光存储技术发展现状及展望
光存储技术由于所特有的长寿命、安全可靠和低成本等优点，从二十世纪六十年代开始一经发展就迅速流行，已普及到国民经济的各行各业。
下载链接：
蓝光存储全产业链，掌握核心技术
按照产业化发展的程度，可将光存储技术分为三类：已经产业化正在不断完善的蓝光光存储技术，正在研发阶段处于产业化前夜的“多波长多阶光存储技术”、“双光束超分辨率光存储技术”、“全息存储技术”、“玻璃存储技术”，以及处于预研阶段的“荧光纳米晶体存储技术”和“DNA 存储技术”，“近场光存储技术”等 8 类光存储技术。
使用短波长、高数值孔径物镜的蓝光光盘(blu-ray disc, BD)，可在一张单面单层的 12 cm 光盘上存放 15 GB~27 GB 的信息。但由于受到光学系统衍射极限的限制，且目前对更短波长激光器和更大数值孔径透镜的实现成本和技术要求太高，其存储密度也已趋近于理论技术的极限。为了扩大容量及应用领域，多层蓝光存储技术应运而生。多层蓝光光存储的实现途径主要有基于荧光染料的多层光盘、基于光学开关层的多层光盘、多波长多层存储技术和微全息多层存储技术等。
影响光盘存储寿命的光盘原料有三种：聚碳酸酯盘基原料、记录层材料和反射层材料。记录材料主要有光热塑料、光折变晶体和光致聚合物等。材料的老化是需要解决的主要问题。档案级可录蓝光光盘通过材料和结构优化，可以抵抗温湿老化、光氧老化，机械磨损，生化腐蚀等，目前寿命已达到了 100 年以上。
多波长光存储的原理主要利用光致变色材料的分子级光开关效应，光致变色材料的变色机理：物质吸收光子后，内部电子从分子的一个能级跃迁到另一个能级或者固体中的离子从一个位置转移到另一个位置并改变它的价态，使其呈现不同的光谱，从而导致光致变色。同一时刻在光致变色材料中利用不同的激光波长，可实现多波长和多层并行信息存储。
三种光致变色材料对应于不同的吸收波长，可以分别旋涂在光盘的不同层或混合旋涂在一层作为记录层，每一个记录层只会被对应的记录光激发，而对其他层的记录光则透明。例如，当波长为λ1的激光照射光致变色层，只有对应于吸收峰为λ1 的光致变色材料发生光开关效应，而其他记录材料则不产生吸收。当三束光同时照射记录平面的同一点，每个记录面只会吸收对应波长的激光，并产生相应的信息记录。记录的波段通常选择为 780 nm、650 nm、532 nm以及 405 nm。
双光束超分辨技术有别于传统光存储技术，该技术利用双束光进行超分辨读写]，其基本原理类似于2014 年诺贝尔化学奖得主 Hell 发明的荧光成像技术，最早于 1994 年提出。其中一束光作为记录诱导光，另一束特殊调制后的光具有空心光强分布特性，作用于记录介质上时能够产生“删除”效应，抑制光记录的过程。因而这种双束光记录方式能够突破衍射极限进一步缩小记录点尺寸，从而提高单盘光存储信息记录的密度，加上多层光存储技术，具有实现单盘容量1 TB到1 PB 的潜力。
近场光存储的原理是将入射光束通过光学系统形成直径小于 100 nm 的存储光斑，而光学系统出射端面与存储介质的间距保持在深亚微米范围内，将光斑直接耦合到存储介质进行存储。近场光学分辨率突破了瑞利衍射极限，达到了纳米量级，这一重要性质使得光学成像分辨率有可能提高几十倍甚至上百倍；将近场光应用于光存储中，用超精密机构实现扫描，对于提高光存储的密度具有非常重要的意义。
目前在这一方面的研究主要有孔径探针型近场光存储技术、固体浸没透镜近场光存储技术、超分辨近场结构光存储技术及各类使得聚焦光斑直径降到衍射极限以下的薄膜、掩膜材料技术等方面。
近场光存储具有高密度、高速度、高集成度等优点，存储密度比现有光盘提高了一个数量级以上，有望成为新一代光存储的重要途径和手段。但近场光存储光盘的主要缺点是较难形成多层存储结构，因此对存储容量的提升效果还有待商榷，也导致近几年研究陷入低潮。
全息存储是一种高密度三维光存储技术，采用的是与传统二维存储完全不同的机理：激光器输出激光束经分光镜分为两束光，一束光经过空间调制器后携带物体的二维信息成为物光，另一束作为参考光束。两束光相遇发生干涉，使得数据信息以全息图的方式被记录在存储材料中，能够保存其完整的空间相位信息。读取时，利用之前记录的参考光照射存储介质，由于体全息光栅的衍射效应，在原信号光方向再现出信号光，由 CCD 或 CMOS 图像传感器等光电探测器完成数据的读取。
相对于磁存储、电存储以及传统的光存储等几种现行的存储技术，全息存储技术在存储密度和读取速度方面都具有很大的提升空间，尤其是与开放磁带技术(linear tape open)相比，全息存储在成本与传输速率方面有明显优势[24]。但由于全息存储尚未突破衍射极限，所以其密度的提升还是有一定的限制。
日本日立公司于2012年9月推出一种在石英玻璃片上存储数字信息的新方法[25]。这种技术是在石英玻璃薄片上通过飞秒激光器制造点阵以二进制方式将数据存储下来，可采用普通的光学显微镜读取。目前的薄片原型可以支持四层点阵数据，每平方英寸能存储40 MB 的数据，与一张标准 CD 的存储密度相当。
英国南安普敦大学、俄罗斯莫斯科州立大学均用实验展示了基于玻璃介质的五维光存储技术。该项技术采用熔融石英材料，利用飞秒激光直写技术在石英内部形成“纳米光栅”的双折射结构来保存信息，利用双折射显微镜即可读取信息。与传统光盘不同的是，石英玻璃存储读取时采用透射光路而非反射，穿过被测存储单元后，读取光包含了双折射的慢轴角度、光程延迟值等信息，加上石英玻璃的三维空间，一共五个复用维度。因此，五维光碟具有更大的数据存储密度，理论上其存储的数据量是蓝光的近 3000 倍，耐热温度可以达到 1000 ℃，存储寿命极其稳定。
与现有光存储技术相比，玻璃存储技术稳定性高、体积小、存储能力强、寿命可达几千年，适用于海量信息的长时间安全存储。
荧光纳米晶体存储技术原理是采用激光改变荧光纳米晶体颗粒的电子状态，进而改变其荧光特性，在代表数据信息开关的模式之间高效地切换，从而实现信息数据的存储。
此存储方式有望从二维拓展至三维，从而使存储密度达到千兆字节每立方厘米，可在小型数据立方体上实现 PB 量级的数据存储。该技术能够同时存储几个比特，存储内容可重复写入，且能量效率高，实现的关键在于研发将纳米晶体嵌入到玻璃或者聚合物中的新材料。
脱氧核糖核酸(DNA)存储技术利用 DNA 中的四种碱基腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)代表二进制数据(胸腺嘧啶(T)和鸟嘌呤(G)=1，腺嘌呤(A)和胞嘧啶(C)=0)[28]，将二进制的文件映射成 DNA中的碱基序列，最后通过人工合成技术形成长链的DNA 以实现大数据的存储，通过特定的密钥，可将DNA 信息逆转换为二进制数据，进行读取。DNA 存储技术的显著优点为容量大、存储时间长、能耗低、运营成本低、不涉及兼容问题等，但其初期投资成本较大。
Catalog 公司正在研究通过包含 20 到 30 个碱基对的 DNA 片段记录数据，数据存储于 DNA 片段的排列中，片段之间用酶缝合；该方案预计会有效降低 DNA存储技术的成本。英国创业公司 Evonetix 致力于开发能够在硅阵列上并行合成 DNA 的技术。该技术基于一种新型硅阵列，采用半导体微加工技术制造，能够独立控制 1 万个小型化反应点，实现大规模并行性，吞吐量非常高，错误率低于十亿分之一。
随着大数据热潮，光存储的发展和用户意识的普及，预计在 2022 年左右与光存储相关的单项技术和系统集成技术将达到稳定，并使得存储购买成本达到或低于 1 美分/GB。
未来光存储技术研究将主要围绕两个大的方向并行：新的存储方式工程化和研发性能更优良的存储介质材料。目前，最有望工程化的是双光束超分辨技术和玻璃存储技术。由于各种存储技术都以提高存储容量、密度、可靠性和数据传输率为主要发展目标。因此在未来 5 到 10 年内，光存储技术的发展趋势仍然是以超大容量、超高效率、超高吞吐率、低成本及广泛兼容性的云存储产品为主要目标，通过完善并依据相应的行业标准、国家标准和国际标准，在各行各业普及高性能低成本大数据光存储。
下载链接：
蓝光全产业链布局，掌握核心技术
中国存储器芯片行业概览
本号资料全部上传至知识星球，加入全栈云技术知识星球下载全部资料。