中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“上海高研院”）王中陽(yáng)研究團(tuán)隊(duì)在超高密度光存儲(chǔ)讀出方法上取得突破性進(jìn)展，提出了一種基于偏振調(diào)制的亞衍射極限超高密度光存儲(chǔ)讀出方法。相關(guān)研究成果以“Sub-diffraction readout method of high-capacity optical data storage based on polarization modulation”為題發(fā)表在Nanomaterials上。論文的第一作者為上海高研院的博士研究生張力。

圖1 基于偏振調(diào)制的超高密度光存儲(chǔ)亞衍射極限讀出方法

當(dāng)今社會(huì)的數(shù)據(jù)總量呈“爆炸”式增長(zhǎng)，如何高效、長(zhǎng)久、穩(wěn)定地保存數(shù)據(jù)是現(xiàn)在亟待解決的問(wèn)題。光存儲(chǔ)具有綠色節(jié)能、低成本和穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，特別適合“冷數(shù)據(jù)”存儲(chǔ)。但光存儲(chǔ)的存儲(chǔ)容量受到了光學(xué)衍射極限的原理性限制，導(dǎo)致目前商用藍(lán)光光盤(pán)的存儲(chǔ)容量在百GB量級(jí)。超分辨光存儲(chǔ)技術(shù)通過(guò)雙光束調(diào)控機(jī)制突破了衍射極限的原理性限制，可實(shí)現(xiàn)了單盤(pán)1.6PB超高存儲(chǔ)容量的光存儲(chǔ)。但是，目前實(shí)現(xiàn)的超分辨光存儲(chǔ)寫(xiě)入讀出方法，都是基于存儲(chǔ)材料的熒光特性來(lái)實(shí)現(xiàn)光存儲(chǔ)信息的超分辨讀出，而受限于熒光材料的光漂白和不穩(wěn)定性，使得光存儲(chǔ)的壽命和讀出時(shí)間受到了限制，例如在綠色熒光蛋白上實(shí)現(xiàn)的超分辨光存儲(chǔ)寫(xiě)入讀出實(shí)驗(yàn),讀出方法采用RESOLF超分辨讀取技術(shù)，單點(diǎn)的曝光時(shí)間需要百ms量級(jí)，這極大地降低了光存儲(chǔ)的讀取速率，同時(shí)由于綠色熒光蛋白本身的不穩(wěn)定性，也極大降低了光存儲(chǔ)的壽命。因此，如果能夠通過(guò)反射信號(hào)的變化即可實(shí)現(xiàn)超分辨光存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀出，將有效提升超分辨光存儲(chǔ)技術(shù)的讀出速率和存儲(chǔ)壽命。

圖2 DR13薄膜的偏振調(diào)制特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

基于此，本課題組提出了一種基于偏振調(diào)制的超高密度光存儲(chǔ)亞衍射極限讀出方法。與傳統(tǒng)的通過(guò)熒光信號(hào)實(shí)現(xiàn)超分辨讀出的方式不同，我們利用讀出光束的不同偏振來(lái)調(diào)控衍射極限內(nèi)反射信號(hào)的強(qiáng)度變化，通過(guò)反射信號(hào)的變化解調(diào)出對(duì)應(yīng)偏振編碼的存儲(chǔ)信息，如圖1所示。

為了驗(yàn)證我們方法的可行性，我們制備了摻雜偶氮類(lèi)染料DR13 (分散紅13)的PMMA偏振調(diào)制薄膜，薄膜厚度為110nm，表現(xiàn)出κ ≈ 2的偏振選擇特性，如圖2所示。由于目前缺乏超分辨光存儲(chǔ)偏振信息寫(xiě)入方法，我們對(duì)基于偏振調(diào)制亞分辨光存儲(chǔ)讀出方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和測(cè)試；首先通過(guò)高NA (NA=1.4)物鏡在DR13偏振薄膜上寫(xiě)入了500nm間距的偏振編碼存儲(chǔ)點(diǎn)，并通過(guò)低NA (NA = 0.5)物鏡讀出實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了500 nm點(diǎn)間距的亞分辨光存儲(chǔ)數(shù)據(jù)讀出，超過(guò)了衍射極限1.2倍。連續(xù)無(wú)誤碼的讀取5 × 5編碼數(shù)字陣列，則證明了亞分辨光存儲(chǔ)讀出方法的可靠性和魯棒性。同時(shí)，與現(xiàn)有的亞分辨光存儲(chǔ)熒光讀出方法相比，我們基于反射信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量的方法具有更高的穩(wěn)定性和讀取速度，比RESOLFT快了約15倍。此外，與FQM或RESOLFT相比，我們的亞衍射極限光存儲(chǔ)讀出系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，只需要在共聚焦顯微鏡中增加一個(gè)偏振片和半波片即可。通過(guò)模擬仿真，預(yù)測(cè)了在偶氮薄膜上，基于偏振調(diào)制亞分辨光存儲(chǔ)讀出方法具有150nm的分辨潛力，而如圖3中所示，在具有更高偏振調(diào)制系數(shù)κ的偏振敏感材料，如金納米棒和液晶材料，該方法具有實(shí)現(xiàn)70nm分辨率的潛力。

圖3 亞衍射極限光存儲(chǔ)讀出方法的潛力

基于偏振調(diào)制的超高密度光存儲(chǔ)亞衍射極限讀出方法提供了一種方便、高效、廉價(jià)的方式來(lái)讀取納米級(jí)寫(xiě)入信息，這啟發(fā)了我們?cè)谶h(yuǎn)場(chǎng)超分辨率納米級(jí)讀出方法中引入新的光學(xué)維度（如偏振等），有利于實(shí)現(xiàn)超分辨光存儲(chǔ)信息的快速讀取，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的納米級(jí)全光存儲(chǔ)。綜上所述，基于偏振調(diào)制的超高密度光存儲(chǔ)亞衍射極限讀出方法在納米尺度光讀出中具有應(yīng)用潛力，為超分辨光存儲(chǔ)技術(shù)提供了新的思路和發(fā)展方向。