高速激光写入技术将500TB数据存储到CD大小的玻璃光盘中

研究人员已经开发出一种快速节能的激光写入技术，可以让石英玻璃中产生高密度纳米结构。这些微小的结构可长期维持5D光学数据的存储密度，是当前蓝光光盘存储技术的10000倍以上。

英国南安普敦大学博士研究雷雨昊（Yuhao Lei）表示：“随着个人与组织机构生成数据的爆发式增长，我们迫切需要找到具有更高容量、更低能耗、以及长寿命的高效数据存储形式。”尽管当前基于云端系统的存储方案已经相当普及，但它们在设计上更侧重于临时数据。基于玻璃载体的5D数据存储，有望在国家档案馆、博物馆、图书馆、或私营机构的长期数据存储等领域发挥最大的效力。

利用新方法在一英寸石英玻璃样品中写入6GB数据，四个正方形尺寸只有8.8x8.8毫米，并刻上大学标志和名称。

在《光学》（Optica）期刊中，研究团队描述了这项“编写”数据的新方法，可知其具有两个光学维度/三个空间维度。信息写入速度方面，这套方案可达成每秒百万次（体素单位：Voxels），相当于每秒记录大约230KB的数据（超过100页的文本）。

雷雨昊说：“我们使用的物理机制是通用的，因此，预计这种节能的写入方法也可用于透明材料的快速纳米结构化，应用于3D集成光学和微流体等领域。”

更快、更好的激光写入

尽管此前已经有人证明过基于透明材料的 5D 光学数据存储，但在数据写入速度和信息存储密度上，大家一直在努力克服这方面的艰难挑战。本例中，南安普敦大学研究人员选用了相当“常见”的飞秒激光器，来创建包含单个纳米薄片状结构的微小凹坑（仅占用 500×50 纳米）。

研究人员也没有直接使用飞秒激光器在玻璃上写入，而是利用了激光产生的“近场增强”光学现象，意味纳米薄片状结构会受到来自各向同性纳米空隙的一些微弱光脉冲。近场增强（near-field enhancement）会最小化纳米结构的热损伤，但对于使用高重复率激光器的其它方案来说，反而会遇到一些问题。

由于纳米结构具有各向异性，它们会产生双折射。其特征在于光的慢轴取向（对应于纳米片状结构取向的第四维度）和延迟强度（对应于纳米结构尺寸定义的第五维度）。当数据被记录到玻璃中时，慢轴方向和延迟强度可以分别由光的偏振和强度控制。

雷雨昊说：“新方法将数据写入速度提升到了更加实用的水平，而该校研究团队也展示了可在合理时间内写入的数十GB 数据。”此外高度局部化的精密纳米结构可实现更高的数据容量，因为单位体积中可以写入更多体素，并且能够利用脉冲光来减少数据写入过程所需的能源开销。

在玻璃CD上写入数据

研究人员使用新方法将5GB文本数据写入到了与传统CD光盘差不多的石英玻璃盘片上，读出精度接近100%。可知每个体素都包含了4-bit信息，且每两个体素对应一个文本字符。最终得益于极高的写入密度，这张“光盘”理论上可容纳 500TB级别的数据。研究人员介绍，若后续引入升级后的并行写入系统，他们还可在大约 60 天内写入如此庞大的数据量。

研究小组负责人彼得·卡赞斯基（Peter G. Kazansky）说："在目前的系统下，我们有能力保存TB的数据，例如，这些数据可以用来保存来自一个人DNA信息。

研究人员正在努力提高该方法的写入速度，并使这项技术在实验室之外使用。还需要为实际的数据存储应用开发更快的数据读取方法。

相关链接：https://phys.org/news/2021-10-high-speed-laser-method-terabytes-cd-sized.html