在数字时代，越来越多的数据积累需要寿命长、节能并且实用的新存储技术，这些技术。英国的研究人员认为他们可能已经找到了答案，他们使用飞秒激光脉冲的偏振来定向玻璃板中的纳米结构（Optica，doi：10.1364/OPTICA.433765）。他们认为他们的方法最终可能允许在一台光盘大小的设备上存储500 TB的数据。

 

 

英国的研究人员展示了如何通过改变一系列飞秒激光脉冲的能量来加速将数据写入玻璃板。[图片：Yuhao Lei 和 Peter G. Kazansky，南安普敦大学]

 

提高能源效率

 

        如今，数据中心使用各种技术来尝试满足不断增长的存储需求，但每种技术都有其局限性。硬盘消耗大量能源，通常只能使用几年，而磁带对于日常使用来说太慢了。传统的光盘，例如 CD 和 DVD，速度也很慢，而且使用寿命有限。

 

       在最新的研究中，英国南安普敦大学的 Peter Kazansky 和他的同事提出了一种具有潜在无限寿命的设备，该设备使用飞秒激光源产生的脉冲将跨越五个维度（三个空间维度）的数据存储在一块石英玻璃中，以及表征二氧化硅双折射的两个参数。写入设备涉及调制激光的偏振和强度，以便通过二氧化硅内纳米级结构的慢轴方向和延迟（两个正交偏振之间的光程差）对数据进行编码。

 

       南安普顿小组已经证明了这种技术在原理上是可行的，但由于需要多次激光发射才能创建单个纳米结构，因此受到了阻碍。快速写入数据要求激光器以高重复率运行，但超过一定频率时，该过程会产生过多热量，无法准确编码数据。

 

       Kazansky 及其同事现在已经展示了如何通过提高写入过程的能量效率来最小化这个问题。他们通过将这一过程分为两个阶段来实施。首先，他们使用一个或多个能量相对较高的“种子”激光脉冲来产生微小的爆炸，在二氧化硅上留下约 130 nm 的均匀圆形空隙。然后，他们使用多个能量较低的“写入”脉冲，在与光的偏振轴成直角的情况下将空隙拉长约五倍，从而对数据进行编码。

 

       他们能够通过利用近场增强现象来降低写入脉冲的能量。在垂直于脉冲极化的平面上，这些脉冲产生的电场在由种子脉冲产生的空洞边缘被放大。该增强场使二氧化硅电离，从而写入数据点或“体素”。

 

以光速书写

 

       为了证明该技术如何用于实际存储数据，研究人员使用波长为 515 nm、重复频率为 10 MHz 的激光器，他们使用声光偏转器扫描直径为 120 毫米的二氧化硅板。每个体素需要一个种子脉冲和四个或七个写入脉冲，具体取决于编码该特定体素需要两个延迟级别中的哪一个。

 

        对于两个延迟级别中的每一个，有八种可能的偏振（对应于八个特定的慢轴方向），每个体素可以放置在 16 种可能的配置中的任何一种，因此可以容纳四个二进制位。通过以每秒 100 万个体素的速度进行扫描，他们能够在 5 小时内将 5 GB 的数据写入跨越厚度为2.4 毫米光盘的 50 层中。然后他们发现他们可以几乎 100%的准确度读取数据。

 

未来的改进

 

       Kazansky 和他的同事们说，通过将重复率提高到 50 MHz，写入速度可以提高到每秒兆字节。他们还认为，通过增加慢轴方向的数量和减小设备的尺寸，使体素之间的间距仅为0.2微米，相邻层之间的间距仅为3微米，可以使每体素的比特数增加一倍。他们说，在那种情况下，一块4 毫米厚、直径127 毫米的玻璃板可以存储大约 500 TB 的数据。

 

       研究人员指出，他们目前的方案仍然存在一个明显的弱点——阅读速度。他们的手动控制成像系统将读取速度限制在每秒几个字节。但他们相信这不会成为 一个大问题，他们认为通过采用自动偏振成像和更强大的解码算法，他们可以将速度提高到每秒数十兆字节。

 

       消息来源：https://www.optica-opn.org/home/newsroom/2021/november/femtosecond_lasers_could_enable_long-term_data_sto/