随着互联网、物联网、云计算以及人工智能的快速发展，我们仿佛置身于一片浩瀚的数据海洋中，生活中新产生的信息、图片亦或是视频，都在不断地对数据海洋进行扩充，永无止境……然而，数据的不断剧增也给人们的日常生活带来了一系列的问题，例如：数据存储容量的不足、硬件的存储密度亟需提升等等。为了更好地存储和管理海量的数据、提高数据存储密度，基于低功率激光束与介质相互作用，使得介质的某种性质(如反射率、反射光极化方向等)发生改变，进而实现信息存储的新型光存储技术吸引了人们的广泛关注。
图1 存储技术的发展示意图：从传统光盘存储到固态硬盘存储，再到新型光存储
如图1所示为存储技术的发展示意图。光存储技术起源于20世纪60年代，经历了CD、DVD以及BD三代产品更新迭代。随后，全固态硬盘(SSD)、硬盘(HHD)等存储技术的快速发展，其存储密度、容量不断增大和成本不断降低，逐渐取代了传统光存储，从此传统光存储市场开始走向衰弱。随着人工智能黄金时代到来，AI大模型训练的需求，数据成为了一种刚需。根据国际数据的预测合作（IDC）2018年，全球数据将增至到2025年为175 ZB，到2035年为2142 ZB。而主流的数据保存方法，例如传统的硬盘和磁带等存储方法，面临着存储寿命和能耗方面的严峻挑战，难以胜任庞大的现实需求。此时，全息光存储技术、多维光存储、超分辨率光存储等新型技术凭借其卓越的离线存储能力、巨大的数据容量和持久的存储寿命，在数据存储领域的重要性日益凸显，同时相关的研究开发也成为了全球相关研究团体及科技公司的关注焦点。
数据存储的未来：新型光存储技术
1994年德国科学家Stefan W. Hell教授提出受激辐射损耗显微技术，首次证明了光学衍射极限能够被打破，并在2014年获得诺贝尔化学奖。突破了传统光盘存储的物理限制，实现更高存储密度、更快读写速度、更长保存寿命和更低能耗的数据存储方案，进而满足大数据时代对海量数据存储的需求，人们也针对全息光存储、多维光存储、超分辨率光存储等新型光存储技术领域开展了一系列的研发攻关，并取得了较为丰硕的成果。
(1) 全息光存储技术
如图2所示，全息光存储技术通过两束激光的干涉现象实现数据存储，可以将二维数据页图案存储在三维体空间中，从而提升存储密度和数据存取速度，在这一过程中，一束激光（信号光束）携带待存储的信息，通过与另一束未携带信息的激光（参考光束）相遇，产生干涉条纹，这些条纹作为信息的光学编码，被记录在特殊的光敏材料上，形成全息图。当需要读取信息时，只需用参考光束照射全息图，即可重建出原始的信号光束，从而恢复出存储的数据。全息光存储技术的现世，立刻引发了科研人员以及产业界的广泛关注，在众多领域都得到广泛的应用。大数据存储领域，在大数据时代背景下，对于存储密度和存取速度的需求日益增长。例如，美国InPhase公司于2001年推出基于角度复用的全息光驱Tapestry。在2006年实现了光驱的容量为300 GB，读写速率为20 MB/s的全息光存储技术。该公司研发的双化学体系的Tapestry材料，经加速老化试验测试，预期在25 ℃环境中，保质期为10年，存档寿命为33年。2017年之后，东京理科大学和广东紫晶信息存储技术股份有限公司联合开发了基于球面波参考光，单臂离轴全息光存储系统。该系统使用50 mm×50 mm的记录介质，其容量约为300 GB。
图2 (a) 全息光存储示意图，(b)全息光学存储机
（2）多维光学数据存储
多维光存储的复用维度、存储光盘及读取原理如图3所示。相较DVD蓝光等二维（2D）光学存储方式，三维（3D）光学数据存储充分利用各向同性材料的体积，可以在材料内部的任何位置存储数据。同时，为了进一步超越存储容量的限制，研究人员在传统空间三维之外探索其他维度，这些维度包括了光的振幅、频率（波长）、相位、偏振以及光波前的其它物理参量等，它们都可以携带和记录信息，涉及了基于双折射、等离子体共振和荧光等光学特性的方法。如图3(a)所示，目前，已经开发出的复用维度包括介质的三维空间、偏振、波长以及光强。其中包括基于金纳米棒的波长、偏振、三维空间复用的五维度光存储，以及基于纳米光栅结构的偏振、光强、三维空间复用的五维度光存储。但受限于材料对光各个参数的响应不同，六维度光存储技术一直未得以实现，另外光的轨道角动量特性虽然已被用在量子存储上，但在数据长效存储上并未得以实现。
例如，韩国和法国的科研团队合作发明了一种在玻璃里用激光“写”数据的技术。这种技术可以在玻璃的不同层上存储数据，就像是在书架的每一层上都放书一样。浙江大学和之江实验室联合团队利用超快激光诱导非晶化相变的局部光学相位调制，在材料表面制造出微小的结构，通过控制这些结构的形状和颜色，就能存储数据。通过图像识别进行高速数据提取，达到了大约1.2 Gb/s，并且准确度高达约99.7%，无需依赖昂贵且复杂的光学分析系统和信号处理过程，有效缓解了多维光存储技术数据读取速度慢的问题。在实际应用中，多维光学存储技术可以应用于海量数据存储、结构色打印、多功能衍射光学元件、矢量全息、多维信息加密等场景，具有广泛的应用前景。
图3 (a) 多维光存储的复用维度示意图，(b) 多维光学数据存储光盘及读取原理
（3）超分辨光学数据存储
光学衍射极限是光学存储技术中的一个关键障碍，它决定了数据存储的最小单元尺寸。为了克服这一限制，科学家们一直在探索新的技术路径。其中，超分辨光学数据存储技术的出现，为我们提供了一种全新的解决方案。这项技术通过创新的光学手段，突破了传统光学衍射的束缚，使得数据存储点的尺寸可以做得更小，从而大幅提升了存储密度。
2015年，李向平、曹耀宇等人运用双光束超分辨技术实现超大容量的光存储，将800 nm飞秒超快光源作为记录光束，375 nm连续激光作为抑制光束，在玻璃基板上实现了最小33 nm的记录点，实现大大提高了存储面密度。目前，最前沿的超分辨光学数据存储技术是上海光学精密机械研究所阮昊研究员团队和上海理工大学顾敏院士联合的一种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，实现了点尺寸为54 nm、道间距为70 nm的超分辨数据存储，并完成了100层的多层记录，单盘等效容量达Pb量级，这相当于把一个小型数据中心机柜缩小到一张光盘上，这一成果不仅极大地提高了存储效率，而且对于应对大数据时代日益增长的数据存储需求具有重要的战略意义。
