单盘容量Pb级！我国在光存储领域突破衍射极限限制

shuszhao

提起光盘，可能很多95后、00后的朋友甚至都没用过。在CD、DVD等光盘所向披靡的时代，几乎所有电脑上都必须带一个光驱，自从U盘兴起之后，这种存储介质就逐渐退出了消费舞台。
光存储技术具有绿色节能、安全可靠、寿命长达50~100年的独特优势，非常适合长期低成本存储海量数据，然而受到衍射极限的限制，传统商用光盘的最大容量基本不超过500GB量级。
在如今信息量日益增长的大数据时代，人们对数据存储的需求越来越高。根据数据存储专业机构出具的白皮书显示，到2025年全球数据总量将由2018年的33 ZB增加到175 ZB(ZB即“泽字节”，1 ZB等于10亿TB，即太字节)，如果用时下比较主流的1TB容量的移动硬盘装这些数据，则至少需要使用1750亿个。这样不仅成本高昂，而且数据存储的寿命短。
  

单盘等效容量Pb级成就达成


突破衍射极限、缩小信息点尺寸、提高单盘存储容量长久以来一直都是光存储领域的不懈追求。近日，中国科学院上海光学精密机械研究所(以下简称“上海光机所”)与上海理工大学等科研单位合作，在超大容量三维超分辨光存储研究中取得突破性进展。
上海理工大学光子芯片研究院院长、张江实验室光计算所所长顾敏院士团队利用国际首创的双光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术，实验上首次在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为54nm、道间距为70nm的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量达Pb量级（1Pb=1000Tb），相当于100个商用硬盘。对于我国在信息存储领域突破“卡脖子”障碍、实现数字经济的可持续发展具有重大意义。

                               
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Pb级光盘制备及读写方式示意图(上海理工大学供图)

研究成果以“Pb容量三维纳米光子存储”(A 3D nanoscale optical disk memory with petabit capacity)为题，2024年2月22日发表于国际顶级学术期刊《自然》(Nature)杂志正刊上。
上海理工大学光子芯片研究院院长、张江实验室光计算所所长顾敏，上海理工大学文静教授，中国科学院上海光学精密机械研究所阮昊研究员为通讯作者。中国科学院上海光机所赵苗博士后和文静教授为该成果并列第一作者。

人类在突破光学衍射极限的道路上，从未止步


1994年，德国科学家斯特凡·W·赫尔（Stefan W. Hell）教授提出受激辐射损耗显微技术，首次证明了光学衍射极限能够被打破，并在2014年获得诺贝尔化学奖，经过20多年的发展，在显微成像、激光纳米光刻等多个领域实现了光学超分辨成果，信息的超分辨写入已经得到了解决。
然而，传统染料在聚集状态下极易发生荧光猝灭，造成信息的丢失，在纳米尺度下还存在被背景噪声湮没的难题，导致超分辨的信息难以读出，通常依赖电镜扫描的读出方式，限制了超分辨技术在光存储领域中的应用。
因此，发展可同步实现超分辨写、超分辨读、三维存储及长寿命介质是10多年来光存储研究领域亟待解决的难题。
自20世纪80年代，上海光机所干福熹院士开创了我国数字光盘存储技术的研究，上海光机所团队一直深耕光存储领域。2013年，顾敏院士团队利用双光束的原理实现了9纳米激光直写技术，在激光直写领域实现超分辨。
然而，一直缺乏可行的材料能做到双光束存储：能超分辨写、超分辨读、三维存储及长期保存。研究团队“两条腿走路”，一边突破衍射极限限制，一边寻求合适的材料。“揭榜挂帅”下，多支科研团队纷纷投入，共同探寻突破。
“我们在国际上首创光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术，可调控聚集诱导发光效应和区域，将信息记录点缩小到纳米级别，同时实现超分辨读出，在光存储领域突破衍射极限。”上海光机所空天激光技术与系统部研究员、论文共同通讯作者之一的阮昊研究员介绍。

                               
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100层记录和二进制编码译码复原结果。图自《自然》(Nature)的“Pb容量三维纳米光子存储”(A　3D　nanoscale　optical　disk　memory　with　petabit　capacity)论文。（上海理工大学供图）

一张抵得上一万张蓝光盘


科研人员依托于丰厚的研究基础和创新技术方案，基于双光束超分辨技术及聚集诱导发光光刻胶材料相结合，在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制。首次证实可以在三维空间实现多至百层的、超分辨尺寸下的信息点的写入和读出，实现了点尺寸为54nm、道间距为70nm的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量约1.6Pb，相当于至少一万张蓝光光盘的容量。
经老化加速测试，光盘介质寿命大于40年，加速重复读取后荧光对比度仍高达20.5∶1，这是国际上首次实现Pb量级的超大容量光存储。
在这项技术的推动下，存下全球一年数据所需的Pb级光盘的数量相较于硬盘可以减少两个数量级，达到“以一抵百”的效果。“光盘的原始误码率为0.33%，经过纠错技术后，单盘的误码率基本接近零。”阮昊补充道，“在镀保护层等操作后，光盘寿命有望达到百年。”

                               
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超分辨信息记录结果（上海理工大学供图）

不单在光存储，研究成果还将造福其他领域


从光学显微技术，到当今“卡脖子”技术的光刻机，再到光存储技术，无一不被光学衍射极限所限制。“2021年《科学》发布的全世界最前沿的125个科学问题中，光学衍射极限高居物理领域首位，同时也是2024年《自然》最新发布的将在未来一年关注的7个技术领域之一。可以说，我们团队攀上了这一领域的‘珠穆朗玛峰’。”顾敏说。
该超分辨光盘的成功研制在信息写入和读出都突破了这一物理学难题，有助于我国在存储领域突破“卡脖子”障碍，将在大数据数字经济中发挥重大作用，以满足信息产业领域的重大需求。
顾敏介绍，该Pb级海量三维纳米光子存储技术是划时代的技术。以深度学习模型GPT为例，其背后的数据集，如总索引网页数量多达58亿，整个互联网的文本大小约为56Pb，如果还是用1TB容量的移动硬盘去存储这些数据，平铺开来相当于一个标准田径场的面积。而此次科研团队开发的三维纳米光子存储可以将存储空间节省至一台电脑大小，极大地降低了经济成本。

                               
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1张光盘可替代海量存储设备。(上海理工大学供图)

此外，为了维持数据库严苛的运行环境(如恒温恒湿、防磁防尘)需要产生巨大的能耗，以2022年为例，我国数据中心总耗电量约2700亿千瓦时，超过2座三峡水电站的年发电量。尤其令人头疼的是，每隔3到10年还需要定期进行数据迁移，这样就存在数据被篡改或丢失的风险，且存储寿命短。此次科研团队开发的光子存储技术可以把耗能降低几个数量级，寿命可达50到100年。
未来，研究团队将加快原始创新和关键技术攻关，推动超大容量光存储的集成化和产业化进程，并拓展其在显微成像、光刻、传感、光信息处理领域的交叉应用，产出更多更优秀的创新成果。

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