王 倩， 余 樂(lè)， 馮云鵬*， 吳恒宇

(1. 北京理工大學(xué) 光電學(xué)院， 北京 100081； 2. 北京理工大學(xué) 深圳研究院， 廣東 深圳 518057)

人類已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，海量數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)、長(zhǎng)期保存成為信息技術(shù)領(lǐng)域的重大需求。據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司(International Data Corporation, IDC)統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，2025年全球數(shù)據(jù)量將達(dá)到175 ZB(1 ZB=103EB=106PB=109TB=1012GB)，其中溫冷數(shù)據(jù)儲(chǔ)存量約占總數(shù)據(jù)量的80%以上[1]。目前，數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的主流技術(shù)是基于電或磁的存儲(chǔ)技術(shù)，這種存儲(chǔ)技術(shù)不僅成本高、耗能大、有效可靠壽命短、易受電磁干擾，而且其存儲(chǔ)容量也已達(dá)到極限(285 GB/cm2)[2]。光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)憑借其超大的存儲(chǔ)容量、高速的存取速度、超長(zhǎng)的使用壽命等優(yōu)良特性，特別適合于海量數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期安全保存。業(yè)界普遍認(rèn)為光存儲(chǔ)技術(shù)會(huì)成為下一代存儲(chǔ)技術(shù)的核心[3-6]。在現(xiàn)有光存儲(chǔ)技術(shù)的研究中，排除編碼等影響因素，提高光存儲(chǔ)系統(tǒng)容量的方法主要有多維度信息復(fù)用技術(shù)和深亞波長(zhǎng)光學(xué)超分辨技術(shù)。深亞波長(zhǎng)光學(xué)超分辨技術(shù)通過(guò)突破光學(xué)衍射極限來(lái)增加信息存儲(chǔ)容量，即不斷地縮小會(huì)聚到光盤(pán)上的記錄點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)，這種方法對(duì)光盤(pán)的體積利用率較低。

在超分辨技術(shù)中存儲(chǔ)容量相對(duì)較高的是受激發(fā)射損耗(stimulated emission depletion，STED)熒光顯微三維光存儲(chǔ)技術(shù)，其存儲(chǔ)容量可達(dá)30 TB/disc[7]，但與多維存儲(chǔ)技術(shù)的存儲(chǔ)密度相比仍有差距。本文圍繞光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)的維度展開(kāi)論述，分別介紹了以光盤(pán)為主的二維面存儲(chǔ)技術(shù)、以雙光子吸收存儲(chǔ)/全息存儲(chǔ)技術(shù)為主的三維體存儲(chǔ)技術(shù)和以金納米棒為存儲(chǔ)材料的五維存儲(chǔ)技術(shù)，總結(jié)了多維度光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 二維面存儲(chǔ)技術(shù)

二維存儲(chǔ)是將信息存儲(chǔ)在二維平面上，如以磁記錄技術(shù)為原理的磁盤(pán)；集精密機(jī)械、微電子電路、電磁轉(zhuǎn)換為一體的硬盤(pán)；綜合DRAM(dynamic random access memory)、磁盤(pán)存儲(chǔ)和高速緩沖存儲(chǔ)器的磁電存儲(chǔ)器；用光來(lái)記錄和讀取信息的光盤(pán)；等等。其中，光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)因其存儲(chǔ)容量大、耗能少得到廣泛應(yīng)用。

光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)是利用激光照射存儲(chǔ)介質(zhì)表面，通過(guò)發(fā)生物理或者化學(xué)變化來(lái)存儲(chǔ)數(shù)字型信息的一種存儲(chǔ)技術(shù)[3]。常用的光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)有CD (compact disc)、DVD (digital video disc) 和Blue DVD (blue digital video disc)。在信息記錄過(guò)程中，激光會(huì)聚到燒蝕型存儲(chǔ)介質(zhì)表面，材料吸收激光能量而產(chǎn)生熱燒蝕，形成小穴或氣泡來(lái)記錄信息；在信息訪問(wèn)過(guò)程中，利用小穴或氣泡與周圍介質(zhì)的反射率不同，讀取出信息[8]。激光會(huì)聚到光盤(pán)上的光斑尺寸越小，光盤(pán)的存儲(chǔ)容量就越大。但由于受光學(xué)衍射極限的影響，光斑尺寸受聚焦物鏡和激光波長(zhǎng)限制r=0.61λ/NA，其中r為光斑尺寸，λ為激光波長(zhǎng)，NA為聚焦物鏡的數(shù)值孔徑[4,5]。利用紅光激發(fā)(780 nm)和低數(shù)值孔徑(0.45)的寫(xiě)入物鏡，CD存儲(chǔ)技術(shù)的存儲(chǔ)密度可以達(dá)到650～750 MB/disc。

在光盤(pán)存儲(chǔ)中，要提高存儲(chǔ)密度，可以通過(guò)減小聚焦光斑，即縮短記錄激光波長(zhǎng)或增大寫(xiě)入物鏡的數(shù)值孔徑來(lái)實(shí)現(xiàn)[8]。圖1(a)～(c)所示為各類光盤(pán)中聚焦光斑尺寸發(fā)展的對(duì)比圖[3]。DVD技術(shù)通過(guò)降低記錄激光波長(zhǎng)至650 nm，提高數(shù)值孔徑到0.6，將CD技術(shù)的聚焦光斑尺寸縮小了約37.5%，存儲(chǔ)密度達(dá)到4.7 GB/disc。藍(lán)光DVD將波長(zhǎng)縮短至405 nm，數(shù)值孔徑提高到0.85，進(jìn)一步將DVD技術(shù)的聚焦光斑尺寸縮小了約56%，存儲(chǔ)密度提升到23.5 GB/disc。

圖1 光學(xué)裝置和光盤(pán)[8](a) CD存儲(chǔ)技術(shù)，λ=780 nm，NA=0.45，存儲(chǔ)密度0.7 GB/disc；(b) DVD存儲(chǔ)技術(shù)， λ=650 nm，NA=0.6，存儲(chǔ)密度4.7 GB/disc； (c) Blue DVD存儲(chǔ)技術(shù)， λ=405 nm，NA=0.85，存儲(chǔ)密度23.5 GB/disc； (d) 三維CD存儲(chǔ)技術(shù)， λ=900 nm，NA=1.4，存儲(chǔ)密度298 GB/discOptical 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

為進(jìn)一步滿足大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求，人們提出了光盤(pán)庫(kù)的概念，即把超萬(wàn)張的光盤(pán)放置在同一個(gè)庫(kù)內(nèi)，以擴(kuò)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。曹強(qiáng)等[9]設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的一種超大容量光盤(pán)庫(kù),如圖2所示。該光盤(pán)庫(kù)為六瓣轉(zhuǎn)籠式結(jié)構(gòu)，有6列×10層×17個(gè)槽匣×12張光盤(pán)，共計(jì)12240張光盤(pán)?？赏ㄟ^(guò)機(jī)械裝置和分布式存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)單張光盤(pán)的獨(dú)立自動(dòng)存取。但是光盤(pán)庫(kù)只是光盤(pán)數(shù)量上的增加，光盤(pán)自身的存儲(chǔ)容量和密度仍沒(méi)有突破。

圖2 超大容量光盤(pán)庫(kù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖[9]Schematic of mechanical structure of an ultra-large scale optical disc library[9]

以光盤(pán)為主的二維面存儲(chǔ)技術(shù)，由于受光學(xué)衍射極限的限制，其記錄激光波長(zhǎng)和寫(xiě)入物鏡的數(shù)值孔徑都已到了能夠改變的極限。而且，采用更短波長(zhǎng)的記錄激光需要更復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)、昂貴的光學(xué)元件和新的存儲(chǔ)介質(zhì)等，使得光存儲(chǔ)的成本增加。因此，研究其它高存儲(chǔ)容量的存儲(chǔ)技術(shù)具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

2 三維體存儲(chǔ)技術(shù)

鑒于二維面存儲(chǔ)技術(shù)只用到了光盤(pán)的表面部分，約占光盤(pán)體積的0.01%[3]，光盤(pán)的體積資源并沒(méi)有得到充分的利用。因此，人們將兩維面存儲(chǔ)進(jìn)行累加或堆積構(gòu)成了三維體存儲(chǔ)技術(shù)，如圖1(d)所示。三維體存儲(chǔ)能將二維光存儲(chǔ)的存儲(chǔ)密度提高2～4個(gè)數(shù)量級(jí)[3]。但在實(shí)現(xiàn)三維體存儲(chǔ)的過(guò)程中，當(dāng)記錄光束聚焦到介質(zhì)內(nèi)部時(shí)，其所發(fā)生的光學(xué)散射會(huì)降低存儲(chǔ)技術(shù)的聚焦效率和記錄效率，限制了體存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。如何消除相鄰數(shù)據(jù)層之間的相互干擾，是實(shí)現(xiàn)三維體存儲(chǔ)技術(shù)的主要困難。目前雙光子吸收技術(shù)的非線性激發(fā)特性能夠增加存儲(chǔ)介質(zhì)層與層之間的抗干擾能力，很好地解決了這一問(wèn)題。此外，全息存儲(chǔ)技術(shù)的體式存儲(chǔ)特性，也能夠?qū)⒋鎯?chǔ)技術(shù)擴(kuò)展到三維。

2.1 雙光子存儲(chǔ)技術(shù)

對(duì)于采用單光子吸收技術(shù)的存儲(chǔ)系統(tǒng)，入射激光垂直傳輸方向的每一層吸收相同的能量，很難區(qū)分出聚焦焦點(diǎn)對(duì)固定某一層的作用，在焦平面存儲(chǔ)信息的同時(shí)也強(qiáng)烈影響了焦平面上下的介質(zhì)層。

雙光子吸收是指介質(zhì)在強(qiáng)光激發(fā)作用下，基態(tài)電子會(huì)同時(shí)吸收兩個(gè)光子躍遷到激發(fā)態(tài)，如圖3(a)所示，光子躍遷速度與光強(qiáng)的平方成正比。在光存儲(chǔ)中，可通過(guò)存儲(chǔ)介質(zhì)與飛秒激光束的雙光子吸收作用，實(shí)現(xiàn)光信息的三維體存儲(chǔ)。由于雙光子激發(fā)與入射光光強(qiáng)成正比，每層的凈激發(fā)與該層離焦點(diǎn)距離的平方成反比，因此能夠?qū)⑿畔?xiě)到某一焦平面層而不會(huì)嚴(yán)重干擾到鄰近層[10,11]。在雙光子存儲(chǔ)技術(shù)中，受光照激發(fā)點(diǎn)與未受激發(fā)點(diǎn)的任何光物理和化學(xué)機(jī)制的差異，如光致變色效應(yīng)、光致聚合效應(yīng)、光折變效應(yīng)等，都可被用作信息的光記錄和光讀出[12]。理論上，雙光子吸收存儲(chǔ)密度最高可達(dá)3.5 TB/cm3[13]。

一種正交模式的雙光子吸收三維光存儲(chǔ)系統(tǒng)如圖3(b)所示[12]，激光束λ1和激光束λ2相互正交，λ1用來(lái)記錄信息，λ2用來(lái)選擇存儲(chǔ)面。只有當(dāng)兩束光在時(shí)間和空間上重疊時(shí)才會(huì)有較強(qiáng)的雙光子吸收發(fā)生，進(jìn)而改變存儲(chǔ)介質(zhì)的物理或化學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)光信息存儲(chǔ)。在兩束光沒(méi)有會(huì)聚在一點(diǎn)的地方，光束可以通過(guò)，但是不會(huì)發(fā)生任何反應(yīng)，保證了三維記錄的可行性。

圖3 雙光子存儲(chǔ)技術(shù)[12](a) 單光子和雙光子吸收過(guò)程對(duì)應(yīng)的能級(jí)躍遷圖； (b) 雙光子三維存儲(chǔ)示意圖Two-photon storage technology[12](a) Energy diagram for single-photon and two-photon absorption; (b) schematic of two-photon three-dimensional storage

2.2 體全息存儲(chǔ)技術(shù)

自上世紀(jì)60年代激光器問(wèn)世以后，有關(guān)全息光存儲(chǔ)的研究就開(kāi)始了。全息存儲(chǔ)不同于傳統(tǒng)光盤(pán)存儲(chǔ)，它利用信息光和參考光在存儲(chǔ)介質(zhì)中發(fā)生干涉，從而以干涉條紋的方式將信息存儲(chǔ)在介質(zhì)中[14]。在恢復(fù)數(shù)據(jù)時(shí)，只需用與干涉時(shí)相同的參考光照射存儲(chǔ)介質(zhì)，即可恢復(fù)出原信息。

全息存儲(chǔ)技術(shù)有體式存儲(chǔ)和并行讀寫(xiě)兩種顯著特點(diǎn)。體式存儲(chǔ)是指它可以將多個(gè)存儲(chǔ)信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)的同一位置，實(shí)現(xiàn)方法有波長(zhǎng)復(fù)用、角度復(fù)用、相位復(fù)用、空間復(fù)用等。其存儲(chǔ)密度理論上可達(dá)1/λ3量級(jí)[15]，其中λ為記錄光波波長(zhǎng)。并行讀寫(xiě)是指信息以數(shù)據(jù)頁(yè)為單位進(jìn)行讀寫(xiě)，傳輸速率高，可達(dá)1 GB/s。在全息存儲(chǔ)技術(shù)中，存儲(chǔ)材料占有很重要的位置，存儲(chǔ)材料的性能在很大程度上限制著全息存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。目前，全息存儲(chǔ)材料主要有光折變材料(如鈮酸鋰晶體LiNbO3)、光致聚合物和液晶材料等。

全息存儲(chǔ)系統(tǒng)的光路，有離軸光路和同軸光路兩種。離軸全息存儲(chǔ)系統(tǒng)以InPhase公司產(chǎn)品為代表，同軸全息存儲(chǔ)系統(tǒng)以O(shè)ptware公司產(chǎn)品為代表。圖4所示為InPhase公司的系統(tǒng)[16]，是典型的離軸全息存儲(chǔ)系統(tǒng)。偏振分束器1(polarizing beam splitter, PBS)將激光束分成兩束，經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器(spatial light modulator, SLM)的一束為信息光，另一束為參考光，兩束光在存儲(chǔ)介質(zhì)上進(jìn)行干涉。參考光路中的振鏡(galvo mirror)可以改變參考光的角度，實(shí)現(xiàn)角度復(fù)用。讀取時(shí)，利用參考光的共軛光讀取信息(圖中淡紫色光路)，經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)在CCD上成像出原存儲(chǔ)信息。

圖4 離軸全息存儲(chǔ)系統(tǒng)[16]HWP：半波片；PBS：偏振分束器；SLM：空間光調(diào)制器Off-axis holographic storage system[16]HWP: half-wave plate; PBS: polarizing beam splitter; SLM: spatial light modulator

圖5所示為同軸全息系統(tǒng)[17]，將要存儲(chǔ)的信息和參考光同時(shí)編碼調(diào)制在數(shù)字微鏡空間光調(diào)制器(digital microwave device, DMD)上。記錄光波采用的是綠光或藍(lán)光。在記錄時(shí)，DMD上的物光和參考光同時(shí)被點(diǎn)亮，光束經(jīng)透鏡系統(tǒng)，最終在存儲(chǔ)介質(zhì)上進(jìn)行干涉，完成記錄過(guò)程；在數(shù)據(jù)再現(xiàn)階段，DMD上只有參考光點(diǎn)亮，參考光經(jīng)透鏡系統(tǒng)照射到存儲(chǔ)介質(zhì)上，經(jīng)介質(zhì)的反射層反射，返回到CMOS成像傳感器，恢復(fù)出原圖像。圖中的紅光是伺服系統(tǒng)，用來(lái)控制和檢測(cè)聚焦物鏡的移動(dòng)，使記錄光波攜帶的信息會(huì)聚在介質(zhì)特定的位置上，實(shí)現(xiàn)控制和定位的功能。

與傳統(tǒng)光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)相比，體全息存儲(chǔ)技術(shù)不僅能夠極大地提升存儲(chǔ)容量和存儲(chǔ)密度，同時(shí)由于空間光調(diào)制器的存在，多個(gè)數(shù)據(jù)可以通過(guò)振幅或相位編碼的方式調(diào)制到同一張數(shù)據(jù)頁(yè)上，信息以數(shù)據(jù)頁(yè)為單位并行傳輸，進(jìn)而顯著提高了信息的傳輸速率。此外，全息存儲(chǔ)以干涉條紋的存儲(chǔ)方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，安全性較高。不足之處是，全息存儲(chǔ)需要兩束光進(jìn)行記錄數(shù)據(jù)，操作相對(duì)復(fù)雜。

3 五維光存儲(chǔ)技術(shù)

當(dāng)金屬材料的尺寸縮減到納米尺度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)許多優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)特性。一些優(yōu)異的光學(xué)特性，如增強(qiáng)的雙光子吸收系數(shù)、吸收和熒光隨顆粒尺寸的可調(diào)節(jié)性以及受物理形態(tài)敏化的偏振吸收特性，為多維光存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)提供了傳統(tǒng)材料無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)[3,18]。

2009年，顧敏研究組提出了一種五維存儲(chǔ)技術(shù)[19]，在入射光照射下，金納米棒材料發(fā)生的縱向表面等離子共振(surface plasmon resonance, SPR)效應(yīng)，會(huì)對(duì)入射光的波長(zhǎng)和偏振態(tài)產(chǎn)生明顯的選擇吸收特性，如圖6(a)和(b)所示。當(dāng)采用匹配的等離子共振波長(zhǎng)和偏振激光激發(fā)金納米棒材料時(shí)，基于表面原子擴(kuò)散機(jī)理，金納米棒在熔點(diǎn)以下溫度會(huì)出現(xiàn)特殊的再成型行為[20]，如圖6(c)所示。這種納米尺寸內(nèi)的光致形變過(guò)程被應(yīng)用在多維光存儲(chǔ)技術(shù)上，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)、偏振態(tài)和3個(gè)空間域同時(shí)存儲(chǔ)的五維存儲(chǔ)技術(shù)，存儲(chǔ)密度可達(dá)1.6 TB/disc[13]。數(shù)據(jù)再現(xiàn)時(shí)，使用與記錄時(shí)相同的波長(zhǎng)和偏振的激光照射存儲(chǔ)介質(zhì)，可探測(cè)到縱向SPR調(diào)制的雙光子熒光信號(hào)，恢復(fù)出原存儲(chǔ)信息。由于金納米棒材料的雙光子高吸收截面，可以使得信息無(wú)損、無(wú)串?dāng)_地讀出。

圖5 帶有伺服系統(tǒng)的同軸全息存儲(chǔ)系統(tǒng)[17]DVD：數(shù)字微鏡裝置；PBS：偏振分束器；DBS：雙光分束器；QWP：1/4波片；HVD：全息多功能光盤(pán)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

圖6 金納米棒的光學(xué)特性[19,20](a) 金納米棒的吸收光譜隨納米顆粒尺寸的增大而紅移；(b) 金納米棒的等離子共振偏振選擇吸收特性；(c) 金納米棒特殊的再成型行為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

五維存儲(chǔ)原理圖如圖7所示。該技術(shù)使用的存儲(chǔ)材料的制備流程大致如下：將3種不同縱橫比的納米棒混合在一起，再混入占總重量15%的聚乙烯醇溶液，將混合液旋涂在玻璃蓋玻片上，存儲(chǔ)介質(zhì)層的厚度為1±0.2 μm，其中納米微粒的濃度為400±50 nmol/L，在圖7(a)中0.95NA40×物鏡的聚焦體積中，約有200個(gè)金納米棒；隨后用折射率為1.506的透明壓敏膠壓在旋涂層上，壓敏膠的厚度為10±1 μm。重復(fù)上述過(guò)程，使存儲(chǔ)介質(zhì)的層數(shù)不斷增加。需要注意的是，在存儲(chǔ)時(shí)，存儲(chǔ)材料上一層會(huì)對(duì)下一深層產(chǎn)生消光作用，隨著存儲(chǔ)材料層的增加，存儲(chǔ)的頁(yè)間串?dāng)_也會(huì)增加。一般存儲(chǔ)材料每多一層，用于存儲(chǔ)的激光能量需提高20%以優(yōu)化存儲(chǔ)通道、降低頁(yè)間串?dāng)_，故存儲(chǔ)材料的最高層數(shù)與所用激光器的能量有關(guān)。圖7(a)中使用的存儲(chǔ)介質(zhì)層數(shù)為3層。

在圖7(b)光熱圖像中可以看到，在未經(jīng)激光照射的存儲(chǔ)介質(zhì)中，存在3種不同縱橫比(縱橫比分別是2±1、4.2±1和6±2)和2種不同走向(橫和豎)的金納米棒。分別采用s偏振、λ=840 nm的激光和p偏振、λ=980 nm的激光照射金納米棒顆粒，與其對(duì)應(yīng)的不同縱橫比和走向的金納米棒會(huì)發(fā)生等離子共振，形變?yōu)榍驙?，可用?lái)記錄存儲(chǔ)信息。在讀取階段，采用與記錄時(shí)相同波長(zhǎng)和偏振態(tài)的激光照射存儲(chǔ)介質(zhì)，便可探測(cè)到對(duì)應(yīng)的原存儲(chǔ)信息。在圖7(a)中，采用3種波長(zhǎng)和3種偏振態(tài)的激光照射存儲(chǔ)介質(zhì)，可在含有3種不同縱橫比的金納米棒的存儲(chǔ)介質(zhì)的同一點(diǎn)存儲(chǔ)9幅圖片。

圖7 五維存儲(chǔ)原理圖[19](a) 存儲(chǔ)示意圖，采用3種波長(zhǎng)和3種偏振態(tài)的激光，可以在存儲(chǔ)介質(zhì)的同一點(diǎn)存儲(chǔ)9幅圖片；(b) 光熱圖像，金納米棒的不同縱橫比和走向?qū)す獾牟ㄩL(zhǎng)和偏振態(tài)具有選擇特性，采用特定波長(zhǎng)和偏振態(tài)的激光照射金納米棒，與其對(duì)應(yīng)的金納米棒將會(huì)發(fā)生形變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

五維存儲(chǔ)技術(shù)的出現(xiàn)得益于納米光子學(xué)的發(fā)展，利用金納米棒材料對(duì)激光波長(zhǎng)和偏振態(tài)的選擇特性，該技術(shù)既突破了傳統(tǒng)光盤(pán)存儲(chǔ)的光學(xué)衍射極限[21]，同時(shí)也使得存儲(chǔ)介質(zhì)的體積得到了充分的利用。憑借其超大的存儲(chǔ)容量和優(yōu)良的存儲(chǔ)性能，五維存儲(chǔ)技術(shù)極有可能會(huì)發(fā)展成為光學(xué)存儲(chǔ)的核心技術(shù)。

4 總結(jié)與展望

為滿足飛速增長(zhǎng)的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，信息存儲(chǔ)從電磁技術(shù)到二維存儲(chǔ)、三維存儲(chǔ)，再到多維存儲(chǔ)，存儲(chǔ)容量在不斷提升。幾種主流存儲(chǔ)技術(shù)的性能對(duì)比如表1所示。

目前，磁盤(pán)和光盤(pán)的商業(yè)應(yīng)用已經(jīng)很廣泛了。在全息存儲(chǔ)方面，2005年，InPhase公司推出了首款300 GB的商業(yè)全息存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器[22]；2009年，GE全球研發(fā)中心成功開(kāi)發(fā)出一種微型全息光盤(pán)[23]，容量可達(dá)500 GB，相當(dāng)于100張DVD光盤(pán)的存儲(chǔ)容量，但與全息存儲(chǔ)的理論存儲(chǔ)極限相比仍有較大差距，有很大的提升空間。同時(shí)，全息技術(shù)大部分仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，更加成熟的商業(yè)化方案有待進(jìn)一步發(fā)展。2016年，英國(guó)南安普頓大學(xué)開(kāi)發(fā)出利用玻璃中的微型納米結(jié)構(gòu)編碼信息的五維存儲(chǔ)技術(shù)，據(jù)稱一張標(biāo)準(zhǔn)光碟上能保存約360 TB的數(shù)據(jù)，在190 ℃的環(huán)境中可保存138億年，但這種技術(shù)的商用化還在研究當(dāng)中[24]。

表1 幾種存儲(chǔ)技術(shù)的性能指標(biāo)

在各存儲(chǔ)技術(shù)的對(duì)比中，可以看到光存儲(chǔ)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)：

1)大存儲(chǔ)容量：伴隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求激勵(lì)人們不斷研發(fā)大存儲(chǔ)容量的存儲(chǔ)技術(shù)。從目前光存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，多維光存儲(chǔ)技術(shù)憑借其超大的存儲(chǔ)容量，在存儲(chǔ)領(lǐng)域頗有發(fā)展及應(yīng)用前景，預(yù)計(jì)光存儲(chǔ)技術(shù)會(huì)向多維度方向發(fā)展。

2)高速的存取速度：海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需要高速的存儲(chǔ)和讀取速度，否則在存取過(guò)程中，所耗費(fèi)的時(shí)間成本是難以估計(jì)的。高速的存取速度能夠提升存儲(chǔ)技術(shù)的使用性能，更加便捷、人性化。

3)超長(zhǎng)的使用壽命：磁盤(pán)和光盤(pán)由于其壽命較短，每隔一段時(shí)間就需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行重新存儲(chǔ)，這將耗費(fèi)大量的管理和資源成本。因此，超長(zhǎng)壽命的存儲(chǔ)技術(shù)是人們迫切需要的。

4)存儲(chǔ)介質(zhì)的高穩(wěn)定性：存儲(chǔ)介質(zhì)的穩(wěn)定性一方面能夠提升存儲(chǔ)技術(shù)的壽命，另一方面還能夠提升存儲(chǔ)盤(pán)的環(huán)境適應(yīng)性，如溫度、濕度等，降低存儲(chǔ)環(huán)境要求、便于管理。此外，高性能的存儲(chǔ)介質(zhì)還將引發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)的革新，比如金納米棒在存儲(chǔ)上的應(yīng)用，帶來(lái)了超大存儲(chǔ)容量的五維存儲(chǔ)技術(shù)。

展望未來(lái)，伴隨著人們對(duì)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求的不斷增加，光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)憑借其超大的存儲(chǔ)容量、高速的存取速度、超長(zhǎng)的使用壽命等優(yōu)良特性，必將成為大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)代的佼佼者。