存储容量是普通光盘上万倍、普通硬盘上百倍的“超级光盘”，在中国科学院上海光学精密机械研究所诞生。这对于我国在信息存储领域突破关键核心技术、实现数字经济的可持续发展具有重大意义。

近日，上海光机所与上海理工大学等科研单位合作，在超大容量超分辨三维光存储研究中取得突破性进展。研究团队利用国际首创的双光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术，实验上首次在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为54nm、道间距为70nm的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量达Pb量级。


什么是光储存技术？

信息资料迅速增长是当今社会的一大特点。有人统计，科技文献数量大约每7年增加1倍，而一般的情报资料则以每2年~3年翻一番的速度增加。大量资料的存储、分析、检索和传播，迫切需要高密度、大容量的存储介质和管理系统。

1898年荷兰的Valdemar Poulsen发明了世界上第一个磁记录设备：磁线录音机，从此，开始了传统的磁记录应用实践。在随后的一个多世纪里面，出现了多种不同种类的磁记录设备：磁带机，磁芯存储器，磁盘等等。虽然有大量不同的磁存储设备出现，但是磁记录的基础原理仍然是上述的铁磁性材料能够保持外磁场磁化方向的特性。传统的磁记录的写入原理是将随时间变化的电信号转换为在线性或者旋转的铁磁性材料中的磁化强度和方向的空间变化，传统的磁记录读 出原理是将分布于磁性材料中的磁化方向和强度的空间变化，通过线性或者旋转运动，利用磁电转化元件，转换为随时间变化的电信号。

但是，随着记录密度的提高(目前的硬盘记录密度已经能够达到 30Gb/cm2)，能够获得的感生电流的强度和信噪比已经过小，造成读入设备的误码率已经不能达到要求。计算机和信息产业的发展使越来越多的信息内容以数字化的形式记录、传输和存储，对大容量信息存储技术的研究也随之不断升温 。激光技术的不断成熟，尤其是半导体激光器的成熟应用，使得光存储从最初的微缩照相发展成为快捷、方便、容量巨大的存储技术，各种光ROM纷纷产生。与磁介质存储技术相比，光存储具有寿命长、非接触式读/写、信息位的价格低等优点。

光存储技术是采用激光照射介质，激光与介质相互作用，导致介质的性质发生变化而将信息存储下来的。读出信息是用激光扫描介质，识别出存储单元性质的变化。在实际操作中，通常都是以二进制数据形式存储信息的，所以首先要将信息转化为二进制数据。写入时，将主机送来的数据编码，然后送入光调制器，这样激光源就输出强度不同的光束。

多阶光存储是目前国内外光存储研究的重点之一，缘于它可以大大地提高存储容量和数据传输率。在传统的光存储系统中，二元数据序列存储在记录介质中，记录符只有两种不同的物理状态，例如只读光盘中交替变化的坑岸形貌。多阶光存储是读出信号呈现多阶特性，或者直接采用多阶记录介质。多阶光存储分为信号多阶光存储和介质多阶光存储。


光存储的基本原理

常见的照相术就是最早的光存储技术。无论是胶片感光灵敏度、分辨率、色彩，还是照相仪器，都取得了长足的进步，不仅能拍摄静止景物，还能通过电影、电视将活动图像记录和再现。然而， 包括全息照相在内的照相术，都属于模拟光存储范畴，它在存储容量、存储密度及传输速率等方面都受到一定限制。随着信息社会的发展，特别是激光的出现和计算机的日益普及，数字光储技术开始兴起，数字光盘的诞生成为存储技术的一项重大突破。

迄今为止，绝大部分商品化光盘存储系统中所用的记录介质的记录机理都是热致效应。利用从激光束吸收的能量，作为高度集中的、强大的热源，促使介质局部熔化或蒸发，通常称为烧蚀记录。

在实际操作中，一般用电脑来处理信息，因为电脑只能识别二进制数据，所以要在存储介质上面储存数据、音频和视频等信息，首先要将信息转化为二进制数据。现在常见的CD光盘、DVD光盘等光存储介质，与软盘、硬盘相同，都是以二进制数据的形式来存储信息的。写入信息时，将主机送来的数据经编码后送入光调制器，使激光源输出强度不同的光束，调制后的激光束通过光路系统， 经物镜聚焦然后照射到介质上，存储介质经激光照射后被烧蚀出小凹坑，所以在存储介质上，存在被烧蚀和未烧蚀两种不同的状态，这两种状态对应着两种不同的二进制的数据。

聚焦光束人射到光盘上，如果光盘上已经存在记录信息，反射光的特征，例如，光强、光的相位或者光的偏振状态将发生某种变化，通过电子系统处理可以再现原始记录的数据信息，这就是光盘的基本读出过程。具体来说，就是读取信息时，激光扫描介质，在凹坑处由于反射光与入射光相互抵消入射光不返回，而在未烧蚀的无凹坑处，入射光大部分返回。这样，根据光束反射能力的不同，就可以把存储介质上的二进制信息读出，然后再将这些二进制代码转换成为原来的信息。

另外，可擦写光盘的存储介质为使光照点的结晶态发生变化，即相变型介质。而磁光存储材料的光盘的存储介质则是产生磁化方向的改变，从而记录或删除信息。


我国“超级光盘”诞生

上海光机所相关研究成果于2024年2月22日发表于《自然》（Nature）杂志。

光存储技术具有绿色节能、安全可靠、寿命长达50~100年的独特优势，非常适合长期低成本存储海量数据，然而受到衍射极限的限制，传统商用光盘的最大容量仅在百GB量级。在信息量日益增长的大数据时代，突破衍射极限、缩小信息点尺寸、提高单盘存储容量长久以来一直都是光存储领域的不懈追求。

从光学显微技术，到当今“卡脖子”技术的光刻机，再到光存储技术，无一不被光学衍射极限所限制。在2021年Science发布的全世界最前沿的125个科学问题中，突破衍射极限限制更是在物理领域高居首位。该超分辨光盘的成功研制在信息写入和读出都突破了这一物理学难题，有助于我国在存储领域突破“卡脖子”障碍，将在大数据数字经济中发挥重大作用，以满足信息产业领域的重大需求。

上世纪八十年代，上海光机所干福熹院士开创了我国数字光盘存储技术的研究，研究团队一直深耕光存储领域。依托于丰厚的研究基础和创新技术方案，基于双光束超分辨技术及聚集诱导发光存储介质，在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制，实现了点尺寸为54nm、道间距为70nm的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量约1.6 Pb。经老化加速测试，光盘介质寿命大于40年，加速重复读取后荧光对比度仍高达20.5：1。

这是国际上首次实现Pb量级的超大容量光存储，得到了审稿人的高度评价：“这是一种具有突破性创新的Pb级光存储技术…”“与现有其它技术相比，该技术在性能方面提供了最高的光存储面密度…”“研究成果可能会带来数据中心档案数据存储的突破，解决大容量和节能的存储技术难题…”。

未来，研究团队将加快原始创新和关键技术攻关，推动超大容量光存储的集成化和产业化进程，并拓展其在显微成像、光刻、传感、光信息处理领域的交叉应用，产出更多更优秀的创新成果。