大數(shù)據(jù)時代，海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和積累對存儲性能提出了更高的要求。如何實現(xiàn)長期穩(wěn)健、綠色節(jié)能的數(shù)據(jù)存儲已成為現(xiàn)代社會亟需解決的問題。

光存儲方式因其在成本、能耗、可靠性以及使用壽命等方面具有獨特優(yōu)勢，成為未來信息存儲領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。其中，以玻璃作為存儲介質(zhì)的光存儲，其存儲壽命甚至可達上億年，是溫冷數(shù)據(jù)存儲以及在戰(zhàn)爭、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介質(zhì)的光存儲技術(shù)，概述了該技術(shù)的研究進展和維度復用情況，展望了其面臨的挑戰(zhàn)和機遇，同時探討了深度學習在光存儲領(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

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

通過調(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)：脈沖能量較低時會產(chǎn)生平滑的折射率變化，利用該特性可以在玻璃內(nèi)部記錄多層二進制數(shù)據(jù)點；能量適中時會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性，在多維光數(shù)據(jù)存儲和信息加密領(lǐng)等域中有著巨大的應(yīng)用潛力。通過調(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，實現(xiàn)5D光存儲。

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

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

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

2、基于離子價態(tài)變化的多維光存儲

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)和價態(tài)也可以實現(xiàn)多維光存儲。與誘導折射率變化和周期性結(jié)構(gòu)的光存儲相比，這種方法具有獨特的發(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玻璃中Eu³⁺/Sm³⁺離子還原為Eu²⁺/Sm²⁺離子，基于該離子的價態(tài)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、讀取和擦除，同時可以通過脈沖能量調(diào)控記錄點的光致發(fā)光強度編碼多進制數(shù)據(jù)。

浙江大學Wang等^[5]通過單個超快激光脈沖誘導摻銪鈣硅鋁酸鹽玻璃中Eu³⁺離子的還原，實現(xiàn)了超長壽命的4D光存儲（圖2），存儲壽命長達2×10⁷年，寫入的局部記錄點可以承受970 K高溫和100 kW/cm²的強紫外光輻照，該工作為實現(xiàn)超低能耗、超高壽命、超快寫入的高密度光存儲提供了技術(shù)方案。

圖2 基于Eu離子價態(tài)變化的多維光存儲

3、基于金屬納米團簇/顆粒的多維光存儲

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

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

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

圖3 基于銀納米顆粒的多維光存儲。（a）光信息寫入、讀出和擦除示意圖；（b）重復擦寫實驗

4、基于量子點/納米晶的多維光存儲

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

浙江大學Sun等^[8]通過超快激光直寫技術(shù)對玻璃中鈣鈦礦納米晶的組分及其帶隙進行設(shè)計（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)。該項工作為三維空間與波長復用的高密度多維光存儲提供了新的技術(shù)方案，也為光功能玻璃結(jié)構(gòu)調(diào)控與應(yīng)用開辟了全新的領(lǐng)域。

圖4 基于鈣鈦礦納米晶的多維光存儲。（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

當前玻璃光存儲技術(shù)正朝著超高密度、多維復用、超快讀寫、可擦重寫、超長壽命等方面發(fā)展。從實際應(yīng)用層面來看，玻璃光存儲在讀寫速度、讀寫精度、存儲密度、存儲容量等方面還面臨著一些挑戰(zhàn)。

近年來，人工智能和深度學習技術(shù)發(fā)展迅速，在計算機視覺、自然語言處理、語音識別等領(lǐng)域中取得了顯著的成果和突破。深度學習作為一種數(shù)據(jù)驅(qū)動算法，其強大的數(shù)據(jù)表征、模型構(gòu)建與泛化推理能力，也為光學等其他領(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)計和激光微納制造等。將光存儲與新興深度學習技術(shù)相結(jié)合對全面提高光存儲性能具有重要的意義。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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