, 吴恒宇1 1. 北京理工大学 光电学院, 北京 100081;
2. 北京理工大学 深圳研究院, 广东 深圳 518057
2019-05-22 收稿, 2019-06-24 录用
基金项目: 深圳市科技创新计划项目（JCYJ20170817114558026，JCYJ20170817114937658）资助
*通讯作者: 冯云鹏, E-mail: roc@bit.edu.cn
摘要: 随着信息技术的高速发展和大数据时代的到来，有效存储和管理海量数据的要求对数据存储技术提出了严峻挑战。光存储技术在能耗、容量、成本、寿命、安全等方面的优势，使其正逐渐成为未来数据存储的主流技术。本文围绕光存储技术的维度展开论述，纵向介绍了几种常用的光存储技术。目前以光盘为代表的二维面存储技术，存储容量已接近其理论存储极限（23.5 GB/disc）；以双光子吸收技术、全息存储技术为代表的三维体存储技术，其存储容量相较二维存储技术提升了2~4个数量级；五维存储技术进一步扩展了数据存储的维度。可以预见，未来光存储技术会在大存储容量、超高存取速度、高性能存储材料、多维度存储技术等方面取得突破和进展。
关键词: 光盘存储双光子存储体全息存储五维存储
Process of Multi-dimensional Information Recording and Reproduction Technologies
WANG Qian1, YU Le2, FENG Yunpeng1
, WU Hengyu1 1. School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, P. R. China;
2. Shenzhen Research Institute, Beijing Institute of Technology, Shenzhen 518057, P. R. China
*Corresponding author: FENG Yunpeng, E-mail: roc@bit.edu.cn
Abstract: With the rapid development of information technology and the arrival of information explosion era, the effective storage and management of massive data puts forward a serious challenge to data storage technology. Optical storage gradually become a mainstream technology for data storage due to its advantages in terms of energy consumption, capacity, cost, longevity, and security. The dimensions of optical storage technologies are focused to introduce several common optical storage technologies in this paper. At present, the storage capacities of two-dimensional surface storage technologies have approached theoretical storage limit(23.5 GB/disc). Three-dimensional storage technologies contain two-photon absorption technology, volume holographic storage technology and so on. Those capacities are improved by 2 to 4 orders of magnitude compared with two-dimensional storage technologies. Five-dimensional storage technology further expands the dimensions of data storage. Predictively, optical storage technologies will achieve big breakthroughs and progresses in the field of large storage capacities, ultra-high access speed, high-performance storage materials, and multi-dimensional storage technologies.
Key words: disc storagetwo-photon storagevolume holographic storagefive-dimensional storage
人类已经进入大数据时代，海量数据的高速存储、长期保存成为信息技术领域的重大需求。据国际数据公司(International Data Corporation, IDC)统计报告显示，2025年全球数据量将达到175 ZB(1 ZB=103 EB=106 PB=109 TB=1012 GB)，其中温冷数据储存量约占总数据量的80%以上[1]。目前，数据中心存储数据的主流技术是基于电或磁的存储技术，这种存储技术不仅成本高、耗能大、有效可靠寿命短、易受电磁干扰，而且其存储容量也已达到极限(285 GB/cm2)[2]。光学存储技术凭借其超大的存储容量、高速的存取速度、超长的使用寿命等优良特性，特别适合于海量数据的长期安全保存。业界普遍认为光存储技术会成为下一代存储技术的核心[3-6]。在现有光存储技术的研究中，排除编码等影响因素，提高光存储系统容量的方法主要有多维度信息复用技术和深亚波长光学超分辨技术。深亚波长光学超分辨技术通过突破光学衍射极限来增加信息存储容量，即不断地缩小会聚到光盘上的记录点，来实现大容量存储，这种方法对光盘的体积利用率较低。在超分辨技术中存储容量相对较高的是受激发射损耗(stimulated emission depletion，STED)荧光显微三维光存储技术，其存储容量可达30 TB/disc[7]，但与多维存储技术的存储密度相比仍有差距。本文围绕光学存储技术的维度展开论述，分别介绍了以光盘为主的二维面存储技术、以双光子吸收存储/全息存储技术为主的三维体存储技术和以金纳米棒为存储材料的五维存储技术，总结了多维度光学存储技术的研究现状和未来的发展趋势。
1 二维面存储技术二维存储是将信息存储在二维平面上，如以磁记录技术为原理的磁盘；集精密机械、微电子电路、电磁转换为一体的硬盘；综合DRAM(dynamic random access memory)、磁盘存储和高速缓冲存储器的磁电存储器；用光来记录和读取信息的光盘；等等。其中，光盘存储技术因其存储容量大、耗能少得到广泛应用。
光盘存储技术是利用激光照射存储介质表面，通过发生物理或者化学变化来存储数字型信息的一种存储技术[3]。常用的光盘存储技术有CD (compact disc)、DVD (digital video disc)和Blue DVD (blue digital video disc)。在信息记录过程中，激光会聚到烧蚀型存储介质表面，材料吸收激光能量而产生热烧蚀，形成小穴或气泡来记录信息；在信息访问过程中，利用小穴或气泡与周围介质的反射率不同，读取出信息[8]。激光会聚到光盘上的光斑尺寸越小，光盘的存储容量就越大。但由于受光学衍射极限的影响，光斑尺寸受聚焦物镜和激光波长限制r=0.61λ/NA，其中r为光斑尺寸，λ为激光波长，NA为聚焦物镜的数值孔径[4, 5]。利用红光激发(780 nm)和低数值孔径(0.45)的写入物镜，CD存储技术的存储密度可以达到650~750 MB/disc。
在光盘存储中，要提高存储密度，可以通过减小聚焦光斑，即缩短记录激光波长或增大写入物镜的数值孔径来实现[8]。图 1(a)~(c)所示为各类光盘中聚焦光斑尺寸发展的对比图[3]。DVD技术通过降低记录激光波长至650 nm，提高数值孔径到0.6，将CD技术的聚焦光斑尺寸缩小了约37.5%，存储密度达到4.7 GB/disc。蓝光DVD将波长缩短至405 nm，数值孔径提高到0.85，进一步将DVD技术的聚焦光斑尺寸缩小了约56%，存储密度提升到23.5 GB/disc。
图 1
 | 图 1 光学装置和光盘[8] (a) CD存储技术，λ=780 nm，NA=0.45，存储密度0.7 GB/disc；(b) DVD存储技术，λ=650 nm，NA=0.6，存储密度4.7 GB/disc；(c) Blue DVD存储技术，λ=405 nm，NA=0.85，存储密度23.5 GB/disc；(d)三维CD存储技术，λ=900 nm，NA=1.4，存储密度298 GB/disc Optical 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 |
为进一步满足大容量数据存储的需求，人们提出了光盘库的概念，即把超万张的光盘放置在同一个库内，以扩大数据存储容量。曹强等[9]设计和开发的一种超大容量光盘库, 如图 2所示。该光盘库为六瓣转笼式结构，有6列×10层×17个槽匣×12张光盘，共计12240张光盘。可通过机械装置和分布式存储实现单张光盘的独立自动存取。但是光盘库只是光盘数量上的增加，光盘自身的存储容量和密度仍没有突破。
图 2
 | 图 2 超大容量光盘库的机械结构示意图[9] Schematic of mechanical structure of an ultra-large scale optical disc library[9] |
以光盘为主的二维面存储技术，由于受光学衍射极限的限制，其记录激光波长和写入物镜的数值孔径都已到了能够改变的极限。而且，采用更短波长的记录激光需要更复杂的光学系统、昂贵的光学元件和新的存储介质等，使得光存储的成本增加。因此，研究其它高存储容量的存储技术具有十分重要的科学意义和应用价值。
2 三维体存储技术鉴于二维面存储技术只用到了光盘的表面部分，约占光盘体积的0.01%[3]，光盘的体积资源并没有得到充分的利用。因此，人们将两维面存储进行累加或堆积构成了三维体存储技术，如图 1(d)所示。三维体存储能将二维光存储的存储密度提高2~4个数量级[3]。但在实现三维体存储的过程中，当记录光束聚焦到介质内部时，其所发生的光学散射会降低存储技术的聚焦效率和记录效率，限制了体存储技术的发展。如何消除相邻数据层之间的相互干扰，是实现三维体存储技术的主要困难。目前双光子吸收技术的非线性激发特性能够增加存储介质层与层之间的抗干扰能力，很好地解决了这一问题。此外，全息存储技术的体式存储特性，也能够将存储技术扩展到三维。
2.1 双光子存储技术对于采用单光子吸收技术的存储系统，入射激光垂直传输方向的每一层吸收相同的能量，很难区分出聚焦焦点对固定某一层的作用，在焦平面存储信息的同时也强烈影响了焦平面上下的介质层。
双光子吸收是指介质在强光激发作用下，基态电子会同时吸收两个光子跃迁到激发态，如图 3(a)所示，光子跃迁速度与光强的平方成正比。在光存储中，可通过存储介质与飞秒激光束的双光子吸收作用，实现光信息的三维体存储。由于双光子激发与入射光光强成正比，每层的净激发与该层离焦点距离的平方成反比，因此能够将信息写到某一焦平面层而不会严重干扰到邻近层[10, 11]。在双光子存储技术中，受光照激发点与未受激发点的任何光物理和化学机制的差异，如光致变色效应、光致聚合效应、光折变效应等，都可被用作信息的光记录和光读出[12]。理论上，双光子吸收存储密度最高可达3.5 TB/cm3[13]。
图 3
 | 图 3 双光子存储技术[12] (a)单光子和双光子吸收过程对应的能级跃迁图；(b)双光子三维存储示意图 Two-photon storage technology[12] (a) Energy diagram for single-photon and two-photon absorption; (b) schematic of two-photon three-dimensional storage |
一种正交模式的双光子吸收三维光存储系统如图 3(b)所示[12]，激光束λ1和激光束λ2相互正交，λ1用来记录信息，λ2用来选择存储面。只有当两束光在时间和空间上重叠时才会有较强的双光子吸收发生，进而改变存储介质的物理或化学性质，实现光信息存储。在两束光没有会聚在一点的地方，光束可以通过，但是不会发生任何反应，保证了三维记录的可行性。
2.2 体全息存储技术自上世纪60年代激光器问世以后，有关全息光存储的研究就开始了。全息存储不同于传统光盘存储，它利用信息光和参考光在存储介质中发生干涉，从而以干涉条纹的方式将信息存储在介质中[14]。在恢复数据时，只需用与干涉时相同的参考光照射存储介质，即可恢复出原信息。
全息存储技术有体式存储和并行读写两种显著特点。体式存储是指它可以将多个存储信息存储在存储介质的同一位置，实现方法有波长复用、角度复用、相位复用、空间复用等。其存储密度理论上可达1/λ3量级[15]，其中λ为记录光波波长。并行读写是指信息以数据页为单位进行读写，传输速率高，可达1 GB/s。在全息存储技术中，存储材料占有很重要的位置，存储材料的性能在很大程度上限制着全息存储技术的发展。目前，全息存储材料主要有光折变材料(如铌酸锂晶体LiNbO3)、光致聚合物和液晶材料等。
全息存储系统的光路，有离轴光路和同轴光路两种。离轴全息存储系统以InPhase公司产品为代表，同轴全息存储系统以Optware公司产品为代表。图 4所示为InPhase公司的系统[16]，是典型的离轴全息存储系统。偏振分束器1(polarizing beam splitter, PBS)将激光束分成两束，经过空间光调制器(spatial light modulator, SLM)的一束为信息光，另一束为参考光，两束光在存储介质上进行干涉。参考光路中的振镜(galvo mirror)可以改变参考光的角度，实现角度复用。读取时，利用参考光的共轭光读取信息(图中淡紫色光路)，经过光学系统在CCD上成像出原存储信息。
图 4
 | 图 4 离轴全息存储系统[16] HWP：半波片；PBS：偏振分束器；SLM：空间光调制器 Off-axis holographic storage system[16] HWP: half-wave plate; PBS: polarizing beam splitter; SLM: spatial light modulator |
图 5所示为同轴全息系统[17]，将要存储的信息和参考光同时编码调制在数字微镜空间光调制器(digital microwave device, DMD)上。记录光波采用的是绿光或蓝光。在记录时，DMD上的物光和参考光同时被点亮，光束经透镜系统，最终在存储介质上进行干涉，完成记录过程；在数据再现阶段，DMD上只有参考光点亮，参考光经透镜系统照射到存储介质上，经介质的反射层反射，返回到CMOS成像传感器，恢复出原图像。图中的红光是伺服系统，用来控制和检测聚焦物镜的移动，使记录光波携带的信息会聚在介质特定的位置上，实现控制和定位的功能。
图 5
 | 图 5 带有伺服系统的同轴全息存储系统[17] DVD：数字微镜装置；PBS：偏振分束器；DBS：双光分束器；QWP：1/4波片；HVD：全息多功能光盘 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 |
与传统光盘存储技术相比，体全息存储技术不仅能够极大地提升存储容量和存储密度，同时由于空间光调制器的存在，多个数据可以通过振幅或相位编码的方式调制到同一张数据页上，信息以数据页为单位并行传输，进而显著提高了信息的传输速率。此外，全息存储以干涉条纹的存储方式存储数据，安全性较高。不足之处是，全息存储需要两束光进行记录数据，操作相对复杂。
3 五维光存储技术当金属材料的尺寸缩减到纳米尺度时，会出现许多优异的光学和电学特性。一些优异的光学特性，如增强的双光子吸收系数、吸收和荧光随颗粒尺寸的可调节性以及受物理形态敏化的偏振吸收特性，为多维光存储的实现提供了传统材料无可比拟的优势[3, 18]。
2009年，顾敏研究组提出了一种五维存储技术[19]，在入射光照射下，金纳米棒材料发生的纵向表面等离子共振(surface plasmon resonance, SPR)效应，会对入射光的波长和偏振态产生明显的选择吸收特性，如图 6(a)和(b)所示。当采用匹配的等离子共振波长和偏振激光激发金纳米棒材料时，基于表面原子扩散机理，金纳米棒在熔点以下温度会出现特殊的再成型行为[20]，如图 6(c)所示。这种纳米尺寸内的光致形变过程被应用在多维光存储技术上，实现了波长、偏振态和3个空间域同时存储的五维存储技术，存储密度可达1.6 TB/disc[13]。数据再现时，使用与记录时相同的波长和偏振的激光照射存储介质，可探测到纵向SPR调制的双光子荧光信号，恢复出原存储信息。由于金纳米棒材料的双光子高吸收截面，可以使得信息无损、无串扰地读出。
图 6
 | 图 6 金纳米棒的光学特性[19, 20] (a)金纳米棒的吸收光谱随纳米颗粒尺寸的增大而红移；(b)金纳米棒的等离子共振偏振选择吸收特性；(c)金纳米棒特殊的再成型行为 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 |
五维存储原理图如图 7所示。该技术使用的存储材料的制备流程大致如下：将3种不同纵横比的纳米棒混合在一起，再混入占总重量15%的聚乙烯醇溶液，将混合液旋涂在玻璃盖玻片上，存储介质层的厚度为1±0.2 μm，其中纳米微粒的浓度为400±50 nmol/L，在图 7(a)中0.95 NA 40×物镜的聚焦体积中，约有200个金纳米棒；随后用折射率为1.506的透明压敏胶压在旋涂层上，压敏胶的厚度为10±1 μm。重复上述过程，使存储介质的层数不断增加。需要注意的是，在存储时，存储材料上一层会对下一深层产生消光作用，随着存储材料层的增加，存储的页间串扰也会增加。一般存储材料每多一层，用于存储的激光能量需提高20%以优化存储通道、降低页间串扰，故存储材料的最高层数与所用激光器的能量有关。图 7(a)中使用的存储介质层数为3层。
图 7
 | 图 7 五维存储原理图[19] (a)存储示意图，采用3种波长和3种偏振态的激光，可以在存储介质的同一点存储9幅图片；(b)光热图像，金纳米棒的不同纵横比和走向对激光的波长和偏振态具有选择特性，采用特定波长和偏振态的激光照射金纳米棒，与其对应的金纳米棒将会发生形变 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 |
在图 7(b)光热图像中可以看到，在未经激光照射的存储介质中，存在3种不同纵横比(纵横比分别是2±1、4.2±1和6±2)和2种不同走向(横和竖)的金纳米棒。分别采用s偏振、λ=840 nm的激光和p偏振、λ=980 nm的激光照射金纳米棒颗粒，与其对应的不同纵横比和走向的金纳米棒会发生等离子共振，形变为球状，可用来记录存储信息。在读取阶段，采用与记录时相同波长和偏振态的激光照射存储介质，便可探测到对应的原存储信息。在图 7(a)中，采用3种波长和3种偏振态的激光照射存储介质，可在含有3种不同纵横比的金纳米棒的存储介质的同一点存储9幅图片。
五维存储技术的出现得益于纳米光子学的发展，利用金纳米棒材料对激光波长和偏振态的选择特性，该技术既突破了传统光盘存储的光学衍射极限[21]，同时也使得存储介质的体积得到了充分的利用。凭借其超大的存储容量和优良的存储性能，五维存储技术极有可能会发展成为光学存储的核心技术。
4 总结与展望为满足飞速增长的大数据存储需求，信息存储从电磁技术到二维存储、三维存储，再到多维存储，存储容量在不断提升。几种主流存储技术的性能对比如表 1所示。
表1
 表 1 几种存储技术的性能指标 Properties of several storage technologies
| 表 1 几种存储技术的性能指标 Properties of several storage technologies |
目前，磁盘和光盘的商业应用已经很广泛了。在全息存储方面，2005年，InPhase公司推出了首款300 GB的商业全息存储驱动器[22]；2009年，GE全球研发中心成功开发出一种微型全息光盘[23]，容量可达500 GB，相当于100张DVD光盘的存储容量，但与全息存储的理论存储极限相比仍有较大差距，有很大的提升空间。同时，全息技术大部分仍停留在实验室阶段，更加成熟的商业化方案有待进一步发展。2016年，英国南安普顿大学开发出利用玻璃中的微型纳米结构编码信息的五维存储技术，据称一张标准光碟上能保存约360 TB的数据，在190 ℃的环境中可保存138亿年，但这种技术的商用化还在研究当中[24]。
在各存储技术的对比中，可以看到光存储技术未来的发展趋势：
1) 大存储容量：伴随着大数据时代的到来，海量数据的存储需求激励人们不断研发大存储容量的存储技术。从目前光存储技术的发展来看，多维光存储技术凭借其超大的存储容量，在存储领域颇有发展及应用前景，预计光存储技术会向多维度方向发展。
2) 高速的存取速度：海量数据的存储需要高速的存储和读取速度，否则在存取过程中，所耗费的时间成本是难以估计的。高速的存取速度能够提升存储技术的使用性能，更加便捷、人性化。
3) 超长的使用寿命：磁盘和光盘由于其寿命较短，每隔一段时间就需要将数据进行重新存储，这将耗费大量的管理和资源成本。因此，超长寿命的存储技术是人们迫切需要的。
4) 存储介质的高稳定性：存储介质的稳定性一方面能够提升存储技术的寿命，另一方面还能够提升存储盘的环境适应性，如温度、湿度等，降低存储环境要求、便于管理。此外，高性能的存储介质还将引发存储技术的革新，比如金纳米棒在存储上的应用，带来了超大存储容量的五维存储技术。
展望未来，伴随着人们对海量数据存储需求的不断增加，光学存储技术凭借其超大的存储容量、高速的存取速度、超长的使用寿命等优良特性，必将成为大数据存储时代的佼佼者。
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