存儲容量提高上萬倍！上海光機所“超級光盤”誕生，突破了衍射極限的限制

存儲容量是普通光盤上萬倍、普通硬盤上百倍的“超級光盤”，在中國科學院上海光學精密機械研究所誕生。這對于我國在信息存儲領域突破關鍵核心技術、實現數字經濟的可持續發展具有重大意義。

近日，上海光機所與上海理工大學等科研單位合作，在超大容量超分辨三維光存儲研究中取得突破性進展。研究團隊利用國際首創的雙光束調控聚集誘導發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，實現了點尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數據存儲，并完成了100層的多層記錄，單盤等效容量達Pb量級。


什么是光儲存技術？

信息資料迅速增長是當今社會的一大特點。有人統計，科技文獻數量大約每7年增加1倍，而一般的情報資料則以每2年~3年翻一番的速度增加。大量資料的存儲、分析、檢索和傳播，迫切需要高密度、大容量的存儲介質和管理系統。

1898年荷蘭的Valdemar Poulsen發明了世界上第一個磁記錄設備：磁線錄音機，從此，開始了傳統的磁記錄應用實踐。在隨后的一個多世紀里面，出現了多種不同種類的磁記錄設備：磁帶機，磁芯存儲器，磁盤等等。雖然有大量不同的磁存儲設備出現，但是磁記錄的基礎原理仍然是上述的鐵磁性材料能夠保持外磁場磁化方向的特性。傳統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。

但是，隨著記錄密度的提高(目前的硬盤記錄密度已經能夠達到 30Gb/cm2)，能夠獲得的感生電流的強度和信噪比已經過小，造成讀入設備的誤碼率已經不能達到要求。計算機和信息產業的發展使越來越多的信息內容以數字化的形式記錄、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 。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展成為快捷、方便、容量巨大的存儲技術，各種光ROM紛紛產生。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點。

光存儲技術是采用激光照射介質，激光與介質相互作用，導致介質的性質發生變化而將信息存儲下來的。讀出信息是用激光掃描介質，識別出存儲單元性質的變化。在實際操作中，通常都是以二進制數據形式存儲信息的，所以首先要將信息轉化為二進制數據。寫入時，將主機送來的數據編碼，然后送入光調制器，這樣激光源就輸出強度不同的光束。

多階光存儲是目前國內外光存儲研究的重點之一，緣于它可以大大地提高存儲容量和數據傳輸率。在傳統的光存儲系統中，二元數據序列存儲在記錄介質中，記錄符只有兩種不同的物理狀態，例如只讀光盤中交替變化的坑岸形貌。多階光存儲是讀出信號呈現多階特性，或者直接采用多階記錄介質。多階光存儲分為信號多階光存儲和介質多階光存儲。


光存儲的基本原理

常見的照相術就是最早的光存儲技術。無論是膠片感光靈敏度、分辨率、色彩，還是照相儀器，都取得了長足的進步，不僅能拍攝靜止景物，還能通過電影、電視將活動圖像記錄和再現。然而， 包括全息照相在內的照相術，都屬于模擬光存儲范疇，它在存儲容量、存儲密度及傳輸速率等方面都受到一定限制。隨著信息社會的發展，特別是激光的出現和計算機的日益普及，數字光儲技術開始興起，數字光盤的誕生成為存儲技術的一項重大突破。

迄今為止，絕大部分商品化光盤存儲系統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，通常稱為燒蝕記錄。

在實際操作中，一般用電腦來處理信息，因為電腦只能識別二進制數據，所以要在存儲介質上面儲存數據、音頻和視頻等信息，首先要將信息轉化為二進制數據。現在常見的CD光盤、DVD光盤等光存儲介質，與軟盤、硬盤相同，都是以二進制數據的形式來存儲信息的。寫入信息時，將主機送來的數據經編碼后送入光調制器，使激光源輸出強度不同的光束，調制后的激光束通過光路系統， 經物鏡聚焦然后照射到介質上，存儲介質經激光照射后被燒蝕出小凹坑，所以在存儲介質上，存在被燒蝕和未燒蝕兩種不同的狀態，這兩種狀態對應著兩種不同的二進制的數據。

聚焦光束人射到光盤上，如果光盤上已經存在記錄信息，反射光的特征，例如，光強、光的相位或者光的偏振狀態將發生某種變化，通過電子系統處理可以再現原始記錄的數據信息，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。

另外，可擦寫光盤的存儲介質為使光照點的結晶態發生變化，即相變型介質。而磁光存儲材料的光盤的存儲介質則是產生磁化方向的改變，從而記錄或刪除信息。


我國“超級光盤”誕生

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

光存儲技術具有綠色節能、安全可靠、壽命長達50~100年的獨特優勢，非常適合長期低成本存儲海量數據，然而受到衍射極限的限制，傳統商用光盤的最大容量僅在百GB量級。在信息量日益增長的大數據時代，突破衍射極限、縮小信息點尺寸、提高單盤存儲容量長久以來一直都是光存儲領域的不懈追求。

從光學顯微技術，到當今“卡脖子”技術的光刻機，再到光存儲技術，無一不被光學衍射極限所限制。在2021年Science發布的全世界最前沿的125個科學問題中，突破衍射極限限制更是在物理領域高居首位。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難題，有助于我國在存儲領域突破“卡脖子”障礙，將在大數據數字經濟中發揮重大作用，以滿足信息產業領域的重大需求。

上世紀八十年代，上海光機所干福熹院士開創了我國數字光盤存儲技術的研究，研究團隊一直深耕光存儲領域。依托于豐厚的研究基礎和創新技術方案，基于雙光束超分辨技術及聚集誘導發光存儲介質，在信息寫入和讀出均突破了衍射極限的限制，實現了點尺寸為54nm、道間距為70nm的超分辨數據存儲，并完成了100層的多層記錄，單盤等效容量約1.6 Pb。經老化加速測試，光盤介質壽命大于40年，加速重復讀取后熒光對比度仍高達20.5：1。

這是國際上首次實現Pb量級的超大容量光存儲，得到了審稿人的高度評價：“這是一種具有突破性創新的Pb級光存儲技術…”“與現有其它技術相比，該技術在性能方面提供了最高的光存儲面密度…”“研究成果可能會帶來數據中心檔案數據存儲的突破，解決大容量和節能的存儲技術難題…”。

未來，研究團隊將加快原始創新和關鍵技術攻關，推動超大容量光存儲的集成化和產業化進程，并拓展其在顯微成像、光刻、傳感、光信息處理領域的交叉應用，產出更多更優秀的創新成果。