单张盘≈10000张蓝光光盘！嘉定科研院所在光存储领域获重大突破

在日常生活中，光盘是一种常见的储存媒介。你可曾想过，光盘的存储容量可以达到什么量级？近日，中国科学院上海光学精密机械研究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。相关研究成果于2月22日发表在国际顶尖学术期刊《自然》（Nature）杂志，为光存储研究领域带来新的曙光。

单张盘≈10000张蓝光光盘

在光学领域中，存在一个称为“衍射极限”的现象，它决定了光学设备能够分辨两个接近的点的最小距离，限制了人们使用传统光学显微工具观察细小物体的能力。多年来，从光学显微技术到光存储技术，都被光学衍射极限所限制。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。

论文通讯作者之一、上海光机所空天激光技术与系统部阮昊研究员介绍，从具体指标来看，这一技术实现了点尺寸为54nm、道间距为70nm的超分辨数据存储，完成了100层的多层记录，单盘等效容量达Pb量级，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。

Pb量级是什么概念？“1Pb相当于1000Tb，也就是说，这种超分辨光盘的存储容量可达到普通蓝光光盘的1万倍，甚至超过‘竞争对手’硬盘的100倍。”阮昊表示。

光存储技术具有绿色节能、安全可靠、寿命长达50至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（1GB=8Gb）。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。

上世纪八十年代，中国科学院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。自此，研究团队一直深耕光存储领域，并依托于丰厚的研究基础和创新技术方案，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《自然》（Nature）杂志审稿人的高度评价，“这是一种具有突破性创新的Pb级光存储技术”“与现有其他技术相比，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”。

七年磨一剑，超分辨光盘终炼成

要实现这一突破并不容易，其间有诸多必须攻克的关键技术难点，材料问题便是头号“拦路虎”。“传统材料在聚集状态下极易发生荧光猝灭，造成信息的丢失，在纳米尺度下还存在被背景噪声湮没的难题，导致超分辨的信息难以读出，通常依赖电镜扫描的读出方式，限制了超分辨技术在光存储领域中的应用。”阮昊表示，发展可同步实现超分辨写、超分辨读、三维存储及长寿命介质是10多年来光存储研究领域亟待解决的难题。

为此，研究团队深耕了7年。“我是2017年加入阮老师的团队，接触到这个研究方向的。”论文第一作者、中国科学院上海光机所空天激光技术与系统部博士后赵苗回忆，“这是我硕士到博士以及博士后阶段一直在做的课题。很多人觉得这个方向太小众，也太难了。”

这一试，就是好几年。“所幸导师阮昊研究员一直的支持和鼓舞，同时，得到了多位老师的倾囊相授，特别是上海理工大学文静教授（本论文并列一作及通讯作者之一）、中国科学院化学研究所钟羽武研究员、华中科技大学甘棕松教授等，也亲身体验到各个科研团队之间毫无保留的合作与共享，筛选了一百多种材料，超分辨光盘终炼成。”赵苗表示。

未来将满足信息产业领域的重大需求

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关键核心技术，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。

据介绍，超分辨光盘最大的主要应用领域在于数据中心。“随着数据量的爆炸式增长，数据中心对存储容量的需求日益增大。与此同时，数据中心的能耗问题也成为了一个巨大的挑战，超分辨光盘的高容量和低能耗特性将成为数据中心存储的理想选择。”阮昊说。

不过，作为一项基础的科学突破，超分辨光盘距离产业化应用尚有距离。未来，研究团队将致力于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，并拓展其在光显微成像、光显示、光信息处理等领域的交叉应用，产出更多更优秀的创新成果。

“这次突破实现了从0到1的跨越，我们还将继续提升研究成果的各方面性能，希望引起产业界和投资界朋友们的关注，争取5-10年实现产业化。”阮昊表示，他们正在全力以赴，以期加快这一天的到来。

来源：上海嘉定