基于偏振奇点光束的高密度信息存储技术

导读

近日，暨南大学徐毅、曹耀宇、李向平教授与华南师范大学兰胜教授合作在基于奇点光束的多维信息存储技术领域取得研究进展。该工作利用柱状矢量光独特的矢量偏振特性，提出并实现基于部分柱状矢量光的高密度信息复用存储技术。相关成果以“Segmented cylindrical vector beams for massively-encoded optical data storage”为题发表于中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办、《中国科学》杂志社出版的自然科学综合性学术刊物Science Bulletin [https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.07.016]。暨南大学硕士生冼铭聪为第一作者，博士生欧阳旭为重要作者，徐毅教授为该论文的通讯作者。

研究背景

随着人类社会步入大数据时代，全球数据总量呈爆炸式增长，传统信息存储技术已无法满足海量冷数据的存储需求。因此，人类亟需找到一种安全、低能耗和高密度的冷存储技术来应对大数据时代信息存储的挑战。随着近年来光场调控和纳米科技的快速发展，基于金纳米颗粒的多维光信息存储技术应运而生并成为满足海量冷数据存储需求的有效解决方案之一。

       作为结构光的重要成员之一，具有偏振奇点的柱状矢量光因其独特的非均匀偏振特性引起学者的广泛关注，其已被应用到光通信、激光加工、传感和光镊等领域。同时，由于柱状矢量光是光纤的本征模式，目前基于柱状矢量光的信息调制和传输复用已经实现，但完整的柱状矢量光信息技术链仍缺信息存储这一重要环节。该研究通过将柱状矢量光与多维光信息存储技术结合进一步完备了基于柱状矢量光的信息技术链。

创新研究

图1 (a) 一阶柱状矢量光电场空间矢量分布示意图，其中AP为旋向矢量光，RP为径向矢量光。(b)旋向矢量光和(c)径向矢量光焦平面的光强和面内电场矢量分布。

柱状矢量光的电场偏振方向和幅度具有柱对称性，如图1所示。旋向矢量光和径向矢量光经不同角度的偏振片起偏后将产生部分旋向矢量光和径向矢量光。具有不同偏振特性的部分柱状矢量光可以与光的波长维度复用，与耦合无序金纳米棒结构相互作用实现多路正交信息的复用存储，如图2所示。

图2 基于部分柱状矢量光与耦合无序金纳米棒结构的多维光信息存储示意图。不同颜色代表着不同波长的读写激光。

图3展示了利用部分柱状矢量光三个波长、四个线偏振和两种柱状矢量光类型在体积为1立方微米的一个信息单元内复用存储了24路独立的信息。经由不同角度偏振片产生的部分柱状矢量光的光强分布在空间上重叠区域小，加上旋向和径向矢量光的偏振态相互正交，这些特性减小了复用存储通道间的串扰，刷新了基于金纳米棒多维光信息存储技术存储面密度的世界记录。

图3 在相同空间位置进行24路信息复用存储的实验结果。其中深色代表二进制信息‘0’，浅色代表 ‘1’，偏振片的方向、波长以及柱状矢量光的类型如图所示。

总 结

该工作提出并实现了基于部分柱状矢量光与耦合无序金纳米棒相互作用的高密度光信息存储技术。更重要的是，柱状矢量光与光纤激光器完美兼容，能同时降低多维信息存储技术的成本和系统复杂性。与此同时，该工作有望拓展应用于光与物质相互作用的相关领域，为基于结构光调控光与物质的相互作用提供新的思路。

       该工作得到国家重点研发项目(2018YFB1107200），国家自然科学基金重大研究计划“新型光场调控物理及应用”重点培育项目（91750110），广东省创新创业团队项目（2016ZT06D081）和广东省自然科学杰出青年基金（2016ZT06D081）等项目的支持。