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光存储,大数据时代的领航者
来源: | 作者:huaraylaser | 发布时间 :2020-09-01 | 261 次浏览: | 分享到:
出品:科普中国
制作:原续鹏(中国科学院上海光学精密机械研究所)
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  2020的新冠疫情防控,大数据毫无疑问提供了很大帮助。专家们分析了春节前后人口流向和规模,识别了疫情传播渠道和防控重心。可是,这种规模性的数据都是被怎么“藏”起来的呢?

  小到银行流水、社保单据,大到我们每个人的身份信息、档案材料,这些需要长久保存、大体量的数据究竟通过什么方式被存储和读取的呢?磁带和磁盘的常规存储方式真的能胜任大数据时代数据的爆发性增长吗?新的数据存储方式又是怎么实现数据存储的呢?

  敬请期待数据储存的追光之旅……

  光存储原理

  所谓的光存储,并不是简单地把光给存储起来,而是激光器发出一束激光,当激光遇到存储材料时会发生物理或者化学反应,也就是说材料的性质发生了一定的变化,性质发生变化的位置点我们视为二进制数中的“1”;而激光没有经过的地方,材料的特性保持不变,这些位置点我们视为二进制数中的“0”。当完成记录后,光盘上就留下一串串的二进制数0011010101...,这样我们就成功的把数据刻录在光盘上。当我们需要将记录的数据信息读出时,一束激光在经过记录点“1”和非记录点“0”时,两者之间的折射率、荧光信号等材料性质不同,正是这种差异可以将记录点和非记录点区分开,从而成功获取我们存储的信息。

  光碟——最早的光储存

  1982年,飞利浦公司研发出了光存储的鼻祖CD(致密光碟),经过20多年的飞速发展,光盘的存储容量也越来越大,1995年DVD问世,1999年蓝光光盘也应运而生。

  最早的光储存原理为阿贝衍射极限公式:

光存储,大数据时代的领航者

  式中:

光存储,大数据时代的领航者

代表光斑直径;

光存储,大数据时代的领航者

代表所用激光波长;

光存储,大数据时代的领航者

代表物镜的数值孔径。光存储的发展过程就是一个不断减小激发光波长、不断增大物镜数值孔径的过程,进而数据存储容量不断提升。


光存储,大数据时代的领航者


  光盘存储发展历程[1]

  现代光储存技术

  然而,上帝似乎太过宠溺光存储这个“儿子”,不太愿意放手让他自由飞翔快速成长,光存储在蓝光光盘问世后的十年间都鲜有突破。其最主要原因有两个方面:一是大多数材料在激发波长为400 nm以下的紫外波段有很强烈的线性吸收而很难响应;二是物镜的数值孔径也不能无线增大,最大数值孔径为1.49的物镜已经接近盖玻片的折射率,如果继续增大,会因为折射率不匹配相差进而影响分辨率,最终会影响光盘的存储密度和存储容量。但是,不在沉默中爆发,就在沉默中灭亡,为了让光存储重振往日雄风,近些年来,许多科学家十年如一日,深耕光存储研究,取得了该领域内的里程碑式的进展。

  1、五个萝卜一个坑——金纳米棒中的五维光存储

  通常情况下,光存储是“一个萝卜一个坑”的一维存储,也就是说一个位置点上只能存储一个值,优点是简单明了,但缺点是容量非常有限。2009年,来自澳大利亚的科学家另辟蹊径,在金纳米棒中成功实现了五个维度的光存储,即在一个位置利用三种不同波长的激发光以及其对应的两种不同偏振态的光分别进行数据的存储,成功实现了“五个萝卜一个坑”,大大提升了存储数据的能力。


光存储,大数据时代的领航者


  五维度光存储[2]

  2、“橡皮”擦出来的细“笔印”——超分辨光存储

  如果有一只已经被削的非常细的铅笔,但是还想画出更细的线条,怎么办?如果将铅笔削得更细则笔更容易折断,很难满足作画的目的。面对这样的问题,很多画家聪明地选择先画出线条,然后用橡皮擦把线条擦得更细。一项重大的科学应用——超分辨光存储借鉴了这样的思维模式,很大程度上缩小了数据点的尺寸。

  我们知道,用透镜把激光光斑聚到一个点的时候,光斑尺寸有一个最小值,这个光斑叫做“艾里斑”,艾里斑很大程度上决定了我们刻写的记录点大小。但是,“挑剔”的科学家还是嫌弃刻写的记录点太大,无法满足高密度大容量存储的需求。2011年,一群来自德国的科学家在生物材料绿色荧光蛋白中利用受激发射损耗超分辨原理,即采用两束激光,一束为实心的激发光,一束为空心的抑制光,激发光作用于样品后会产生自发荧光,相当于铅笔先画了一条线。而后中空的抑制光与样品相互作用使得该区域以受激辐射的方式回到基态,相当于橡皮擦把线条擦细。这样,大大减小了有效激发的区域,即很大程度上可以减少记录的数据点特征尺寸,从而极大地提升了存储数据能力。


光存储,大数据时代的领航者


  超分辨原理示意图[3]


光存储,大数据时代的领航者


  超分辨光存储[4]

  3、一片永流传——玻璃光存储

  你知道吗?日常生活中非常常见的玻璃,也是可以用来存储数据的。和书本、照片、光盘等相比,玻璃存储号称可以存储“上亿年”,并且在几百度的高温下也不会融化,这也就意味着存储在玻璃内部的数据可以永久性保存。这其中用到的技术手段主要是用激光在玻璃内部刻画出物理结构“纳米光栅”来存储数据。来自南安普顿大学的研究团队已利用玻璃存储把《圣经》、牛顿的《光学》,以及美国的《独立宣言》写进玻璃介质中,以期实现永久存储。

  也许,多年后爱情的信物不再是钻石,而是更加具有永久代表性的存储玻璃。爱情恒久远,一片永流传!

  写在最后

  金纳米棒的五维存储从增加维度方面出发提升存储容量,超分辨存储从减小数据点的特征尺寸方面出发提升存储容量,玻璃存储从设计新的微纳结构出发提升存储容量。这些技术都是对传统光存储的重要突破,将存储容量提升到一个新的维度。

  大数据时代已经到来,我们都需要直面挑战。如果不能将海量的数据存储起来,将会是一场灾难;光存储是最具发展潜力的一种存储技术,未来,陆陆续续还会有多种多样的技术手段来不断提升光存储的容量。

  光存储,一种绿色节能高效的数据存储方式,将在大数据时代承担领航者的角色,为人类文明记忆保存提供坚实保障!

  参考文献:

  [1] GU M, LI X. The road to multi-dimensional bit-by-bit optical data storage [J]. Optics & Photonics News, 2010, 21(6): 28-33.

  [2] ZIJLSTRA P, CHON J W M, GU M. Five-dimensional optical recording mediated by surface plasmons in gold nanorods [J]. Nature, 2009, 459(7245): 410-3.

  [3] 姜美玲, 张明偲, 李向平, et al. 超分辨光存储研究进展 [J]. 光电工程, 46(03): 82-93.

  [4] GROTJOHANN T, TESTA I, LEUTENEGGER M, et al. Diffraction-unlimited all-optical imaging and writing with a photochromic GFP [J]. Nature, 2011, 478(7368): 204-8.