（a） 传统的光学数据存储方式——光盘（注：图像来源于网络）；（b） 多维数据存储方式示意图：每个数据记录点可被解码为一系列二进制数据；（c） 超分辨率数据存储方式示意图：每个数据记录点被解码为单个二进制数字，但具有更高的空间分辨率

光学数据存储

在当前数字时代，物联网、大数据分析、人工智能以及行业数字化正推动着全球数据量呈指数式增长。传统的硬盘和磁带等存储方法正面临着挑战，尤其是在存储寿命以及能耗方面。光学数据存储因其离线存储能力、高容量与长寿命的特性而备受瞩目，成为归档“冷”数据最具前景的途径。然而，传统光学存储技术如DVD和蓝光光盘在容量上受到限制，即便蓝光技术引入多层记录，仍然受到层数限制。先进的多维和超分辨光学数据存储技术为存储领域带来了机遇，但也成为了全球相关研究团体及科技公司迫切解决的巨大挑战。

多维光学数据存储

相较DVD蓝光等二维（2D）光学存储方式，三维（3D）光学数据存储充分利用各向同性材料的体积，可以在材料内部的任何位置存储数据。为了进一步超越存储容量的限制，研究人员在传统空间三维之外探索其他维度，涉及基于双折射、等离子体共振和荧光等光学特性的方法。这些多维光学数据存储方案通过复用写入激光的强度、频率、偏振、相位等参数实现单个记录点对多比特数据的存储，这为光学数据存储领域的进一步发展提供了新的可能性。

超分辨光学数据存储

光存储容量还受到单个记录点的尺寸限制，其原因在于光学衍射极限的存在。光学衍射极限取决于写入光束的波长和物镜的数值孔径（NA），因此缩短写入光波长和使用更高NA的物镜是提升光存储容量的常规方法。然而，物镜NA的进一步提升受技术瓶颈限制，而使用较短波长的激光光源会增加系统复杂性和成本。因此，为满足高效率、高密度光存储的需求，研发超越光学衍射极限的超分辨光学数据存储技术显得尤为重要。

下一代光学数据存储存在的挑战

虽然这些多维和超分辨率光学数据存储的新方法在数据容量方面具有显著优势，但要将这些技术应用在工业中，还有许多挑战需要解决。主要挑战包括诱导数据记录点所需的时间、原始误码率、存储寿命、系统开发、算法优化、成本和工业可行性等因素。值得鼓舞的是，相关的研究团体和科技公司正努力解决这些实际障碍，探索这些方案中的最优解，并将其顺利从科研转向工业应用。

基于上述挑战，华中科技大学武汉光电国家研究中心张静宇研究员、甘棕松教授以及曹强教授带领的团队，对下一代光学数据存储的最新进展进行了全面概述，并对各种技术路线提供了深入的见解，综述了这些方法所带来的巨大机遇，同时对它们在向工业应用过渡时可能面临的挑战进行了概括。相关工作发表于Chinese Optics Letters 2023年21卷第12期（Zhi Yan, Jingqi Hu, Zhexiang Xiao, Dale Xie, Qiang Cao, Zongsong Gan, Jingyu Zhang. Decoding the future: opportunities and challenges in next-generation optical data storage [Invited][J]. Chinese Optics Letters, 2023, 21(12): 120051），被遴选为该期封面。

Chinese Optics Letters 2023年第12期封面图

封面中展示了下一代光学数据存储的两种方案，右边是多维光学数据存储方案，左边是超分辨光学数据存储方案。这两种方案的共同目标是实现更高密度的数据存储。多维光学数据存储通过复用写入激光的强度、频率、偏振、相位等参数，实现单个记录点对多位数据的存储。而超分辨光学数据存储通过缩小数据记录点的尺寸，实现更高的记录密度。