纳米光栅——大数据时代光存储的下一个风口？

文/姚倩、戴晔，上海大学物理系超快光子学实验室

您的存储空间告急…

人类文明发展至今离不开信息的记录。从绘画、雕刻、印刷到如今的数字化信息存储，存储容量呈指数增长。根据软件公司Domo的报告，2018 年，人们每分钟在Google进行383万次搜索，在YouTube观看433万段视频，发送159362760封电子邮件、473000条Twitter和49000张Instagram上的照片。国际数据公司（IDC）称，到2025年，全球将产生175ZB（1ZB=1012GB）的数据总量[1]。数据的爆炸式增长仿佛在警告人们：您的存储空间即将不足…

图1 全球数据总量呈指数增长[2]

“云”存储数据中心

当“云”存储进入到人们的生活，大部分数据似乎都有了落脚之地。许多人认为“云”存储是一种存储所有数据的方法，从数千张照片到数百万封电子邮件，都不会占用手机或计算机上的任何空间，但这些信息其实都被存储在数据中心的硬件里从而可让客户们从多个设备访问。

简单来讲数据中心就是一个有庞大数量的服务器（计算机）放在一起运行应用来处理商业和组织运作数据的地方。要保证数据中心的正常运行，需要不间断的供电，同时在服务器运行的时候会散发出大量的热量，这时就需要进行散热，散热所带来的能源消耗是巨大的，同样电费开销也不可估量。

2013年，Facebook公司建立了欧洲的最大数据中心——瑞典吕勒奥数据中心距离北极圈仅有70公里，该数据中心利用巨大的风扇将外部冷空气吸入用于散热。

2017年，阿里巴巴将其数据中心建立在年平均气温17℃之低的千岛湖地区，因地制宜采用湖水制冷。

2018年，腾讯公司将其数据中心建立在安全隐蔽、温度适宜的贵州省贵安新区的山洞内，总占地面积约为七百多亩，隧洞面积超过30000 ㎡，将用于存储腾讯最核心的大数据，华为、苹果公司也纷纷把大数据中心建立在贵州；微软公司也在2018年将其数据中心沉入奥克尼群岛海底，建立了全球首个海底数据中心。

各大公司为了降低能耗如此大费周章，如若发现一种不耗能且能实现永久存储的高密度存储介质，那么这些问题就迎刃而解了。

图2 千岛湖数据中心（左）[3]与微软海底数据中心（右）[4]

纳米光栅——大数据时代的光存储方案

大数据其实具有“温度”，也有冷热之分：热数据是指需要被计算节点频繁访问的在线类数据；冷数据是对于离线类不经常访问的数据。热数据就近计算，冷数据集中存储，因此有必要考虑按照不同数据的属性进行分类存储。

冷数据的存储目前依赖于硬盘驱动器、磁带、光盘存储、全息存储等技术。如何研制出一种容量大、寿命长、成本低且节能环保的存储技术是解决冷数据存储问题的关键。

自2003年京都大学的Shimotsuma等人[5]使用背散射电子显微镜在石英玻璃中首次观测到纳米光栅结构以来，关于它的研究再没有中断。纳米光栅是一种光诱导的永久性偏振依赖结构，光栅结构的取向垂直于激光偏振方向，具有双折射特性，并且这种结构能够用光进行擦除和重写。此外纳米光栅的基体是坚硬的石英玻璃（SiO2），其耐热性好、成本低，可以承受煮沸、烘烤、微波、消磁和其它具有物体破坏性的环境威胁，因而纳米光栅成为了未来超高密度光存储结构的重要候选者。

数据的写入与读取

当用飞秒激光聚焦在熔融石英玻璃内部，一个永久改性的三维纳米结构——体素（voxel）就会在内部产生。“体素”即构成三维图像的像素，每一个都有各自独特的方向、深度和大小，是唯一的编码器。如图3所示[6]，从顶部看(a)结构呈椭圆形，直径可小于激光波长，图中光栅结构的单个“条纹”宽约20 nm，深度约为几微米。(b)是用1030 nm激光写入的四种体素的三维结构实验重建图，利用共聚焦成像技术，每隔0.2 μm对石英玻璃的X、Y、Z三个维度进行数据采样收集。(c)为8层体素的侧视图，通过将激光聚焦在XY平面上的不同位置，可以并排写入体素以形成二维层，激光同样可聚焦到石英玻璃内部不同深度写入多层纳米结构，一块2 mm厚的石英玻璃可以包含100多个数据层。因为石英玻璃的透光率远远大于传统光盘的不透明薄膜，在写入和读取时能让激光入射到更深的材料内部。

图3 纳米光栅结构[6]

每个体素的形成区域相比于其它未辐照区域都展示了双折射特性，因此当偏振光穿过体素时，O光和E光会产生一定的光程差形成“延迟”（Retardance）。因此，可利用延迟量和偏振角这两个变量来对每个体素进行数据编码，加上三维的空间自由度可实现五维光存储。当激光写入数据时，通过调制激光束的偏振、能量和脉冲数影响体素的这两个性质，将特定数值编码到每个体素中，当然在读取存储数据时也相当于测量体素的延迟和偏振角。

除了三维空间与延迟、偏振角这五个自由度以外，脉冲前沿倾斜（Pulse Front Tilt,PFT）也有望成为光学数据存储技术中的一个新自由度。我们通过对超快激光脉冲的时空耦合特性进行调控，沿着空间啁啾的方向在石英玻璃内部进行扫描时，在激光焦点附近会产生弯曲的纳米光栅结构，若在光路中加入一个道威棱镜改变空间啁啾的方向，则纳米光栅弯曲的方向会发生翻转，我们的实验结果提供了一个调控体素延迟量的新方法[7]。

纳米光栅的擦除与重写

纳米光栅的擦除和重写特性不仅可以实现数据的反复写入，还能将写入的错误擦除并纠正。近期，我们课题组[8]通过不同偏振组合的飞秒激光双脉冲序列（圆偏振光CP和线偏振光LP）辐照石英玻璃，对这类纳米光栅擦除和重写的物理机制展开了研究，分析了双脉冲的延迟时间（Δτ）、能量比（R=E2nd/E1st）和激光偏振态对擦除与重写过程的影响。如图4所示，随着双脉冲延迟时间的增加，第二束激光将逐渐擦除第一束脉冲所诱导的纳米光栅，而且双脉冲序列的能量比越大，擦除效果越明显，并且会重新沿着垂直于第二脉冲的方向形成新的纳米光栅结构。

但是总体来看，双脉冲序列的高能量比对擦除重写的影响比脉冲间延迟时间的影响更大，无论脉冲间延迟时间如何变化，只要后续脉冲能量高于前一脉冲能量，就能实现对纳米光栅更有效的擦除和重写。

图4 不同能量比的双脉冲序列对纳米光栅的擦除与重写[8]

无限寿命的存储介质

2011年，日本京都大学的Shimotsuma教授等[9]利用石英玻璃记录了一副世界地图。图5是他们分别利用光学显微镜(a)和偏振显微镜(b-偏振角，c-延迟量)拍摄的微型“世界地图”，该地图的实际尺寸只有3.4 mm×1.8 mm。他们利用1/2波片来控制偏振方向，通过空间光调制器（SLM）来调控光程延迟量，并通过正交偏光显微镜读出数据。基于以上技术，他们仅仅用了20 min就在石英玻璃内部制作了这么一副世界地图。

2012年，英国南安普顿大学光电研究中心的Beresna博士等人[10]也做了类似的研究，他们在石英玻璃内部利用纳米光栅的双折射特性记录了麦克斯韦和牛顿的人像，大小仅为1.5×2 mm。激光写入时通过改变激光偏振及调控光程延迟量来实现数据的记录，使用一套基于光学显微镜和液晶偏振补偿器组合而成的双折射信号测量系统来读出数据。

图5 石英玻璃中存储的地图[9]与人像[10]

在科幻小说《三体》中的未来世界里，即便一粒米大小的量子储存器就可以放下一座大型图书馆的数据，但最多也只能保存2000年，最后人们发现把信息存储1亿年的唯一可行方法——「把字刻在石头上」。在石英玻璃中存储数据类似于在石头上刻字，石头能永恒，Why not Silica？

2014年，英国南安普顿大学光电研究中心的张静宇博士等人[11]证实了在室温下（303K）利用石英玻璃进行数据存储具有几乎无限的寿命（3.0×1020±1年），并将数据记录速率提高了两个数量级。石英玻璃内部的纳米光栅结构可以承受1000 ℃以上的高温，号称在常温下寿命接近无限，即便在190°C（462K）下也可使用138亿年，要知道地球约46亿年前才诞生。他们调控4个偏振方向和2个光程延迟量后在同一深度打多组点，每组1-100个不等，这些点被编码成3bit/个的二进制数据。图中彩色点显示不同强度水平诱导的纳米光栅结构。随后对相距20 μm的三个双折射层进行信息解码，结果在三层记录的11664位信息中仅有42位错误，可通过额外的校正程序消除。

图6 五维光存储的数据读取与无限寿命的石英玻璃光存储[11]

Project Silica

在信息丢失之前将数据安全转移到新的存储介质上会增加长期的存储成本，因为硬盘可能会在三到五年后磨损，随着科技发展原本的文件格式将会过期，随之而来的升级成本也很高。成本低、热稳定性高的石英玻璃很可能成为光存储的最佳选择。

2019年，微软公司与华纳兄弟娱乐公司合作，利用超快激光光学系统和人工智能技术将1978年的超人电影存储在一块大小为7.5 cm×7.5 cm×2.0 mm的石英玻璃内部并读取出来[12]。激光通过在多个深度和角度创建3D纳米光栅层在石英玻璃中编码数据，通过机器学习算法解码特定的图像和图案来读取数据，这些图像和图案是在偏振光透过玻璃时产生的，数据只需写入一次就可永久存储。这种玻璃光盘又被称为五维光盘，由纳米结构的三维空间与光程延迟、偏振角复用构成，一张蓝光光盘可以存储 128GB 的数据，而同等尺寸的玻璃光盘的存储容量是蓝光光盘的3000倍。

存储在石英玻璃中的数据将不再是需要定期访问的信息——冷数据。值得注意的是，Project Silica是英国南安普顿大学与微软公司的合作项目，南安普敦光电研究中心Peter Kazansky教授说：“我们正在开发主要用于对大量数据进行归档和冷存储的数据存储技术，例如大数据中心和云存储。我们的目标之一是替换目前用于此类应用的磁存储技术。我们的技术的优势在于其极高的耐用性，因为我们使用石英玻璃作为存储介质，它可以在火灾或太阳耀斑等自然灾难中幸存下来；另一个优势是我们为数据存储提供了更多的自由度，这有助于增加存储容量。”

为了展示五维玻璃光存储的威力，英国南安普敦大学的研究团队将《圣经》、牛顿的《光学》以及美国《世界独立宣言》存储在玻璃介质中。坐上火箭的特斯拉汽车也将记录有《圣经》的玻璃光盘带上了火星。

图7 存储《超人》电影[13]与圣经的石英玻璃[12]

结 语

与当前广泛使用的磁存储相比，基于纳米光栅的五维玻璃光存储优势突出，前景广阔，但离该技术的大规模应用还有很长的路要走。为此，加快数据编码速度、增加数据密度以及简化写入、读取操作是研究人员们亟待解决的问题。保存海量数据是人类现阶段渴望实现的想法，若是到了世界末日的那一天，将人类文明存储在石英玻璃中散布到世界各地乃至全宇宙，一块微不足道的石英玻璃将能代表人类文明的光辉历史，它仿佛在述说：“我们人类曾经来过，并创造了些许美好！”

作者简介

姚倩，上海大学物理系硕士研究生。

戴晔，上海大学物理系教授，博士生导师。