通往大数据应用的光存储技术:在远小于一个光子的空间存储数据
【暨南大学曹耀宇研究员和李向平研究员团队】


        在信息时代,智能手机、物联网、生物遗传数据、大气、地理信息等各个领域的数据信息与人们生活、社会经济乃至国家安全息息相关。
        从20世纪40年代开始,以电子计算机技术引发的信息技术革命独树一帜,标志着现代人类文明最辉煌、最主要的成就。而伴随着信息社会的快速演化,特别是大数据、人工智能技术的发展,如何保存预计到2025年全球可能高达175 ZB (相当于1750亿TB)的数据信息开始受到深切关注,成为当前现代信息技术需要迫切解决的问题之一。
        诞生于上世纪80年代的商用光学数据存储技术曾经是从个人PC到企业级服务器等各种电子计算系统存储设备的标配,以其高存储容量、低能量消耗等优势,影响数据存储方式二十余年。然而受光学物理衍射极限的制约,存储数据点的物理尺寸与光波长相当,相对过大的尺寸导致光盘等光学数据存储方式的存储容量通常只能达到GB量级,与如今动辄数10 TB的存储需求存在巨大鸿沟。因此,如何突破物理极限束缚,将单张光盘的存储容量从GB量级提高到TB甚至PB量级,是实现利用光学数据存储技术解决未来数据存储危机的关键。


        近日,暨南大学光子技术研究院的曹耀宇研究员和李向平研究员团队,撰写了基于超分辨光存储技术的综述。该综述以《超分辨光存储研究进展》为题,总结了基于超衍射极限分辨率的光学存储技术的原理和国内外发展现状,包括远场超分辨的三维光存储(如基于双光子吸收过程和饱和受激发射损耗荧光过程光数据存储)和近场超分辨二维光存储(如近场探针扫描显微存储、近场固体浸没透镜存储和超分辨近场结构存储),并探讨了获取物理尺寸远小于光波长的存储数据点的原理与技术。
        受到光学衍射极限的限制,光学数据存储技术中记录光斑大小为半个波长左右。1994年,德国科学家Stefan Hell提出受激发射损耗(STED)荧光显微技术,用两束光完成光激发控制,成功突破衍射极限。在激光加工技术中,用两束光(激发光束和抑制光束)代替一束光,使加工区域限定在更小的范围内。2013年,甘棕松、曹耀宇等利用双光束加工技术,在新型化学双通道光响应树脂中实现了双线横向分辨率52 nm、最小特征尺寸9 nm的悬空纳米线。2015年,李向平、曹耀宇等将双光束超分辨技术应用在光学数据存储领域,实现了最小33 nm的记录点,提出并证明了Gb/s数据记录速率解决方案,验证了超大容量、超快记录速度的光存储技术,如图1所示。有望解决信息爆炸时代的数据存储容量和速度问题,以及数据存储保存能耗问题。此外,综述中还介绍了基于远场超越光学衍射极限的双光子吸收三维光存储技术和基于近场超越光学衍射极限的近场探针扫描显微存储、近场固体浸没透镜存储和超分辨近场结构存储等二维光存储技术,如图2所示,并对基于超分辨光学存储技术当前存在的问题及未来发展方向进行了讨论。

 
图1  超高容量和超快光记录的平行纳米光刻
 


图2  超分辨光信息存储技术进展

研究团队简介
暨南大学光子技术研究院纳米光子及器件课题组,长期致力于激光加工及光存储超分辨、超材料和等离激元等方向的研究。在光存储研究方向,李向平研究员与曹耀宇研究员共同开发了基于双光束超分辨光存储技术,首次突破150年以来由德国科学家阿贝所发现的光学衍射物理极限,原理验证及实验实现最小记录点尺寸为33 nm,刷新光存储密度的世界纪录,将光存储的理论存储密度提高了10000倍以上。团队研究成员包含教师11名(其中教授/研究员2名,副教授/副研究员5名),博士后4名,研究生20余名。累计在Science, Light Science & Applications, Nano Letters, ACS Nano等国际权威期刊上发表高质量论文30余篇,主持国家级、省部级科研项目10余项。目前,实验室配备了一流的飞秒激光加工设备及微纳电子束加工设备,建立了世界先进的微纳米加工超净实验室。此外,课题组还一直与国外纳米光子学领域的杰出科学家保持着良好的合作关系。

相关论文
姜美玲, 张明偲, 李向平, 等. 超分辨光存储研究进展[J]. 光电工程, 2019, 46(3): 180649. 
DOI:10.12086/oee.2019.180649