文/姚倩、戴曄，上海大學物理系超快光子學實驗室
您的存儲空間告急…
人類文明發展至今離不開信息的記錄。從繪畫、雕刻、印刷到如今的數字化信息存儲，存儲容量呈指數增長。根據軟件公司Domo的報告，2018 年，人們每分鐘在Google進行383萬次搜索，在YouTube觀看433萬段視頻，發送159362760封電子郵件、473000條Twitter和49000張Instagram上的照片。國際數據公司（IDC）稱，到2025年，全球將產生175ZB（1ZB=1012GB）的數據總量[1]。數據的爆炸式增長仿佛在警告人們：您的存儲空間即將不足…
圖1 全球數據總量呈指數增長[2]
“云”存儲數據中心
當“云”存儲進入到人們的生活，大部分數據似乎都有了落腳之地。許多人認為“云”存儲是一種存儲所有數據的方法，從數千張照片到數百萬封電子郵件，都不會占用手機或計算機上的任何空間，但這些信息其實都被存儲在數據中心的硬件里從而可讓客戶們從多個設備訪問。
簡單來講數據中心就是一個有龐大數量的服務器（計算機）放在一起運行應用來處理商業和組織運作數據的地方。要保證數據中心的正常運行，需要不間斷的供電，同時在服務器運行的時候會散發出大量的熱量，這時就需要進行散熱，散熱所帶來的能源消耗是巨大的，同樣電費開銷也不可估量。
2013年，Facebook公司建立了歐洲的最大數據中心——瑞典呂勒奧數據中心距離北極圈僅有70公里，該數據中心利用巨大的風扇將外部冷空氣吸入用于散熱。
2017年，阿里巴巴將其數據中心建立在年平均氣溫17℃之低的千島湖地區，因地制宜采用湖水制冷。
2018年，騰訊公司將其數據中心建立在安全隱蔽、溫度適宜的貴州省貴安新區的山洞內，總占地面積約為七百多畝，隧洞面積超過30000 ㎡，將用于存儲騰訊最核心的大數據，華為、蘋果公司也紛紛把大數據中心建立在貴州；微軟公司也在2018年將其數據中心沉入奧克尼群島海底，建立了全球首個海底數據中心。
各大公司為了降低能耗如此大費周章，如若發現一種不耗能且能實現永久存儲的高密度存儲介質，那么這些問題就迎刃而解了。
圖2 千島湖數據中心（左）[3]與微軟海底數據中心（右）[4]
納米光柵——大數據時代的光存儲方案
大數據其實具有“溫度”，也有冷熱之分：熱數據是指需要被計算節點頻繁訪問的在線類數據；冷數據是對于離線類不經常訪問的數據。熱數據就近計算，冷數據集中存儲，因此有必要考慮按照不同數據的屬性進行分類存儲。
冷數據的存儲目前依賴于硬盤驅動器、磁帶、光盤存儲、全息存儲等技術。如何研制出一種容量大、壽命長、成本低且節能環保的存儲技術是解決冷數據存儲問題的關鍵。
自2003年京都大學的Shimotsuma等人[5]使用背散射電子顯微鏡在石英玻璃中首次觀測到納米光柵結構以來，關于它的研究再沒有中斷。納米光柵是一種光誘導的永久性偏振依賴結構，光柵結構的取向垂直于激光偏振方向，具有雙折射特性，并且這種結構能夠用光進行擦除和重寫。此外納米光柵的基體是堅硬的石英玻璃（SiO2），其耐熱性好、成本低，可以承受煮沸、烘烤、微波、消磁和其它具有物體破壞性的環境威脅，因而納米光柵成為了未來超高密度光存儲結構的重要候選者。
數據的寫入與讀取
當用飛秒激光聚焦在熔融石英玻璃內部，一個永久改性的三維納米結構——體素（voxel）就會在內部產生。“體素”即構成三維圖像的像素，每一個都有各自獨特的方向、深度和大小，是唯一的編碼器。如圖3所示[6]，從頂部看(a)結構呈橢圓形，直徑可小于激光波長，圖中光柵結構的單個“條紋”寬約20 nm，深度約為幾微米。(b)是用1030 nm激光寫入的四種體素的三維結構實驗重建圖，利用共聚焦成像技術，每隔0.2 μm對石英玻璃的X、Y、Z三個維度進行數據采樣收集。(c)為8層體素的側視圖，通過將激光聚焦在XY平面上的不同位置，可以并排寫入體素以形成二維層，激光同樣可聚焦到石英玻璃內部不同深度寫入多層納米結構，一塊2 mm厚的石英玻璃可以包含100多個數據層。因為石英玻璃的透光率遠遠大于傳統光盤的不透明薄膜，在寫入和讀取時能讓激光入射到更深的材料內部。
圖3 納米光柵結構[6]
每個體素的形成區域相比于其它未輻照區域都展示了雙折射特性，因此當偏振光穿過體素時，O光和E光會產生一定的光程差形成“延遲”（Retardance）。因此，可利用延遲量和偏振角這兩個變量來對每個體素進行數據編碼，加上三維的空間自由度可實現五維光存儲。當激光寫入數據時，通過調制激光束的偏振、能量和脈沖數影響體素的這兩個性質，將特定數值編碼到每個體素中，當然在讀取存儲數據時也相當于測量體素的延遲和偏振角。
除了三維空間與延遲、偏振角這五個自由度以外，脈沖前沿傾斜（Pulse Front Tilt,PFT）也有望成為光學數據存儲技術中的一個新自由度。我們通過對超快激光脈沖的時空耦合特性進行調控，沿著空間啁啾的方向在石英玻璃內部進行掃描時，在激光焦點附近會產生彎曲的納米光柵結構，若在光路中加入一個道威棱鏡改變空間啁啾的方向，則納米光柵彎曲的方向會發生翻轉，我們的實驗結果提供了一個調控體素延遲量的新方法[7]。
納米光柵的擦除與重寫
納米光柵的擦除和重寫特性不僅可以實現數據的反復寫入，還能將寫入的錯誤擦除并糾正。近期，我們課題組[8]通過不同偏振組合的飛秒激光雙脈沖序列（圓偏振光CP和線偏振光LP）輻照石英玻璃，對這類納米光柵擦除和重寫的物理機制展開了研究，分析了雙脈沖的延遲時間（Δτ）、能量比（R=E2nd/E1st）和激光偏振態對擦除與重寫過程的影響。如圖4所示，隨著雙脈沖延遲時間的增加，第二束激光將逐漸擦除第一束脈沖所誘導的納米光柵，而且雙脈沖序列的能量比越大，擦除效果越明顯，并且會重新沿著垂直于第二脈沖的方向形成新的納米光柵結構。
但是總體來看，雙脈沖序列的高能量比對擦除重寫的影響比脈沖間延遲時間的影響更大，無論脈沖間延遲時間如何變化，只要后續脈沖能量高于前一脈沖能量，就能實現對納米光柵更有效的擦除和重寫。
圖4 不同能量比的雙脈沖序列對納米光柵的擦除與重寫[8]
無限壽命的存儲介質
2011年，日本京都大學的Shimotsuma教授等[9]利用石英玻璃記錄了一副世界地圖。圖5是他們分別利用光學顯微鏡(a)和偏振顯微鏡(b-偏振角，c-延遲量)拍攝的微型“世界地圖”，該地圖的實際尺寸只有3.4 mm×1.8 mm。他們利用1/2波片來控制偏振方向，通過空間光調制器（SLM）來調控光程延遲量，并通過正交偏光顯微鏡讀出數據。基于以上技術，他們僅僅用了20 min就在石英玻璃內部制作了這么一副世界地圖。
2012年，英國南安普頓大學光電研究中心的Beresna博士等人[10]也做了類似的研究，他們在石英玻璃內部利用納米光柵的雙折射特性記錄了麥克斯韋和牛頓的人像，大小僅為1.5×2 mm。激光寫入時通過改變激光偏振及調控光程延遲量來實現數據的記錄，使用一套基于光學顯微鏡和液晶偏振補償器組合而成的雙折射信號測量系統來讀出數據。
圖5 石英玻璃中存儲的地圖[9]與人像[10]
在科幻小說《三體》中的未來世界里，即便一粒米大小的量子儲存器就可以放下一座大型圖書館的數據，但最多也只能保存2000年，最后人們發現把信息存儲1億年的唯一可行方法——「把字刻在石頭上」。在石英玻璃中存儲數據類似于在石頭上刻字，石頭能永恒，Why not Silica？
2014年，英國南安普頓大學光電研究中心的張靜宇博士等人[11]證實了在室溫下（303K）利用石英玻璃進行數據存儲具有幾乎無限的壽命（3.0×1020±1年），并將數據記錄速率提高了兩個數量級。石英玻璃內部的納米光柵結構可以承受1000 ℃以上的高溫，號稱在常溫下壽命接近無限，即便在190°C（462K）下也可使用138億年，要知道地球約46億年前才誕生。他們調控4個偏振方向和2個光程延遲量后在同一深度打多組點，每組1-100個不等，這些點被編碼成3bit/個的二進制數據。圖中彩色點顯示不同強度水平誘導的納米光柵結構。隨后對相距20 μm的三個雙折射層進行信息解碼，結果在三層記錄的11664位信息中僅有42位錯誤，可通過額外的校正程序消除。
圖6 五維光存儲的數據讀取與無限壽命的石英玻璃光存儲[11]
Project Silica
在信息丟失之前將數據安全轉移到新的存儲介質上會增加長期的存儲成本，因為硬盤可能會在三到五年后磨損，隨著科技發展原本的文件格式將會過期，隨之而來的升級成本也很高。成本低、熱穩定性高的石英玻璃很可能成為光存儲的最佳選擇。
2019年，微軟公司與華納兄弟娛樂公司合作，利用超快激光光學系統和人工智能技術將1978年的超人電影存儲在一塊大小為7.5 cm×7.5 cm×2.0 mm的石英玻璃內部并讀取出來[12]。激光通過在多個深度和角度創建3D納米光柵層在石英玻璃中編碼數據，通過機器學習算法解碼特定的圖像和圖案來讀取數據，這些圖像和圖案是在偏振光透過玻璃時產生的，數據只需寫入一次就可永久存儲。這種玻璃光盤又被稱為五維光盤，由納米結構的三維空間與光程延遲、偏振角復用構成，一張藍光光盤可以存儲 128GB 的數據，而同等尺寸的玻璃光盤的存儲容量是藍光光盤的3000倍。
存儲在石英玻璃中的數據將不再是需要定期訪問的信息——冷數據。值得注意的是，Project Silica是英國南安普頓大學與微軟公司的合作項目，南安普敦光電研究中心Peter Kazansky教授說：“我們正在開發主要用于對大量數據進行歸檔和冷存儲的數據存儲技術，例如大數據中心和云存儲。我們的目標之一是替換目前用于此類應用的磁存儲技術。我們的技術的優勢在于其極高的耐用性，因為我們使用石英玻璃作為存儲介質，它可以在火災或太陽耀斑等自然災難中幸存下來；另一個優勢是我們為數據存儲提供了更多的自由度，這有助于增加存儲容量。”
為了展示五維玻璃光存儲的威力，英國南安普敦大學的研究團隊將《圣經》、牛頓的《光學》以及美國《世界獨立宣言》存儲在玻璃介質中。坐上火箭的特斯拉汽車也將記錄有《圣經》的玻璃光盤帶上了火星。
圖7 存儲《超人》電影[13]與圣經的石英玻璃[12]
結 語
與當前廣泛使用的磁存儲相比，基于納米光柵的五維玻璃光存儲優勢突出，前景廣闊，但離該技術的大規模應用還有很長的路要走。為此，加快數據編碼速度、增加數據密度以及簡化寫入、讀取操作是研究人員們亟待解決的問題。保存海量數據是人類現階段渴望實現的想法，若是到了世界末日的那一天，將人類文明存儲在石英玻璃中散布到世界各地乃至全宇宙，一塊微不足道的石英玻璃將能代表人類文明的光輝歷史，它仿佛在述說：“我們人類曾經來過，并創造了些許美好！”
作者簡介
姚倩，上海大學物理系碩士研究生。
戴曄，上海大學物理系教授，博士生導師。
