纳米光子开启信息技术新方向

齐旭

近年来，纳米光子学已经成为光电子学乃至整个信息技术领域一个至关重要的发展方向。尽管我国光电子产业已经在核心技术研发、产业链搭建、应用领域拓展等方面取得了重大进展，但仍需在原始性新技术、关键材料等“短板”上着重发力。

在11月13日举办的2019“中国光谷”国际光电子信息产业高峰论坛上，诺贝尔奖得主威廉·默尔纳、中国工程院外籍院士顾敏针对纳米光子为光电子信息产业发展带来的新机遇展开探讨，成为论坛上的最大亮点，为我国未来光电子核心技术突破和应用创新指明方向。

纳米级光子开启超分辨率新“视界”

光电子信息技术涉及光显示、光存储、激光等重要领域，是未来信息产业的核心技术。近年来，纳米光子为材料科学和生命科学领域带来了关键性技术突破，使得从单个分子开始构建功能完备的器件成为可能。其中，纳米级显微术是纳米光子学的重要应用。

威廉·默尔纳在演讲时指出，“阿贝定律”源于光的衍射性质，为研究人员进入纳米级的极小区域设置了障碍。20世纪80年代末，工业研究将光学控制技术引入到成像领域，这种结合实现了超越衍射极限的成像，突破了“衍射极限定律”，完成了纳米级的单分子光学探测。超分辨显微技术可以在20-40nm或更低的分辨率下观察生物和其他纳米尺度的三维结构，由此开创了单分子检测和成像的研究领域。

威廉·默尔纳是打破衍射极限定律、突破传统光学显微镜的极限分辨率的先驱，将显微技术带入“纳米”领域。他讲述道：“当我注意到水母体内的荧光分子可以被随意的开启或关闭，发现如果使用波长为405纳米的光线去照射它，那么这个蛋白质又能再次复活并发出荧光。我将这些可以被激发的蛋白质均匀散布其中，这样其单个分子之间的距离就能大于当年衍射极限定律所限定的0.2微米的长度。由于这些分子被分散了开来，一台常规的光学显微镜便可以区分来自单个分子发出的荧光。”

对于光电子的研究价值，威廉·默尔纳的理解是：“光电子学诞生和发展的真正意义，是把只能在实验时才能实现的高精度光学测量，应用到恶劣、负责的生产和科研现场，造福更多学科领域。”

光存储为大数据中心

提供关键支撑

光电子另外一个重要使能领域就是光存储。数据显示，随着计算机和网络等技术的迅猛发展，信息量呈爆炸性增长，预计到2020年会达到40ZB（泽字节），2025年达到162ZB。

迅速膨胀的数据，势必需要越来越多的存储设备来承载。顾敏指出，为保存这些海量的数据，大数据中心应运而生。为了满足大数据中心的PB（1PB=1024TB）级别容量的需求，通常大数据中心应用现有低存储密度的电子或磁存储媒质组成庞大的阵列技术，这不仅占地大、能耗和碳排放量高，而且一般只有3—5年壽命。

顾敏表示，数据有“热冷”之分。对于数据中心来说，数据呈指数级增长的同时，也呈现出分层特征。按照数据被访问频率从高到低进行分类，可以将数据分为热数据、温数据、冷数据，其中，这些活动不频繁、不会被经常访问但仍然需要长期保留的温冷数据，才是数据中心的技术难点。光存储为温冷数据存储提供最佳方案。

他举了个形象的例子，盘体直径120mm的CD单层容量仅0.64GB，DVD单层容量为4.7GB，而同样直径的蓝光存储介质（BD）单层容量可达到25GB;CD的数据传输速率为1200Kibit/s，DVD为11.08mbps，而蓝光存储介质可达到36mbps。

同时，由于蓝光介质采用无机的金属或金属氧化物作为记录材料，性质较稳定，因而具有更长的使用寿命。

顾敏指出，原来受限于所谓的光学衍射极限，DVD及蓝光技术的存储密度被制约在5GB到25GB，与现有容量与磁或电存储相差甚远。目前，学界的五维光学材料已经突破了蓝光DVD三维存储的技术瓶颈，利用突破衍射光学极限的绿色光子存储技术，实现了单点最小记录尺寸9纳米，即实现单盘PB容量，相当于蓝光技术的40万倍。

“这种材料由悬浮在玻璃基板上透明塑料板内的金纳米棒层组成，在材料的同一区域内多种数据图案可在互不干扰的情况下被读取和刻写。同时，这种全新光子存储光盘单点消耗的能量非常低，支持1000倍能耗节省，更拥有超过500年的超长记录/存储寿命。”顾敏说。

据顾敏介绍，“全光光子大数据中心”是他心中理想的模式——PB级光盘存储、超低能耗，以太阳能为动力，不使用地球上的能源。