研究背景

從石器時代的巖洞壁畫到先秦時期的竹簡古籍，再到如今的互聯(lián)網(wǎng)、元宇宙，人類文明發(fā)展至今離不開信息的傳播、處理和記錄。近年來，隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，人類社會產(chǎn)生的數(shù)據(jù)規(guī)模呈現(xiàn)爆炸式增長。國際數(shù)據(jù)公司（IDC）預(yù)測，到2025年，全球?qū)⒖赡墚a(chǎn)生175 ZB（1 ZB = 10¹² GB）的數(shù)據(jù)總量。這些數(shù)據(jù)中只有少部分是被計算節(jié)點(diǎn)頻繁調(diào)用的在線數(shù)據(jù)，而大部分則是不需要被經(jīng)常訪問的離線“冷”數(shù)據(jù)（約占80%）。比如，政府部門、數(shù)據(jù)災(zāi)備中心、博物館、檔案館以及各種特種數(shù)據(jù)庫的海量數(shù)字信息不會被高頻訪問，但仍需要以一種可靠和低成本的方式保證長期可用。然而，現(xiàn)有存儲技術(shù)（半導(dǎo)體或磁存儲）在面對大規(guī)模冷數(shù)據(jù)長期保存時已經(jīng)逐漸顯得力不從心，能耗巨大、壽命有限、存儲密度低等問題日益突出。根據(jù)國際數(shù)據(jù)中心服務(wù)商Supermicro發(fā)布的報告，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心能耗將很快突破全球總發(fā)電總量的8%。僅為降低數(shù)據(jù)存儲散熱能耗，F(xiàn)acebook公司就于2013年在距離北極圈僅有70公里的瑞典呂勒奧建立了歐洲數(shù)據(jù)中心，利用極地冷空氣制冷。2017年，阿里巴巴也將其數(shù)據(jù)中心建在年平均氣溫17℃的千島湖區(qū)，引入湖水制冷。2018年，微軟公司更是直接將其數(shù)據(jù)中心沉入奧克尼群島海底，打造了全球首個海底數(shù)據(jù)中心?？梢韵胂?，如果繼續(xù)沿用當(dāng)前技術(shù)，未來由大數(shù)據(jù)存儲導(dǎo)致的能量消耗勢必造成難以承受的能源供應(yīng)負(fù)擔(dān)，甚至引發(fā)全球性能源和氣候危機(jī)。因此，亟需開發(fā)低能耗、長壽命、高密度的新型數(shù)據(jù)“冷”存儲技術(shù)。

研究重點(diǎn)、創(chuàng)新點(diǎn)、成果

光存儲具有更低的能耗、更大的容量、更高的效率和更長的使用壽命，可以提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)長期、安全、低成本的保存，是海量冷數(shù)據(jù)最理想的存儲方案?，F(xiàn)有光存儲的典型壽命可以達(dá)到數(shù)百年，但仍遠(yuǎn)不能滿足未來大數(shù)據(jù)存儲的需求。傳統(tǒng)光盤的存儲依賴刻寫在表面的微結(jié)構(gòu)，可用的存儲維度極為有限，無法實(shí)現(xiàn)高密度數(shù)據(jù)存儲。此外，如何大幅提升光存儲的寫入速度，降低寫入能量的消耗，仍是當(dāng)前發(fā)展先進(jìn)光存儲技術(shù)所面臨的難點(diǎn)問題。

最近，浙江大學(xué)邱建榮教授和之江實(shí)驗室PI譚德志研究員團(tuán)隊提出了對固體基質(zhì)中活性中心或摻雜劑的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行定制，通過使用單個超快激光脈沖調(diào)控?zé)o機(jī)玻璃介質(zhì)內(nèi)部Eu離子的價態(tài)來實(shí)現(xiàn)兼具超長壽命，低寫入脈沖能量和高寫入速度的光存儲，為大規(guī)模數(shù)據(jù)的高效率、低能耗和長時間保存提供嶄新的思路。在該工作中，研究人員開發(fā)了一種基于Eu³⁺摻雜的硅酸鋁鹽非晶態(tài)光存儲介質(zhì)。該介質(zhì)對能量低至84 nJ的單個超快激光脈沖即可表現(xiàn)出非線性光響應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)超低能耗的數(shù)據(jù)寫入和多層數(shù)據(jù)存儲，實(shí)驗表明存儲信息的壽命長達(dá)兩千萬年，且熒光可以承受高達(dá)970 K的溫度和強(qiáng)烈的紫外線照射 (100 kW/cm²)。此外，觀察到活性Eu²⁺離子的寬帶發(fā)射，半峰全寬 (FWHM) 達(dá)到190 nm，PL可以在整個可見光區(qū)域進(jìn)行調(diào)諧。

圖1 基于光致熒光強(qiáng)度的多級數(shù)據(jù)存儲

圖2 多層數(shù)據(jù)點(diǎn)陣及復(fù)雜圖案存儲演示

圖3 數(shù)據(jù)存儲穩(wěn)定性和壽命

圖4 可調(diào)諧光存儲

使用體驗

超快激光精密加工離不開空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator，SLM）的協(xié)助，超快激光實(shí)現(xiàn)超越衍射極限的三維微納加工對加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性、像差、位相調(diào)控精度和準(zhǔn)確度具有極高的要求。首先像差的存在會導(dǎo)致實(shí)際聚焦光場的強(qiáng)度分布和目標(biāo)光場強(qiáng)度分布產(chǎn)生偏差，影響實(shí)際加工過程中光場的空間分布，降低加工精度，同時會提高加工閾值，甚至無法加工出目標(biāo)結(jié)構(gòu)。而空間光調(diào)制器可以全面、精確、靈活、快捷地調(diào)制超快激光的光場生成所需形狀的光場分布。通過全息圖，結(jié)合空間光調(diào)制器的相位調(diào)制功能可以快速、便捷地對像差進(jìn)行校正，并可補(bǔ)償激光以及光學(xué)系統(tǒng)的像差、實(shí)現(xiàn)理想的聚焦，降低寫入數(shù)據(jù)點(diǎn)的能量閾值實(shí)現(xiàn)低能耗光存儲，并提升數(shù)據(jù)寫入的精度和質(zhì)量。同時，通過加載合適的相位圖，空間光調(diào)制器可以將輸入的單束激光直接轉(zhuǎn)換為多束脈沖，實(shí)現(xiàn)超快激光并行加工，一次加工二維甚至是三維數(shù)據(jù)點(diǎn)陣列，解決傳統(tǒng)光存儲中逐個寫入數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)寫入效率低的問題。

圖5 低數(shù)據(jù)寫入閾值

本實(shí)驗中采用日本濱松公司的空間光調(diào)制器，其外形設(shè)計簡潔、緊湊，使用方便，易于集成，精密準(zhǔn)確的位相調(diào)節(jié)為數(shù)據(jù)的高效穩(wěn)定寫入提供保障。同時濱松該系列空間光調(diào)制器的光利用率可以達(dá)到95%，充分利用激光能量，具有較高的光損傷閾值，可使用較高功率激光以實(shí)現(xiàn)并行加工，高速數(shù)據(jù)直寫。

文章出處

題目：Ostensibly perpetual optical data storage in glass with ultra-high stability and tailored photoluminescence

期刊：Opto-Electronic Advances

原文鏈接：doi: 10.29026/oea.2023.220008

作者及通訊作者：本文作者為浙江大學(xué)博士研究生王卓和助理研究員張博，通訊作者為浙江大學(xué)邱建榮教授和之江實(shí)驗室PI譚德志研究員。