大數(shù)據(jù)時(shí)代，海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和積累對(duì)存儲(chǔ)性能提出了更高的要求。如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)健、綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)已成為現(xiàn)代社會(huì)亟需解決的問(wèn)題。

光存儲(chǔ)方式因其在成本、能耗、可靠性以及使用壽命等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為未來(lái)信息存儲(chǔ)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。其中，以玻璃作為存儲(chǔ)介質(zhì)的光存儲(chǔ)，其存儲(chǔ)壽命甚至可達(dá)上億年，是溫冷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及在戰(zhàn)爭(zhēng)、災(zāi)變等惡劣環(huán)境下保存數(shù)據(jù)的方式。

本文聚焦以玻璃作為存儲(chǔ)介質(zhì)的光存儲(chǔ)技術(shù)，概述了該技術(shù)的研究進(jìn)展和維度復(fù)用情況，展望了其面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，同時(shí)探討了深度學(xué)習(xí)在光存儲(chǔ)領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用。

1、基于折射率變化和周期性納米結(jié)構(gòu)的多維光存儲(chǔ)

飛秒激光聚焦在透明玻璃內(nèi)部時(shí)，會(huì)在輻照區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)，導(dǎo)致玻璃的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化。

通過(guò)調(diào)控激光脈沖能量可以在輻照區(qū)域產(chǎn)生不同類型的修飾結(jié)構(gòu)：脈沖能量較低時(shí)會(huì)產(chǎn)生平滑的折射率變化，利用該特性可以在玻璃內(nèi)部記錄多層二進(jìn)制數(shù)據(jù)點(diǎn)；能量適中時(shí)會(huì)形成具有雙折射特性的周期性納米結(jié)構(gòu)，這種周期性結(jié)構(gòu)具有可控各向異性、高耐久性和可擦除重寫(xiě)性，在多維光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信息加密領(lǐng)等域中有著巨大的應(yīng)用潛力。通過(guò)調(diào)節(jié)激光脈沖能量和偏振方向，可以分別調(diào)控納米結(jié)構(gòu)的慢軸取向和光程延遲，實(shí)現(xiàn)5D光存儲(chǔ)。

例如，南安普敦大學(xué)Sakakura等^[1]誘導(dǎo)了一種高透過(guò)率的Type X納米結(jié)構(gòu)，有效緩解了光的散射效應(yīng)，使實(shí)現(xiàn)百層、千層大容量5D光存儲(chǔ)成為可能。

華中科技大學(xué)Yan等^[2]和南安普頓大學(xué)的Lei等^[3]利用近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)分別在石英玻璃內(nèi)部誘導(dǎo)了具有更小空間尺寸的SNS和Type S納米結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)超高密度的5D光存儲(chǔ)；此外，通過(guò)操控光束的時(shí)空特性，還可以生成任意三維取向的傾斜納米結(jié)構(gòu)（圖1），有望實(shí)現(xiàn)三維空間、慢軸取向、光程延遲和傾斜結(jié)構(gòu)極角復(fù)用的6D光存儲(chǔ)^[4]。

圖1 基于周期性傾斜納米結(jié)構(gòu)的多維光存儲(chǔ)。（a）傾斜納米結(jié)構(gòu)形成機(jī)理示意圖；（b）記錄數(shù)據(jù)慢軸取向圖

2、基于離子價(jià)態(tài)變化的多維光存儲(chǔ)

利用激光空間選擇性調(diào)控透明基質(zhì)中活性離子的局部結(jié)構(gòu)和價(jià)態(tài)也可以實(shí)現(xiàn)多維光存儲(chǔ)。與誘導(dǎo)折射率變化和周期性結(jié)構(gòu)的光存儲(chǔ)相比，這種方法具有獨(dú)特的發(fā)光特性，數(shù)據(jù)讀取信噪比更高。

例如，利用飛秒激光可以誘導(dǎo)玻璃中Eu³⁺/Sm³⁺離子還原為Eu²⁺/Sm²⁺離子，基于該離子的價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、讀取和擦除，同時(shí)可以通過(guò)脈沖能量調(diào)控記錄點(diǎn)的光致發(fā)光強(qiáng)度編碼多進(jìn)制數(shù)據(jù)。

浙江大學(xué)Wang等^[5]通過(guò)單個(gè)超快激光脈沖誘導(dǎo)摻銪鈣硅鋁酸鹽玻璃中Eu³⁺離子的還原，實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)壽命的4D光存儲(chǔ)（圖2），存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)達(dá)2×10⁷年，寫(xiě)入的局部記錄點(diǎn)可以承受970 K高溫和100 kW/cm²的強(qiáng)紫外光輻照，該工作為實(shí)現(xiàn)超低能耗、超高壽命、超快寫(xiě)入的高密度光存儲(chǔ)提供了技術(shù)方案。

圖2 基于Eu離子價(jià)態(tài)變化的多維光存儲(chǔ)

3、基于金屬納米團(tuán)簇/顆粒的多維光存儲(chǔ)

利用飛秒激光在透明材料內(nèi)部誘導(dǎo)形成貴金屬納米團(tuán)簇/顆粒也是一種有效的光存儲(chǔ)手段。

浙江大學(xué)Tan等^[6]利用單脈沖飛秒激光空間選擇性誘導(dǎo)摻銀硅鋁酸鹽/磷酸鹽玻璃中銀團(tuán)簇的形成，通過(guò)調(diào)節(jié)激光參數(shù)與銀離子摻雜濃度可精確控制銀團(tuán)簇的發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光直徑，實(shí)現(xiàn)大容量、高信噪比的超快光存儲(chǔ)。

昆明理工大學(xué)Zhao等^[7]通過(guò)全光刺激的方式在鍺硼酸鹽玻璃中誘導(dǎo)銀納米顆粒的沉淀或分解，實(shí)現(xiàn)了高著色和高發(fā)光對(duì)比度的3D光存儲(chǔ)（圖3）。

圖3 基于銀納米顆粒的多維光存儲(chǔ)。（a）光信息寫(xiě)入、讀出和擦除示意圖；（b）重復(fù)擦寫(xiě)實(shí)驗(yàn)

4、基于量子點(diǎn)/納米晶的多維光存儲(chǔ)

將功能性的量子點(diǎn)或納米晶嵌入到玻璃介質(zhì)中，可實(shí)現(xiàn)其獨(dú)特發(fā)光、非線性光學(xué)等特性與玻璃基質(zhì)的高度集成，在發(fā)光和光存儲(chǔ)相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大潛力。

浙江大學(xué)Sun等^[8]通過(guò)超快激光直寫(xiě)技術(shù)對(duì)玻璃中鈣鈦礦納米晶的組分及其帶隙進(jìn)行設(shè)計(jì)（圖4），可以在玻璃微區(qū)原位析出多色鈣鈦礦納米晶，其發(fā)光波段在480~700 nm范圍內(nèi)靈活可調(diào)。該項(xiàng)工作為三維空間與波長(zhǎng)復(fù)用的高密度多維光存儲(chǔ)提供了新的技術(shù)方案，也為光功能玻璃結(jié)構(gòu)調(diào)控與應(yīng)用開(kāi)辟了全新的領(lǐng)域。

圖4 基于鈣鈦礦納米晶的多維光存儲(chǔ)。（a）鈣鈦礦納米晶形成原理圖；（b）鈣鈦礦納米晶的光致發(fā)光特性；（c）多色的光致發(fā)光圖案

當(dāng)前玻璃光存儲(chǔ)技術(shù)正朝著超高密度、多維復(fù)用、超快讀寫(xiě)、可擦重寫(xiě)、超長(zhǎng)壽命等方面發(fā)展。從實(shí)際應(yīng)用層面來(lái)看，玻璃光存儲(chǔ)在讀寫(xiě)速度、讀寫(xiě)精度、存儲(chǔ)密度、存儲(chǔ)容量等方面還面臨著一些挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)發(fā)展迅速，在計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自然語(yǔ)言處理、語(yǔ)音識(shí)別等領(lǐng)域中取得了顯著的成果和突破。深度學(xué)習(xí)作為一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法，其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)表征、模型構(gòu)建與泛化推理能力，也為光學(xué)等其他領(lǐng)域提供了新的思路和手段，如數(shù)字全息、超分辨成像、逆向微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和激光微納制造等。將光存儲(chǔ)與新興深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合對(duì)全面提高光存儲(chǔ)性能具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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