納米的記錄點(diǎn)，在理論上來(lái)說(shuō)可以提高現(xiàn)在藍(lán)光技術(shù)容量的4萬(wàn)倍，可以達(dá)到約1000TB，如此大容量光存儲(chǔ)技術(shù)可以成為數(shù)據(jù)中心的理想解決方案之一。

作者單位：國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心