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顾敏院士：《冷数据光存储的瓶颈问题与解决方案》
2026-04-07 12:25:18
作者：顾敏（中国工程院外籍院士，上海理工大学教授）
将光存储技术应用于大容量冷数据存储领域，长期以来面临着多重技术壁垒。首要挑战在于如何显著提升光存储单盘容量至PB级（1PB等于10^6GB），以满足冷数据总量的爆发性增长。为此，我们深入探索光存储技术的核心原理，并通过创新性的器件阵列化设计，首次构想了针对冷数据的PB级光存储阵列方案。同时，精准地提炼出冷数据光存储面临的五大核心瓶颈问题：光学衍射的物理极限严重制约了光存储的密度与容量上限；如何利用稀土材料与双光束超分辨技术，有效降低单比特数据的读写能耗；确保光存储数据的安全性，防止数据泄露或篡改；提升光存储的读写速率，以满足高效数据处理的需求；制造超分辨光存储的读写样机，实现技术从理论到实践的跨越。经过领域内科研人员长达十年的不懈努力与协同攻关，上述瓶颈问题已逐一获得突破，为光存储技术在大容量冷数据存储领域的广泛应用奠定了坚实基础。
突破衍射极限限制解决容量瓶颈：PB级光存储单盘容量相当于至少一万张蓝光光盘。1873年，德国物理学家恩斯特·阿贝发现了光学衍射的物理极限，即最小聚焦光斑尺寸受到光波长的限制，这一发现为理解光学成像的极限提供了重要基础。虽然光学衍射极限在理论上限制了光存储密度的上限，但具体的存储容量还受到多种因素的影响。与2014年诺贝尔物理学奖中涉及的双光束超分辨成像技术类似，我们发展了一系列突破光学衍射极限的双光束超分辨光存储技术。其中，以2024年发表在《自然》杂志上的双光束聚集诱导发光超分辨光存储技术为代表，突破了长达150多年衍射极限的物理瓶颈制约，实现了PB级三维纳米光子存储，其单盘容量相当于至少一万张蓝光光盘，有效地解决了光学衍射物理极限对光存储密度和容量的限制问题。
发挥稀土资源优势降低读写能耗：镧系稀土材料的长荧光寿命能够实现节能99%以上。稀土材料不仅是中国的优势资源，具有重要的战略意义，而且具有长荧光寿命的特性。双光束超分辨的基本原理依赖于第二束光对第一束光记录效应的边缘抑制，超分辨记录点尺寸随着抑制光强的增加而显著减小。尽管记录点尺寸可以远小于衍射极限，但高抑制光强曾一度严重降低了光存储的读写能效。我们巧妙地利用镧系稀土材料长荧光寿命的特性，显著提升了低光强下的抑制效率，从而在保持超分辨记录特性的同时，将光存储的能耗降低了3个数量级，实现数据中心节能高达99%以上。这一技术结合不仅有效地解决了单比特的读写能耗问题，还为光存储技术的未来发展开辟了新的道路。
实现信息光存储超安全：矢量涡旋光场的多维独立调控保障信息存储的安全性。光学在频率、偏振、相位以及光强分布等多维自由度上展现出丰富的编码潜力。利用这些多维参量对信息进行编码，不仅能显著提升信息存储容量，还能有效增强数据存储的物理安全性。然而，在光场多维参量空间中同时复用多通道信息，对多维光场的精确调控技术以及材料对这些调控的多维响应能力提出了严峻挑战。针对这一问题，我们首次揭示了纳米尺度下材料的独特光学特性——合成螺旋二色性现象，并通过对矢量涡旋光场的多维独立调控，成功克服了这些挑战，实现了在空（3D）、频、偏、相（角动量）等参量空间的首例六维光信息复用存储，为信息存储提供了前所未有的超安全级别。
解决读写速率受限问题：光场并行操控技术极大提升光存储的读写速率。光的本质是电磁波，不同光波在空间中传播时，通常不会相互干扰。这一特性使得多条光束能够同时存在于同一空间中，并各自独立地被调制，从而实现并行的读写操作，以提升光存储读写速率。通过采用一种并行读写技术，能够同时处理四条光束，每条光束独立地执行数据存储操作，从而在原理层面突破了读写速率的限制。随着高性能光电设备的不断涌现，光场并行操控技术正经历显著的进步。利用其对光场的高速、精准调制能力，进一步结合人工智能和光计算，有望使光场并行读写速率从GB/s提升到TB/s，推动光存储技术迈向新的高度。
作者介绍：
顾敏：中国工程院外籍院士、澳大利亚科学院院士、澳大利亚技术科学与工程院院士，上海理工大学光电信息与计算机工程学院教授、校务委员会执行主席，上海理工大学光子芯片研究院院长，澳大利亚斯威本大学微光子学中心首任主任、光电子学首席终身杰出教授，美国光学学会会士、英国物理学会会士、澳大利亚物理学会会士、中国光学学会外籍会士、国际电力电子工程师学会会士，国际光学工程学会提名委员会成员。1982年毕业于上海交通大学应用物理系获学士学位；1984年毕业于中国科学院上海光机所获硕士学位；1988年毕业于中国科学院上海光机所获博士学位；2006年当选为澳大利亚技术科学与工程院院士；2007年当选为澳大利亚科学院院士；2016年出任皇家墨尔本理工大学副校长；2017年11月当选中国工程院外籍院士 。2019年5月，出任上海理工大学光电信息与计算机工程学院教授，并出任校务委员会执行主席。顾敏院士的研究领域包括：现代光子学（ 纳米光子学、生物光子学、光存储,纳米全息显示及光子晶体、 光伏及太阳能储能）；光电子学成像（双光子显微术、三维光存储、混浊组织中的成象、近场光学和激光俘陷） ；物理光学（光学共焦显微术、三维图象重构、超短脉冲光学显微术、超快非线性光学）。获授27项国际专利，1项中国专利；在国际公认权威杂志Nature, Science, Nature Photonics，Nature Nanotechnology, Nature Communications等上发表论文550余篇；独立撰写了两本光学成像理论专著。2019年获国际光学及光子学学会丹尼斯·加博尔奖、 2022年获国际OPTICA光学学会埃米特·诺尔曼·利思奖章、2023年荣获上海市“白玉兰纪念奖”。
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