高密度光存儲(chu) 技術是一種利用光學原理來存儲(chu) 和檢索大量數據的技術。它通過激光與(yu) 介質的相互作用使介質發生物理、化學變化來實現數據的編碼、存儲(chu) 和讀取，以實現高密度、高速度和高穩定性的數據存儲(chu) 。

其基本物理原理是：存儲(chu) 介質受到激光照射後，介質的某種性質(如反射率、反射光極化方向等)發生改變，介質性質的不同狀態映射為(wei) 不同的存儲(chu) 數據，存儲(chu) 數據的讀出則通過識別存儲(chu) 單元性質的變化來實現。所有基於(yu) 光盤的光存儲(chu) 都基於(yu) 相同的技術原理：聚焦光束人射到光盤上，如果光盤上已經存在記錄信息，反射光的特征，例如，光強、光的相位或者光的偏振狀態將發生某種變化，通過電子係統處理可以再現原始記錄的數據信息，這就是光盤的基本讀出過程。具體(ti) 來說，就是讀取信息時，激光掃描介質，在凹坑處由於(yu) 反射光與(yu) 入射光相互抵消入射光不返回，而在未燒蝕的無凹坑處，入射光大部分返回。這樣，根據光束反射能力的不同，就可以把存儲(chu) 介質上的二進製信息讀出，然後再將這些二進製代碼轉換成為(wei) 原來的信息。

傳(chuan) 統光存儲(chu) 中，絕大部分商品化光盤存儲(chu) 係統中所用的記錄介質的記錄機理都是熱致效應。利用從(cong) 激光束吸收的能量，作為(wei) 高度集中的、強大的熱源，促使介質局部熔化或蒸發，通常稱為(wei) 燒蝕記錄。對於(yu) 特定的高密度存儲(chu) 用途，可以選擇不同的機製：雙光子異構化(TPI)和激光誘導表麵變形。TPI可以產(chan) 生巨大的雙折射，實現高信噪比(>20d B)的多維可逆存儲(chu) 。隨著記錄能量的增加，表麵發生偏振相關(guan) 的形變，這不僅(jin) 有利於(yu) 多級存儲(chu) ，而且提高了讀出信號和存儲(chu) 穩定性。光致表麵形變當記錄劑量(曝光時間或記錄功率)增加到臨(lin) 界閾值以上時，材料表麵將形成偏振相關(guan) 的形變[23，24]。與(yu) 其他激光類型的熱燒蝕不同，飛秒激光引起的表麵變形一般歸因於(yu) 電場力驅動的聚合物分子的大規模遷移。[3]

了解光存儲(chu) 相對於(yu) 磁存儲(chu) 方法的優(you) 勢，需要從(cong) 原理上理解它們(men) 的根本區別，傳(chuan) 統的磁記錄的寫(xie) 入原理是將隨時間變化的電信號轉換為(wei) 在線性或者旋轉的鐵磁性材料中的磁化強度和方向的空間變化，傳(chuan) 統的磁記錄讀出原理是將分布於(yu) 磁性材料中的磁化方向和強度的空間變化，通過線性或者旋轉運動，利用磁電轉化元件，轉換為(wei) 隨時間變化的電信號。每次處理或翻轉一點信息時，驅動器都會(hui) 使用磁場通過線圈傳(chuan) 導熱量，從(cong) 而燃燒大量能量。相反，如果驅動器可以在磁層上使用激光脈衝(chong) ，則該器件將在較低的電壓下運行，並且位翻轉所需的能量將大大減少。[4]

隨著記錄密度的提高(目前的硬盤記錄密度已經能夠達到 30Gb/cm2)，能夠獲得的感生電流的強度和信噪比已經過小，造成讀入設備的誤碼率已經不能達到要求。計算機和信息產(chan) 業(ye) 的發展使越來越多的信息內(nei) 容以數字化的形式記錄、傳(chuan) 輸和存儲(chu) ，對大容量信息存儲(chu) 技術的研究也隨之不斷升溫。

與(yu) 傳(chuan) 統的磁存儲(chu) 技術（如硬盤驅動器）相比，高密度光存儲(chu) 技術具有更高的存儲(chu) 密度和更快的數據訪問速度，同時具有更好的數據保持性和耐用性。

隨著激光技術的不斷成熟，尤其是半導體(ti) 激光器的成熟應用，使得光存儲(chu) 從(cong) 最初的微縮照相發展成為(wei) 快捷、方便、容量巨大的存儲(chu) 技術，各種光存儲(chu) 技術紛紛產(chan) 生。與(yu) 磁介質存儲(chu) 技術相比，光存儲(chu) 具有壽命長、非接觸式讀/寫(xie) 、信息位的價(jia) 格低等優(you) 點。從(cong) 二十世紀六十年代開始一經發展就迅速流行[1]，已普及到國民經濟的各行各業(ye) 。直到近些 年來，隨著全固態硬盤(solid state hard drive, SSD)、硬盤(hybrid hard disk, HHD)等存儲(chu) 技術的快速發展，其存儲(chu) 密度、容量不斷增大和成本不斷降低，以及網速的不斷提高、雲(yun) 存儲(chu) 的普及，經曆了數代進步的光盤市場開始不斷萎縮。

但隨著雲(yun) 計算、物聯網、人工智能、大數據時代的到來，主流的數據保存方法，例如 SSD 存儲(chu) 存在單位成本高的問題，同樣存儲(chu) 容量的 SSD 比 HDD 貴得多；而 HDD 雖然單位成本低，適合做大容量存儲(chu) ，但讀寫(xie) 速度遠不如 SSD。而且 SSD和 HDD 壽命都隻有 3 年~5 年。磁帶庫具有存儲(chu) 密度高，成本低的優(you) 點，但每 10 年左右就要進行遷移，需要恒溫恒濕的保存環境，抵禦強電磁場的能力差。在此情況下，麵對大數據時代長期保存、低能耗、高可靠的存儲(chu) 要求，光存儲(chu) 技術又開始受到重視和發展[2]。

上圖顯示了50年來單個(ge) 單元讀/寫(xie) 和空閑狀態的電力消耗比較。在此比較中，單個(ge) HDD單元通常用於(yu) 讀/寫(xie) 消耗20 W，並且以這種方式用於(yu) 每年100小時。在空閑狀態下，每小時功耗為(wei) 10w。單個(ge) ODS單元的讀寫(xie) 功耗為(wei) 7w，每年以這種方式使用100小時。成本是根據假設計算出來的[1]

為(wei) 了提高存儲(chu) 密度和數據傳(chuan) 輸速率，未來主流光存儲(chu) 技術發展的另一個(ge) 重要目標將是增加在光盤中製造的存儲(chu) 層的數量。光存儲(chu) 正在由長波向短波、低維向高維(即由平麵向立體(ti) )、遠場向近場、光熱效應向光子效應、逐點存儲(chu) 向並行存儲(chu) 發展。

1. 多層光盤存儲(chu) 技術：這種技術通過增加光盤的存儲(chu) 層數，來實現數據存儲(chu) 容量的大幅提升。傳(chuan) 統的DVD和藍光技術分別支持單層和雙層存儲(chu) ，而多層光盤技術可以支持更多的數據層，從(cong) 而顯著增加存儲(chu) 容量。信息的寫(xie) 入和讀出通常是通過將一束或多束激光束聚焦到 3D 介質中來實現的。

2. 三維光存儲(chu) 技術：三維光存儲(chu) 技術通過在多個(ge) 維度（通常是三個(ge) 空間維度）上存儲(chu) 信息，來實現高密度存儲(chu) 。這種技術可以在同一體(ti) 積內(nei) 存儲(chu) 大量數據，比傳(chuan) 統的二維存儲(chu) 技術（如CD、DVD）的存儲(chu) 密度要高得多。包括可超越光學衍射極限的雙光子吸收 (two-photon absorption，TPA)三維光存儲(chu) ，基於(yu) 遠場超分辨受激發射損耗(stimulated emission depletion， STED)熒光顯微三維光存儲(chu) 技術；

寫(xie) 入過程是通過使用商用可調諧鈦藍寶石振蕩器完成的，該振蕩器通過自製顯微鏡中的高數值孔徑透鏡聚焦。納米棒有一個(ge) 閾值溫度，在該溫度下，它們(men) 會(hui) 熔化並重整為(wei) 更短的棒或球體(ti) 。這種光熱重塑發生的程度取決(jue) 於(yu) 輸入波長及其相對於(yu) 入射偏振的對齊。因此，可以從(cong) 焦點體(ti) 積中存在的大量杆中選擇單個(ge) 杆;隻有那些具有適當長度和方向的杆才會(hui) 被轉換為(wei) 球體(ti) ，表示與(yu) 這些參數相對應的枯竭的局部杆群：數據點。

3. 全息數據存儲(chu) 技術：全息存儲(chu) 是一種利用光的幹涉和衍射原理，將數據以全息圖的形式在介質中存儲(chu) 和再現的技術。全息存儲(chu) 不僅(jin) 可以在兩(liang) 維平麵上存儲(chu) 數據，還可以利用介質的深度，實現高密度存儲(chu) 。采用三維體(ti) 存儲(chu) 模式，其理論存儲(chu) 密度為(wei) 1/λ3。由於(yu) 存儲(chu) 密度提升了一個(ge) 維度，因此可以將現有的光存儲(chu) 密度提升幾個(ge) 數量級。一般光學體(ti) 全息數據存儲(chu) 機理為(wei) ：待存儲(chu) 的數據(數字或模擬)經空間光調製器(SLM)被調製到信號光上，形成一個(ge) 二維信息頁，然後與(yu) 參考光在記錄介質中幹涉形成體(ti) 全息圖從(cong) 而完成信息的記錄讀出時使用和原來相同的參考光尋址，可以讀出相應地存儲(chu) 在晶體(ti) 中的全息圖。利用體(ti) 全息圖的布拉格選擇性，改變參考光的入射角度或波長，就可在一個(ge) 單位體(ti) 積內(nei) 複用多幅圖像，實現多重存儲(chu) ，達到超高密度存儲(chu) 的目的。

4. 超快激光直寫(xie) 技術實現大容量、超長壽命的多維光學數據存儲(chu) ，特別是微納米結構技術，以其快速、高精度的能量沉積等獨特優(you) 勢，在透明材料中得到了廣泛的研究。與(yu) 更長的激光脈衝(chong) (大於(yu) 幾皮秒)相比，飛秒激光脈衝(chong) 可以在非熱狀態下在材料內(nei) 部產(chan) 生修改而不會(hui) 造成附帶損害，這表明飛秒激光是極具潛力的3D光學數據存儲(chu) 工具。

5. 多階光存儲(chu) 技術：傳(chuan) 統的光存儲(chu) 係統中，二元數據序列存儲(chu) 在記錄介質中，記錄符隻有兩(liang) 種不同的物理狀態，例如隻讀光盤中交替變化的坑岸形貌。如將數據流調製成M進製數據(M>2)，令調製後的數據與(yu) 記錄介質的M種不同物理狀態相對應，即可實現M階存儲(chu) 。如圖所示的坑深調製多階存儲(chu) ，就是通過改變信息符的深度來實現多值存儲(chu) ，數據流經調製轉換成盤基多種不同坑深的變化，即可實現多階坑深存儲(chu) 。[9]

6. 近場光學存儲(chu) 技術：傳(chuan) 統光驅使用包含物鏡的光學頭進行寫(xie) 、讀、擦操作，由於(yu) 物鏡距盤片記錄層多為(wei) 幾個(ge) 毫米，屬於(yu) 遠場光存儲(chu) 方式，光無法聚焦成直徑小於(yu) 半波長的點，存儲(chu) 密度受到了限製。近場光學存儲(chu) 采用的是近場光，它是由記錄介質與(yu) 光源在小於(yu) 半波長量級 的距離時獲得的隱失光。隱失光為(wei) 非傳(chuan) 輸光，當距離超過波長量級時迅速衰減到接近於(yu) 零。近場光學存儲(chu) 的基本原理就是通過亞(ya) 波長尺寸的光學頭和亞(ya) 波長尺寸的距離控製，實現亞(ya) 波長尺寸的光點記錄。隻要將光學存儲(chu) 介質放在近場光學顯微鏡中，保持光學探針與(yu) 存儲(chu) 介質的距離在近場範圍內(nei) ，則在存儲(chu) 介質中形成的記錄點尺寸就可能在亞(ya) 波長量級內(nei) ，從(cong) 而克服衍射極限，實現高密度存儲(chu) 。近場超越光學衍射極限光學存儲(chu) ，包括近場探針掃描顯微(scanning probe microscopy，SPM)存儲(chu) 、近場固體(ti) 浸沒透鏡(solid immersion lens，SIL)存儲(chu) 和超分辨近場結構 (super-resolution near-field structure ，super-RENS)存儲(chu)

在對高效、可靠的存儲(chu) 解決(jue) 方案的需求不斷增長的數字時代，高密度光數據存儲(chu) 技術變得越來越重要。飛秒激光器以其超短脈衝(chong) 持續時間為(wei) 特征，已成為(wei) 這些存儲(chu) 解決(jue) 方案發展的關(guan) 鍵參與(yu) 者。它們(men) 在微觀和納米尺度上精確操縱材料的能力使它們(men) 成為(wei) 高密度光學數據存儲(chu) 應用的理想選擇。涉及全息存儲(chu) 、雙光子吸收存儲(chu) 以及近場光學技術，利用飛秒脈衝(chong) 激光在納米尺度下創建修改區域，編碼多級和多路複用信息，以顯著擴展存儲(chu) 容量。高功率飛秒激光技術的發展為(wei) 實現超高密度光存儲(chu) 提供了一種高可行性的方案。

鐿鐳飛秒的HELioses係列高功率飛秒激光器，在提高數據存儲(chu) 密度和讀寫(xie) 速度方麵發揮了重要作用，由於(yu) 其窄脈寬的特性，允許在不損傷(shang) 周圍材料的情況下，對存儲(chu) 介質進行極其精細的加工。這意味著可以在更小的空間內(nei) 創建存儲(chu) 單元，無需擔心因加工過程產(chan) 生的熱損傷(shang) 而影響數據的完整性。使其能夠在存儲(chu) 介質上製作極其細小的標記，這允許在相同空間內(nei) 存儲(chu) 更多的數據。通過精確控製激光脈衝(chong) 的能量和持續時間，可以實現複雜的數據編碼模式，從(cong) 而極大地提高存儲(chu) 密度和存儲(chu) 介質的長期穩定性和可靠性。HELioses係列高功率飛秒激光器還可以用於(yu) 開發新型存儲(chu) 介質，如通過在玻璃或其他透明材料中創建微納結構來實現高密度存儲(chu) ，搭配鐿鐳開發的AURORA係列光參量放大器，通過調諧激發波長尋找可以對存儲(chu) 材料特異性激發的特殊波長，開發新型大容量光存儲(chu) 材料。也通過使用具有較高重複頻率的飛秒激光器並對每個(ge) 體(ti) 素多於(yu) 8個(ge) 狀態(3Bit)的熒光強度進行編碼，可以進行更高速的記錄飛秒激光誘導材料熒光基團來實現高速的數據讀寫(xie) 。

另外在研究光磁相互作用的實驗中，采用飛秒磁光成像技術研究磁化轉換的超快動力學。用單個(ge) 泵浦脈衝(chong) 記錄磁區，並用中心波長為(wei) 800 nm的單個(ge) 40fs非聚焦探測脈衝(chong) 成像；激光誘導磁化過程。為(wei) 了研究飛秒激光脈衝(chong) 在YIG：Co薄膜中誘導的自旋振蕩，我們(men) 還利用磁光泵浦探測方法進行了常規的時間分辨測量。泵浦脈衝(chong) 的持續時間為(wei) 50fs，以500kHz的重複頻率打到樣品處。

時間分辨磁化動力學和單次成像原理圖。附圖顯示了單脈衝(chong) 激光激發YIG:Co形成的磁疇的磁光可視化。[11]

2012 年，PennWell's Strategies Unlimited（加利福尼亞(ya) 州）預測，在大約 76 億(yi) 美元的激光市場中，近 7.85 億(yi) 美元（占總市場的 10% 以上）用於(yu) 光學數據存儲(chu) 激光器的銷售。[13] 2021 年 11 月，美國國會(hui) 通過了《國防授權法案》（NDAA），要求建立國家半導體(ti) 技術中心 （NSTC）。美國國家半導體(ti) 技術中心（National Semiconductor Technology Center）的卓越內(nei) 存聯盟建議。[14]因此對這些迅速增長的數據量進行存檔的需求不斷增長。另一方麵，處理大量數據歸檔的數據中心更是特別需要降低存儲(chu) 成本(初始成本和運營成本)。光存儲(chu) 可以作為(wei) 一種非常有前途的大容量存儲(chu) 解決(jue) 方式，但為(wei) 了真正滿足未來這些數據中心的需求，增加光存儲(chu) 容量密度是必需的。鬆下、索尼等公司也早都開始了新型高密度大容量光存儲(chu) 技術的開發[15]

之後隨著光存儲(chu) 的發展和用戶意識的普及，2017 年下半年，光存儲(chu) 進入快速發展階段，從(cong) 2018年到 2019 年將有一個(ge) 很大的突破點[29]，如單個(ge) 光盤存儲(chu) 容量將達到或超過 500 G，並不斷降低存儲(chu) 成本。預計在 2022 年左右與(yu) 光存儲(chu) 相關(guan) 的單項技術和係統集成技術將達到穩定，並使得存儲(chu) 購買(mai) 成本達到或低於(yu) 1 美分/GB。

未來光存儲(chu) 技術研究將主要圍繞兩(liang) 個(ge) 大的方向並行：新的存儲(chu) 方式工程化和研發性能更優(you) 良的存儲(chu) 介質材料。目前，最有望工程化的是雙光束超分辨技術和玻璃存儲(chu) 技術。由於(yu) 各種存儲(chu) 技術都以提高存儲(chu) 容量、密度、可靠性和數據傳(chuan) 輸率為(wei) 主要發展目標。因此在未來 5 到 10 年內(nei) ，光存儲(chu) 技術的發展趨勢仍然是以超大容量、超高效率、超高吞吐率、低成本及廣泛兼容性的雲(yun) 存儲(chu) 產(chan) 品為(wei) 主要目標，通過完善並依據相應的行業(ye) 標準、國家標準和國際標準，各行各業(ye) 普及高性能低成本大數據光存儲(chu) 。

可以合理地預測，在不久的將來，OSA將在大數據技術領域獲得巨大的份額，全球市場規模將達到每年300億(yi) 美元。與(yu) 蓬勃發展的芯片和激光技術一起，OSA作為(wei) 數據流的中繼站或信息歸檔的倉(cang) 庫，將能夠推動一種全新的全光信息管理範式，走向大數據存儲(chu) 的可持續未來。[16]

近年來，隨著各類光存儲(chu) 技術的持續進步，光學數據存儲(chu) 理論存儲(chu) 密度不斷攀升。這使得光學數據存儲(chu) 技術具備了克服磁控存儲(chu) 技術等傳(chuan) 統數據存儲(chu) 方式在高能耗和低壽命等方麵缺點的優(you) 勢，尤其在大數據存儲(chu) 領域展現出廣闊的應用前景。當前，商用光存儲(chu) 係統主要以二維數據存儲(chu) 技術為(wei) 主，研發重點集中在提升數據存儲(chu) 麵密度。然而，關(guan) 於(yu) 開發和提升信息存儲(chu) 體(ti) 密度的研究及商業(ye) 化應用仍有巨大的發展空間。通過深入研發各類高密度光存儲(chu) 技術，有望在信息存儲(chu) 密度、讀寫(xie) 速度及使用壽命穩定性等方麵實現光學存儲(chu) 技術的巨大提升，進而實現單設備數據存儲(chu) 容量的幾何級增長。