大數據時代，海量數據的產生和積累對存儲性能提出了更高的要求。如何實現長期穩健、綠色節能的數據存儲已成為現代社會亟需解決的問題。

光存儲方式因其在成本、能耗、可靠性以及使用壽命等方面具有獨特優勢，成為未來信息存儲領域的重要發展方向之一。其中，以玻璃作為存儲介質的光存儲，其存儲壽命甚至可達上億年，是溫冷數據存儲以及在戰爭、災變等惡劣環境下保存數據的方式。

本文聚焦以玻璃作為存儲介質的光存儲技術，概述了該技術的研究進展和維度復用情況，展望了其面臨的挑戰和機遇，同時探討了深度學習在光存儲領域中的潛在應用。

1、基于折射率變化和周期性納米結構的多維光存儲

飛秒激光聚焦在透明玻璃內部時，會在輻照區域產生強烈的非線性效應，導致玻璃的結構和性質發生變化。

通過調控激光脈沖能量可以在輻照區域產生不同類型的修飾結構：脈沖能量較低時會產生平滑的折射率變化，利用該特性可以在玻璃內部記錄多層二進制數據點；能量適中時會形成具有雙折射特性的周期性納米結構，這種周期性結構具有可控各向異性、高耐久性和可擦除重寫性，在多維光數據存儲和信息加密領等域中有著巨大的應用潛力。通過調節激光脈沖能量和偏振方向，可以分別調控納米結構的慢軸取向和光程延遲，實現5D光存儲。

例如，南安普敦大學Sakakura等^[1]誘導了一種高透過率的Type X納米結構，有效緩解了光的散射效應，使實現百層、千層大容量5D光存儲成為可能。

華中科技大學Yan等^[2]和南安普頓大學的Lei等^[3]利用近場增強效應分別在石英玻璃內部誘導了具有更小空間尺寸的SNS和Type S納米結構，可以實現超高密度的5D光存儲；此外，通過操控光束的時空特性，還可以生成任意三維取向的傾斜納米結構（圖1），有望實現三維空間、慢軸取向、光程延遲和傾斜結構極角復用的6D光存儲^[4]。

圖1 基于周期性傾斜納米結構的多維光存儲。（a）傾斜納米結構形成機理示意圖；（b）記錄數據慢軸取向圖

2、基于離子價態變化的多維光存儲

利用激光空間選擇性調控透明基質中活性離子的局部結構和價態也可以實現多維光存儲。與誘導折射率變化和周期性結構的光存儲相比，這種方法具有獨特的發光特性，數據讀取信噪比更高。

例如，利用飛秒激光可以誘導玻璃中Eu³⁺/Sm³⁺離子還原為Eu²⁺/Sm²⁺離子，基于該離子的價態轉換實現數據的存儲、讀取和擦除，同時可以通過脈沖能量調控記錄點的光致發光強度編碼多進制數據。

浙江大學Wang等^[5]通過單個超快激光脈沖誘導摻銪鈣硅鋁酸鹽玻璃中Eu³⁺離子的還原，實現了超長壽命的4D光存儲（圖2），存儲壽命長達2×10⁷年，寫入的局部記錄點可以承受970 K高溫和100 kW/cm²的強紫外光輻照，該工作為實現超低能耗、超高壽命、超快寫入的高密度光存儲提供了技術方案。

圖2 基于Eu離子價態變化的多維光存儲

3、基于金屬納米團簇/顆粒的多維光存儲

利用飛秒激光在透明材料內部誘導形成貴金屬納米團簇/顆粒也是一種有效的光存儲手段。

浙江大學Tan等^[6]利用單脈沖飛秒激光空間選擇性誘導摻銀硅鋁酸鹽/磷酸鹽玻璃中銀團簇的形成，通過調節激光參數與銀離子摻雜濃度可精確控制銀團簇的發光強度和發光直徑，實現大容量、高信噪比的超快光存儲。

昆明理工大學Zhao等^[7]通過全光刺激的方式在鍺硼酸鹽玻璃中誘導銀納米顆粒的沉淀或分解，實現了高著色和高發光對比度的3D光存儲（圖3）。

圖3 基于銀納米顆粒的多維光存儲。（a）光信息寫入、讀出和擦除示意圖；（b）重復擦寫實驗

4、基于量子點/納米晶的多維光存儲

將功能性的量子點或納米晶嵌入到玻璃介質中，可實現其獨特發光、非線性光學等特性與玻璃基質的高度集成，在發光和光存儲相關應用領域具有巨大潛力。

浙江大學Sun等^[8]通過超快激光直寫技術對玻璃中鈣鈦礦納米晶的組分及其帶隙進行設計（圖4），可以在玻璃微區原位析出多色鈣鈦礦納米晶，其發光波段在480~700 nm范圍內靈活可調。該項工作為三維空間與波長復用的高密度多維光存儲提供了新的技術方案，也為光功能玻璃結構調控與應用開辟了全新的領域。

圖4 基于鈣鈦礦納米晶的多維光存儲。（a）鈣鈦礦納米晶形成原理圖；（b）鈣鈦礦納米晶的光致發光特性；（c）多色的光致發光圖案

當前玻璃光存儲技術正朝著超高密度、多維復用、超快讀寫、可擦重寫、超長壽命等方面發展。從實際應用層面來看，玻璃光存儲在讀寫速度、讀寫精度、存儲密度、存儲容量等方面還面臨著一些挑戰。

近年來，人工智能和深度學習技術發展迅速，在計算機視覺、自然語言處理、語音識別等領域中取得了顯著的成果和突破。深度學習作為一種數據驅動算法，其強大的數據表征、模型構建與泛化推理能力，也為光學等其他領域提供了新的思路和手段，如數字全息、超分辨成像、逆向微納結構設計和激光微納制造等。將光存儲與新興深度學習技術相結合對全面提高光存儲性能具有重要的意義。

參考文獻： 中國光學期刊網

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