远场超分辨光盘存储技术

刘魁 严文

摘要：光盘存储技术是现代社会的重要信息载体，随着信息社会信息量的不断膨胀，对存储容量的需求不断增长，传统的光盘存储技术受限于光的衍射极限，容量难以进一步提升，能够突破衍射极限的超分辨技术为提升光盘容量提供了可能。

关键词：光盘;远场超分辨;双光束

随着人类文明迈入数字化时代，信息技术日新月异，已成为 21 世纪的关键技术。然而信息时代需要先进的信息存储技术，只有通过离线方式存储在存储介质上，信息才能起到传承的作用。离开存储，信息产业的基础将不复存在。

一、光盘存储技术概况

在目前的信息存储技术中，主要有三种数据存储方式：光盘存储（ODD）、半导体存储（Flash Memory）以及硬盘存储（HDD，又称磁存储）。其中，硬盘存储的记录内容可擦写，当遭受热磁冲击时记录内容易消失;半导体存储的记录内容易擦写，当遭受强电场冲击时记录内容会消失;光盘存储的优势在于成本低，且其存储的数据能长时间保存，保存时间越长，成本优势越大，但单盘的存储容量需要进一步提升。另一方面，目前世界上90%以上的数据中心都采用“硬盘+磁盘”的存储方案，运维成本随时间延长而增长，而运维成本中的40%为空调电费，在相同数据量、相同保存时间长度的情况下，光存储的耗电量成本只有硬盘存储成本的1/15。

近三十年来光存储技术得到了迅猛的发展。从 1981 年的 CD 光盘，到 1996年第二代光存储的 DVD 光盘;进入 21 世纪，蓝光 DVD 技术作为第三代光存储技术已获得了巨大成功，光盘技术发展可谓方兴未艾。光存储技术从最初的CD到现在的蓝光DVD，存储容量的提升是一直追求的目标。

二、远场超分辨光存储技术概况

根据光的衍射极限公式可知，衍射极限D与光波长λ 成正比，与镜头数值孔径NA（Numerical Aperture）成反比，光存储面密度的提高，需要缩短激光束的波长或提高物镜的数值孔径。对于一般的 CD 系统，其典型值为 λ = 780nm， NA= 0.45;而对于一般的 DVD 系统，其典型值为 λ = 650nm， NA= 0.65。目前，光存储激光波长最短做到了 405nm 的蓝紫光，衍射极限约为200nm，在蓝光之后进一步减小激光器的波长在技术实施上非常困难，器件本身的研制困难而且高昂。当激光器发展到紫外区，成本和寿命都是现在难以解决的严重问题。其次，更高数值孔径的球面镜的加工制作十分困难，并且数值孔径越高会导致系统的焦深越短，这样对系统的聚焦伺服和光盘盘片的加工提出了更严格的要求。由此可见，依靠改变波长和数值孔径的方法遇到了很大的技术瓶颈，为了使聚焦光斑不再受波长和数值孔径的限制，人们寻找其它更行之有效的方法来超越衍射极限。

为了提高光盘存储的密度及容量，除了利用传统的缩短激光器波长、增加物镜数值孔径和减小光斑尺寸的方法外，另一种方法是超分辨存储技术。超分辨存储技术包括光学系统超分辨技术和介质超分辨技术两大类。这两类技术分别通过改进光盘的读写光学系统和光盘存储介质性能结构来实现，使实际记录的信息符尺寸突破传统光学衍射极限，从而实现高密度的信息存储。超分辨存储的方法分为远场超分辨和近场超分辨两种情况，光学头与存储记录介质表面之间的距离小于波长量级的范围称为近场超分辨，而大于此距离量级的范围称为远场超分辨。通常广泛使用的光盘系统的物镜都离光盘记录介质较远，属于远場超分辨。

三、远场超分辨光存储技术最新进展

远场超分辨光盘存储技术属于超分辨光盘存储技术的一个技术分支，主要技术路线包括光学变迹术和双光束远场超分辨技术，其中具有更高应用前景的是基于STED的双光束超分辨存储技术。2014年，诺贝尔化学奖即授予发展超分辨率荧光显微成像技术的3位科学家，分别是美国霍华德休斯医学研究所教授Eric Betzig、德国马克斯普郎克生化研究所教授Stefan W. Hell和美国斯坦福大学教授William Moerner。其中除了William Moerner是由于发现了绿色荧光蛋白的光转化效应而间接推动了超分辨荧光显微技术，另两位学者的研究领域均是直接与超分辨显微成像相关。其中发展较早的是1994年由Stefan W. Hell提出的受激发射损耗技术（STED）。该系统中利用一束激发光和一束损耗光来实现超分辨。首先利用激发光来照射衍射斑范围内的荧光分子，使其处于激发态;然后利用环形损耗光照射，使损耗光照射区域外环的电子以受激发射的方式回到基态;内环的电子仍然以自发荧光的方式回到基态，这样探测器仅能接收到来自于光斑中心的光，光斑大小远低于衍射极限。

利用受激发射损耗技术中的两路光束，同时在光盘中设置相应的感光材料能够减小写入光束的直径，突破衍射极限，从而极大提高光盘存储的容量，具有广阔的应用前景。双光束超分辨存储技术2008年出现相关专利申请，汤姆森和株式会社SPINET分别就该技术主题在欧洲和和日本进行了专利申请，并未获得授权。2013年，澳大利亚斯威本科技大学的研究人员发表了采用双光束技术实现9nm光刻的文章，该项技术在光存储和光刻领域都具有广阔前景，因此具有较大影响，文章被引量达到159次。利用该方法，在实验中首次实现了33纳米的记录点，在理论上来说可以提高现在蓝光技术容量的4万倍，可以达到约1000TB，如此大容量光存储技术可以成为数据中心的理想解决方案之一。

作者单位：国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心