国立产业技术综合研究所［中钵良二会长］（以下简称“AIST”）无机功能材料研究部[研究部部长 Masanobu Awano] 功能和谐材料组 Tetsuro Kami 研究组组长 Kamata Kenji 高级首席研究员与大金工业株式会社 [总裁兼首席执行官 Masanori Sogo]（以下简称“大金工业”）合作开发了一种用于长期存储光盘的记录材料，该材料能够显着多层化和高速记录。
有了这项技术，多步多光子吸收和全息图利用技术照射持续时间为8纳秒的单个激光脉冲记录坑可以形成，并且可以显着提高记录速度，这对于传统光盘来说是一个问题。这种记录材料预计单盘存储容量可达10TB，用于长期存储将消除硬盘和磁带等当前记录介质所需的空调和定期数据迁移的需要，预计可降低约40%的功耗，并有助于减少二氧化碳排放。该技术的详细内容发表在2016年8月30日的期刊上（日本时间）日本应用物理学杂志
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| 可显着多层化的光盘材料中新开发的材料与传统材料的记录时间差异 |
云计算和移动设备的普及产生的数字数据日益增加，必须长期存储的数据量也在不断增加。未来长期存储数据的增长预计将进一步加速，对功耗更低、维护需求更少的大容量、长期存储介质的需求不断增长。目前的硬盘和磁带在功耗和维护成本方面不足以处理日益增长的长期存储数据，因此预计会使用光盘。然而，为了取代它们，光盘在记录容量和记录速度方面存在问题。
AIST 分析化合物的化学结构双光子吸收我们一直在研究性能之间的关系，旨在将其应用于下一代大容量光盘等高灵敏度光学功能材料。为了增加光盘的容量，通过在盘的厚度方向上具有多个记录层来增加记录容量超级多层光盘是有前途的，因为它可以利用传统光盘技术的优点。在超多层光盘中，需要在特定深度的记录层中形成光学记录，并且已知使用双光子吸收来选择特定深度的记录层的方法。然而，利用双光子吸收的传统超多层光盘记录材料缺乏灵敏度，为了形成光学记录，需要反复照射100纳秒的皮秒极短激光脉冲，这限制了记录速度。
该技术采用多级多光子吸收，有效增加双光子吸收强度，提高灵敏度，并通过预先在记录材料上形成全息图，增加记录信号再现的对比度，缩短形成光学记录所需的照射时间，实现高速记录。图1显示了该技术的原理图。在传统技术中，持续时间非常短的皮秒和飞秒激光等激光脉冲会连续照射多次，但在新开发的技术中，持续时间较长的激光脉冲仅照射一次。皮秒和飞秒激光脉冲仅发生双光子吸收，之后产生的热量有限，需要多次重复照射，导致照射时间较长。另一方面，在纳秒脉冲中，双光子吸收之后是单光子吸收激发态吸收发生。由于产生热量的激发态吸收和弛豫反复发生，双光子吸收的有效强度增加，产生的热量增加一个数量级。在该技术中，预先在记录材料中形成全息图，以高效率地反射再现激光束，并且通过利用多级多光子吸收产生的热量扰乱该全息图来形成记录。即使全息图受到轻微干扰，反射光的强度也会显着下降，从而实现高对比度再现并进一步减少记录所需的时间。结果，可以通过8纳秒脉冲的单次照射来创建光学记录，这是相当于100Mbps（每秒百万比特）的写入速度（蓝光盘记录速度的35倍）的高记录速度。
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| 图1 比传统皮秒/飞秒脉冲照射更有效的通用纳秒激光脉冲照射通过多级多光子吸收产生热量的机制，以及记录层中形成的全息图受到一点产生的热量干扰的光学记录和信号再现的原理图 |
基于这一原理，图2显示了使用波长为405 nm的激光（用于蓝光）进行记录和播放的结果。由于预先在记录材料上制作全息图，因此当用再现光照射时获得强反射光（显微镜图像：无记录凹坑），但当通过用8纳秒激光脉冲照射形成记录时（同样：有记录凹坑），反射光的强度降低。通过改变材料中的观察位置来测量反射光，在形成记录的位置反射光的强度降低，并且由于反射光强度的差异，可以以实用水平的信噪比（15分贝）再现记录。
形成的记录凹坑的深度方向的尺寸为27微米，厚度为100微米的记录层可以多层化20层。面内尺寸为07微米，目前与DVD的记录密度大致相同，但如果可以将记录密度提高到蓝光光盘的水平，则可以在100微米厚的记录层的50层中记录125TB的数据。此外，新开发的记录材料的传输特性使得可以创建厚度为800微米的记录层，从而可以记录400层和10TB存储量的超多层光盘（一张光盘相当于400张当前的蓝光光盘）。
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| 图2 新开发的记录材料样品的无记录(0)和有记录(1)时的反射光(再现光信号光)的显微图像(左)以及改变观察位置穿过样品中的记录凹坑时反射光强度的变化(右) |
今后，我们将继续进行高密度记录和超多层化的演示，并对光盘的实际耐用性进行评估，包括通过与无机材料结合提高耐用性、光源小型化、驱动器开发等，并寻求其他公司的参与，将研发推向实际应用。
无机功能材料研究部，功能协调材料研究组
高级首席研究员 Kenji Kamata 电子邮件：kkamada*aistgojp（发送前请将 * 更改为 @。）