大数据时代的光之翼：飞秒激光定义光存储技术新思路

大数据时代,数据圈的不断扩展向当下存储技术的发展提出了新的挑战。以大规模数据中心为基础的云存储技术为大数据时代海量增长的数据提供了可靠的存储网络架构，但面对指数化增长的数据，大数据中心在存储容量、存储寿命、安全性和能耗方面的问题日益突出。

因此，具有超大存储容量、永久存储寿命和极低功耗的新型存储介质研究成为未来存储技术发展的焦点。随着人们对光与物质相互作用认识的不断深入，基于飞秒激光直写玻璃介质实现的永久光存储技术为未来云存储技术的发展开辟了新的道路。

纵观全球数据圈，随着云计算，大数据，人工智能，高性能计算等新兴数字产业和前沿技术的高速发展，数据总量急剧增长，数据在经济、教育、工业、医疗、互联网、国防和航天等领域不断渗透。

不同行业领域对数据存储容量、传输速度、存储寿命和安全性等方面的需求各不相同，云存储技术的出现为不同领域的存储需求提供了新的解决方案，同时又对新型存储介质和存储技术的研究提出了新的挑战。

大数据时代，存储技术面临的挑战

面对海量增长的数据，现有存储技术在功耗、存储容量和存储寿命方面显得捉襟见肘，其面临的问题主要来自以下几个方面：

1）容量挑战：大数据时代，数据呈几何级数快速增长，据国际数据公司（IDC）预测，到2025年全球数据总量将达到175ZB(1 ZB=109TB)。如果将175 ZB数据存储到一张蓝光光盘（BD，Blu-ray Disc），光盘堆起来的高度相当于地球与月球之间距离的23倍；如果用市面上主流的8T硬盘来存储这些数据，则需要230多亿块硬盘。

全球数据量年度增长（来源：IDC）

2）成本挑战：数据的指数式增长，伴随有大量的冷数据（访问频率极低的数据）产生，当前数据中心存储的数据有80%为冷数据。海量冷数据的存储和迁移将面临巨大的维护成本，一般情况下，数据中心需要每3~5年进行一次数据迁移来防止数据丢失，数据迁移带来巨大的物耗和能耗问题，同时还要面临数据丢失的巨大风险。

3）能耗挑战：全球数据中心耗电量占全球总耗电量的比例为1.1%-1.5%。数据中心作为云存储技术的关键基础设施，素有“电老虎”之称，一般的大规模数据中心的空调机组耗电量达到整个数据中心的40%，能耗问题严峻。因此，低成本、绿色、经济的存储技术，成为温冷数据存储应用的迫切需求。

光存储技术发展与进展

目前，数据中心存储数据的主流媒体还是基于磁技术的存储机制，其主要产品包括磁盘和磁带。这种技术不仅存在寿命有限的问题（磁盘5年，磁带10年），而且数据存储在磁盘表面的二维平面内，存储密度（735 Gb/in2）已经趋近于其技术的理论极限。

另一方面，以闪存等为代表的固态存储技术虽然具有广泛的应用扩展空间，但存储密度（550 Gb/in2）受限，而且这种技术还存在擦写次数有限和电荷流失等缺点，不适合冷数据的低成本长期保存。

目前，以BD光盘为主的二维光存储在数据长期保存成本和能耗方面最具优势，BD光盘应用于数据中心的冷数据存储，可将数据中心的维护成本降低50%、能耗减少到80%。

光存储技术原理

光存储技术是用激光照射介质，通过激光与介质的相互作用使介质发生物理、化学变化，将信息存储下来的技术。其基本物理原理是：存储介质受到激光照射后，介质的某种性质(如反射率、反射光极化方向等)发生改变，介质性质的不同状态映射为不同的存储数据，存储数据的读出则通过识别存储单元性质的变化来实现。

光存储技术发展

一、传统二维光存储技术：CD、DVD、BD(Blu-ray Disc)。

光盘存储，如CD、DVD和BD，是利用激光在光盘表面的局部点发生反射或不反射来实现0或1的二进制数据读取的。这个局部点的反射或不反射状态是通过改变材料的物理性质来实现的，而这种物性变化也必须通过物理的方式才能实现，即使在掉电状态下也不会发生信息丢失的现象。因此，光存储与其他存储方式相比具有节能和长期保存的优点。

光盘经历了CD、DVD和BD三代产品，其记录密度在不断地提高。提高密度的方法是靠缩小会聚到光盘上的光点尺寸实现的。

这种传统光盘技术，由于光盘不好分层、最小记录位受限于光的衍射特性被限制在一半波长,存储容量无法突破GB量级,难以满足企业的冷数据存储的需求,被存储的数据总量近10年来基本无变化。

二、三维全息光存储

全息光存储是一种高密度三维光存储技术，采用的是与传统二维存储完全不同的机理：激光器输出激光束经分光镜分为两束光，一束光经过空间调制器后携带物体的二维信息成为物光，另一束作为参考光束。两束光相遇发生干涉，使得数据信息以全息图的方式被记录在存储材料中，能够保存其完整的空间相位信息。

 

全息存储原理图

相对于二维光存储技术，全息光存储技术能提供超过TB（太字节）级的存储容量，能够满足更大数据量的存储需求，为数据的读取提供更快的速度。但由于全息存储尚未突破衍射极限，所以其密度的提升还是有一定的限制。

三、五维光学存储

五维（5D）光学数据存储是一个用于记录数字数据的纳米结构玻璃。使用飞秒激光书写过程,记忆晶体能够储存多达360Tb数据价值数十亿年(50亿年后太阳会慢慢进入衰亡期，太阳系会毁灭)。这个概念在2013年被实验证明。

五维光存储

5D光存储基于熔融石英光存储介质，其数据的读写采用飞秒激光直写纳米光栅实现。5D光存储的五个维度包括纳米光栅的三维分布空间和光强、偏振两个复合维度。通过在记录过程中改变光的偏振和强度，可以在第四维 (慢轴方向) 和第五维 (延迟强度) 上写入数据。将这两个光学维度与三个传统的空间坐标相结合，可以使熔融石英存储介质保存更多的数据。

与现有光存储技术相比，5D光学存储利用了光的强度、偏振、三维空间等五个维度来存储数据。通过使用激光的不同属性，可以在纳米级别上实现更高的存储密度和更长的数据保存时间。

云存储技术未来：飞秒激光永久光存储技术

飞秒激光永久光存储是将熔融石英作为存储介质,当飞秒激光紧密聚焦在材料内时,在适当强度下,可以在亚微米尺度产生局部结构变化,改变折射率,形成稳定的比特体积元。

该过程通过写入多个平面来记录三维信息,利用双折射的慢轴取向(第四维)和延迟强度(第五维)进行信息编码,慢轴方向和延迟强度分别由飞秒激光束的偏振和光强/脉冲数独立控制,能实现五维超高密度光存储。飞秒激光永久光存储具有超高 存储密度、超长寿命、低能耗等特点。

2003年，日本京都大学学者通过背散射电子图像，在熔融石英内首次观测到与激光偏振方向垂直排列的纳米光栅结构。纳米光栅可抽象成一种折射率不同、厚度不同的平板结构在空间内的交替排列，如图2所示，呈现出典型的形序双折射效应（form birefringence）。

飞秒激光永久光存储加工示意及双折射原理图

由于纳米光栅的取向与诱导的飞秒激光偏振方向垂直，通过改变激光偏振方向直接调控纳米光栅平面的方向。纳米光栅是由飞秒激光通过库仑微纳爆炸等效应在石英玻璃内部产生，天然具有耐高温高压、抗辐射、耐酸碱、对潮湿等严酷环境不敏感等优势，不会像传统存储设备容易受到火灾、洪水、地震、停电或电磁干扰等影响，甚至能在600 oC左右保存200多天，在常温常压下永久保存——超高存储、超长寿命等特点无疑使飞秒激光永久光存储技术在冷数据存储领域具有诱人前景。

飞秒激光永久光存储编解码过程

（（b）~（c）展示了以“吉林大学”为例的编码方式及读出效果及一次拍照面读后的数据结果）

虽然双折射透射信号相较于散射信号要更为强烈，但目前还没有较成熟的商用快速双折射显微镜系统。一般的系统装置如上图所示，通过液晶相位延迟片的4~5次转动，计算得到相位延迟量和慢轴方位角，此装置通过面读提高了读出效率，但在配套伺服系统等方面还没有发展起来，多次液晶延迟也损失了读出速度，还需要对读出数据层内和层间的信号串扰进行除噪处理、识别。

飞秒激光永久光存储当前挑战

飞秒激光永久光存储理论上拥有极高的存储密度，但由于受限于飞秒激光直写的信息写入方式，5D光存储在信息的超高密度写入、高速读取、快速检测、精准擦除修饰等技术环节还有待进一步研发。

1）存储密度亟待提升：一张存储盘能存储的信息，与存储单元的点间隔、层间隔、和单点多比特个数相关，而这取决于飞秒激光直写纳米光栅的分辨率和单点的信息写入量。如表1所示，实现飞秒激光超分辨精密直写，有效压缩比特体积元横向、纵向尺寸，提高单点存储比特是关键。

表1：直径为120 mm、厚度为2 mm的样品中点间距、层间距、单点比特数与存储容量的关系

2）实际写入速度较低：存储速度与形成每个记录点所需的飞秒激光脉冲数负相关，在现有的写入速度条件下，单次曝光实现更大的写入量是提升数据写入速度的有效方式，这需要多维可控的新型光束整形方法和新型的光学聚焦系统与飞秒激光直写工艺相结合（如表2）。

表2：激光器重复频率为10 MHz时最高写入速度与脉冲数、单点比特数、并行写入通道数的关系

3）实际读取速度和准确率较低：实现高密度数据写入的同时，数据点间距和层间距会造成数据读出时的串扰，这对超分辨的双折射成像系统的开发提出了挑战。实现原位在线检测系统集成，提高双折射读取系统的成像分辨率和读取密度，开发低延迟响应、高效的数据处理算法将是解决问题的关键。

飞秒激光永久光存储的研究是一个系统工程，实现全光数据的高速读写、超大存储容量、超长存储寿命的高维光存储，需要融合飞秒激光超分辨精密直写工艺、新型光存储介质制备、多维可控的新型光束整形技术、超大视场的新型超分辨聚焦光学系统、智能在线检测系统和高保真的多重加密技术的研发。

CHIPX基于飞秒激光技术上的突破

上海交通大学无锡光子芯片研究院（CHIPX）金贤敏团队开发了一体化、智能化的飞秒激光三维直写加工系统，平台集成多自由度光束整形、超大规模多光束并行加工、三维超分辨精密直写技术，可用于五维光存储超高速写入技术开发。

飞秒激光直写光子芯片

同时，CHIPX依托金贤敏团队在飞秒激光直写光子芯片领域的优势和经验，建设了一体化、智能化的飞秒激光直写光子芯片平台，并基于飞秒激光超精密加工工艺研发，开展了飞秒激光三维直写集成光子芯片、光波导器件制备、纳米光栅刻蚀和半导体的超快激光直写工艺技术研究。

着眼未来，CHIPX将致力于超高速、超大存储容量、超长存储寿命、安全智能的光存储技术研发，并将飞秒激光超分辨精密直写技术更好地赋能于工业应用中。