研究人員展示5D高速光儲存 CD大小玻璃碟片可記錄500TB資料

英國南安普頓大學的一支科學家團隊，剛剛展示了他們最新研發的 5D 高速節能鐳射寫入技術。其特點是能夠在石英玻璃中產生奈米機構，並藉此在一塊 1 英寸的石英玻璃樣品中嘗試記錄了 6GB 的資料。如下圖所示，四個方塊區域的小邊長都是 8.8 毫米，此外研究人員還“順手”在玻璃載體上刻印了校徽和校名。

高密度 5D 光儲存適用於長期資料存檔（圖自：University of Southampton）

南安普敦大學博士研究員 Yuhao Lei 表示：

隨著個人與組織機構生成資料的爆發式增長，我們迫切需要找到具有更高容量、更低能耗、以及長壽命的高效資料儲存形式。

儘管當前基於雲端系統的儲存方案已經相當普及，但它們在設計上更側重於臨時資料。

好訊息是，這項快速節能的鐳射寫入技術，可以讓石英玻璃形成高密度的奈米結構。更棒的是，這些可長期維持的 5D 光學資料的儲存密度，是當前藍光光碟方案的 10000 倍以上。

研究團隊指出，基於玻璃載體的 5D 資料儲存，有望在國家檔案館、博物館、圖書館、或私營機構的長期資料儲存等領域發揮最大的效力。

在近日出版的《光學》（Optica）期刊中，研究團隊描述了這項“編寫”資料的新方法，可知其具有兩個光學維度 / 三個空間維度。

資訊寫入速度方面，這套方案可達成每秒百萬次（體素單位：Voxels），相當於每秒記錄大約 230KB 的資料（超過 100 頁的文字）。

Yu Hao Lei 表示，其採用了通用的物理機制，因而預計這種節能的寫入方法還可用於透明材料的快速奈米結構化，以應用於 3D 整合光學和微流體等領域。

儘管此前已經有人證明過基於透明材料的 5D 光學資料儲存，但在資料寫入速度和資訊儲存密度上，大家一直在努力克服這方面的艱難挑戰。

本例中，南安普敦大學研究人員選用了相當“常見”的飛秒鐳射器，來建立包含單個奈米薄片狀結構的微小凹坑（僅佔用 500×50 奈米）。

不過他們也沒有直接使用飛秒鐳射器在玻璃上寫入，而是利用了鐳射產生的“近場增強”光學現象，意味奈米薄片狀結構會受到來自各向同性奈米空隙的一些微弱光脈衝。

近場增強（near-field enhancement）會最小化奈米結構的熱損傷，但對於使用高重複率鐳射器的其它方案來說，反而會遇到一些問題。

由於奈米結構具有各向異性，它們會產生雙折射。其特徵在於光的慢軸取向（對應於奈米片狀結構取向的第四維度）和延遲強度（對應於奈米結構尺寸定義的第五維度）。

當資料被記錄到玻璃中時，慢軸方向和延遲強度可以分別由光的偏振和強度控制。基於此，新方法將資料寫入速度提升到了更加實用的水平，而該校研究團隊也展示了可在合理時間內寫入的數十 GB 資料。

此外高度區域性化的精密奈米結構可實現更高的資料容量，因為單位體積中可以寫入更多體素，並且能夠利用脈衝光來減少資料寫入過程所需的能源開銷。

作為檢驗，研究人員嘗試將 5GB 文字資料寫入到了與傳統 CD 光碟差不多的石英玻璃碟片上，然後實現了接近 100% 的讀取準確率。

可知每個體素都包含了 4-bit 資訊，且每兩個體素對應一個文字字元。最終得益於極高的寫入密度，這張“光碟”理論上可容納 500TB 級別的資料。

若後續引入升級後的並行寫入系統，他們還可在大約 60 天內寫入如此龐大的資料量。展望未來，研究團隊希望能夠讓這套方案變得更加切實可行。