彩色数字符号加密迎来光学存储新纪元

彩色数字符号加密迎来光学存储新纪元。

早在19世纪30年代，莫尔斯电码就已经出现，这种早期的数字化通信形式又被称为摩斯密码，主要由点信号（dot）“·”和长信号（dash）“—”所组成，分别读作“嘀”“嗒”，将这两种代码排列成不同顺序，加上两者之间的停顿，就可以代表相应的字母、标点与数字等，从而完成信息的传递。随着信息大爆炸时代的到来，人们每天需要获取、进行数字化存档和访问的信息量早已呈现为指数级增长，相比之下，摩斯密码这种编码标准的信息系统却显得“古老且过时”。但现实中，这种基本的“点-线”代码仍然被广泛用于光学介质帮助存储。

近日，美国普渡大学科学家在微小天线的角度位置上进行信息编码，使单位区域内能够存储更多的数据。这一技术进一步实现了光学数字存储技术的现代化，提高了数据存储的规模以及数据的读取速度。这种新技术，旨在用彩色“数字字符”取代摩斯电码，实现光存储技术的现代化。研究人员表示，这项成果将帮助人们更好地应对新冠肺炎疫情大流行期间的远程数据存储激增的情况。

实际上，受限于所谓的光学衍射极限，光存储现有容量与磁或电存储相差甚远。1873年，德国物理学家恩斯特·阿贝发现了光场聚焦的最小尺寸约为波长的一半，约300纳米，即衍射极限。这一定律奠定了现代光学成像器件及光存储的基础，同时也将DVD及蓝光技术的存储密度制约在5-25GB的物理瓶颈。

普渡大学电子与计算机工程学副教授Alexander Kildishev表示：“新技术使存储容量大大增加，因为它只与传感器分辨率相关。我们将天线角度映射成不同颜色，然后解码这些颜色。”新技术让光学数字存储技术的空间可用性显著增加,事实上不是所有光存储媒介都具有激光可写性或可重写性。比如，CD、DVD和蓝光光盘虽然具有存取速度快、保质期长和存档能力优异等优点，但这类一次性冷库型光学介质都是基于压制过程制作、无法重写。

近年来，等离子体纳米结构可通过纳米结构的物理尺寸、组成成分进行调整，生成不褪色、无污染且稳定的颜色，并且在空间分辨率、机械和化学稳定性以及降解性等方面优于传统的有机染料。当用特定波长的光撞击金属纳米粒子时，撞击形成的电场驱动金属中的自由电子在纳米粒子内部形成共振，进而改变透射和反射光谱，这种现象被称为表面等离子体共振。等离子体颜色系统的共振频率取决于其介电环境、材料的光学特性以及等离子体元素的几何形状，然而目前的研究仍停留在使用固定形状和尺寸的纳米像素生成静态颜色。这些结构通常采用贵金属(如金和银)作为其组成等离子体材料，这些材料价格昂贵，制造难度大(尤其是在薄膜中)，并且无法实现高通量的生产。这些限制在很大程度上阻碍了等离子体颜色系统在实际生产中的应用。而随着对可切换显示器、光学密码术和信息加密等创新光子技术需求的日益增加，促使科学界开始对纳米像素的结构，以及各向异性的纳米像素材料展开进一步的研究。

“我们提出的超表面‘光学存储’技术借鉴了类似的思路。”研究人员Di Wang表示。普渡大学研究团队设计了一种表面起伏的铝超表面，实验论证该表面能够反射偏振可调等离子体颜色。局部表面等离子体激元的激发，将入射和反射偏振光的离散组合编码成不同的颜色。单个存储单元即纳米像素，在其组成纳米天线的方向上存储多比特信息，通过使用两个线性偏振器检查反射的颜色序列，可以方便地检索到这些信息。由于超表面具有广泛的颜色变异性和高空间分辨率，因此他们提出的编码方法将有助于进一步实现高密度光学数据的快速并行读出和加密。这一方法还能在没有“串扰”效应的情况下，稳健地生成动态万花筒图像，从而为高级动态隐写术、高密度并行存取光数据存储和光信息加密开辟了一条新途径。

实验中，研究人员构建了一个车轮模型，其中包含8个纳米天线的方向，并且以4个检偏器的旋转状态(0°、45°、90°、135°)来呈现这个圆圈,偏光器的角度固定在45度。每一个纳米天线方向在不同的分析器旋转角度下刷上不同的颜色，这样就可以为分析器检验的每个纳米天线方向建立一个颜色密码序列。通过解读储存在单个各向异性等离子超表面的纳米像素中的二进制信息，完成信息读取。一个纳米位置在22.5度的纳米像素，首先显示的是检偏器角度0度，相机记录为褐红色。当实验模型移动时，模型的纳米像素检偏器角度变为45度、90度和135度，相机颜色分别呈现为橘色、米黄色和蓝色。在这个过程中，偏光器固定在45度。缓存器从已知的像素中储存了从红褐色到橘色到米黄色再到蓝色的四色序列。然后，在颜色编码中查阅并在纳米像素中检索001二进制编码。

纳米光学天线是基于表面等离子共振的一种光子器件。在等离子体激元中，金属表面电子受到入射光激发，并以等离子波形式开始移动穿过金属表面。这些等离子共振波长要远小于最短的光波，从而使得器件的尺寸要比本身依赖光的器件要小。基于这样一个工作原理，光子已取代电子，并创建了光子集成电路。纳米天线是能够将自由传播的光转换成局部光的装置，能够将光压缩到几十纳米。这种局部化可以使科学家在纳米尺度上有效地控制光，也就解释了为什么纳米天线可能成为依赖于光子，而不是电子，去处理和发送信息的未来光学计算机的基本构建块之一。

在演示模型中，信息是由电子束光刻“烧制”，它能够经由更大规模的制造过程，在最终产品中进行复制。研究人员指出，新技术不仅扩充了存储容量，还提高了数据读出速率。Kildishev表示，在实验中我们设置的4个传感器，每个传感器都会读取自身对应的光偏振。与使用摩斯电码的单个传感器相比，新技术读取信息的速度更快。这项新技术在安全加密等相关方面拥有巨大的潜在应用价值。目前，普渡大学研究团队正在进一步优化这些技术，并努力寻找对此感兴趣的商业合作伙伴。

编译自Science Daily网站

（责任编辑 姜懿翀）