本发明一般地涉及基于使用光场(例如激光)来记录和检索信息的数据存储介质、系统和方法。更具体地，本发明涉及适用于在如一个世纪或更久的长时间段内记录和保存信息的存储系统。
背景技术：
光存储介质是这样的介质，数据以光学可读的方式存储在其中，使得例如可以借助于集成在拾取器中的光检测器和激光器来读取这些数据。目前这一代商用光学存储介质包括单层和双层dvd和蓝光盘，其中，记录和回放基于控制或检测来自介质(即光盘)内的反射层的返回光。在这些介质中，蓝光盘实现了最高数据存储容量和最长寿命，蓝光盘可容纳高达约50千兆字节的信息，同时一些制造商生产具有声称的50至100年寿命的“档案质量”介质。
长期数据记录和保存或者“长久数据”在许多领域中越来越受到关注。例如，为了捕获和研究世界的变化，一些数据集在很长的时间段内具有突出的时间背景。在天体物理学、生物学、地理学和社会科学中，积累数十年或者甚至一个多世纪的数据集已被用于研究和分析诸如气候变化、突变和全球变暖的现象。为后代归档和保存信息是同样重要的社会义务。为了提供如此长久的数据存储，需要提供存储介质的已记录和未记录区域二者的长寿命和高容量的新的数据存储系统。
长久数据的时间尺度需要具有许多代人例如100年以上的生命期的存储介质。此外，将物理存储需求以及所关注的一些长期数据集的大小纳入考虑，表明需要每磁盘多个百万兆字节的容量。例如，在生物学中，正在产生诸如总计约3.2千兆字节的表示全序列人类基因组的数字数据的大量信息。因此，为了研究仅一个家族的多个世代内的基因组的突变，累积的数字数据在一个世纪或者更长时间内可能容易达到多个百万兆字节。
因此，需要在长时间段内可靠、稳定并且具有成本效益的新的高容量大容量存储系统和介质。此外，与档案介质相比，当用于长期数据采集应用中的数据集的累积时，介质对于记录的持续使用应当是稳健的，而所述档案介质在受控条件下被存储之前通常仅一次用于记录，并且仅稀少地被检索用于只读用途。
因此，本发明的实施方式旨在满足在长久数据存储应用中对光学介质所需的高寿命、高数据存储密度和稳健性的需求中的一个或更多个需求。
技术实现要素：
在一个方面中，本发明提供了用作光学数据记录介质的纳米复合材料，该纳米复合材料包括被嵌入在主体基质中的纳米粒子，其中：主体基质包括具有高结构稳定性的材料；以及纳米粒子包括光学功能成分，该光学功能成分具有第一物理或化学状态并且具有在暴露于相应的光辐射时永久转变至第二物理或化学状态的性质，由此，可以在延长的时间段内以光学功能成分的第一物理或化学状态和第二物理或化学状态来记录信息。
有利地，主体基质材料的高结构稳定性使得介质的未记录区域具有可靠的长期稳定性并且保留了以光学功能成分的状态记录的信息，同时纳米粒子的使用使得能够在介质内进行信息的高密度存储。
“高结构稳定性”是指，相对于光学介质中使用的常规材料例如杨氏模量为50mpa量级的在致密盘、dvd盘、蓝光盘等中采用的聚合物复合材料(例如聚碳酸酯)，物理和/或热稳定性高。根据本发明的实施方式的适合用作主体基质的材料可以具有超过1gpa的杨氏模量，例如超过10gpa的杨氏模量或者理想地超过20gpa的杨氏模量。
适合用作主体基质的材料可以包括包含有机成分和无机成分的杂化复合材料。例如，主体基质材料可以包括：聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或聚碳酸酯(pc)；以及无机材料，例如金属或硅的一种或更多种氧化物。无机成分的比例可以超过主体基质材料的50％，例如超过主体基质材料的70％、80％或90％。在本发明的实施方式中，包括50％无机成分的主体基质可以具有超过1gpa的杨氏模量。在其他实施方式中，包括90％无机成分的主体基质可以具有超过20gpa例如25gpa至30gpa的杨氏模量。
在一些实施方式中，光学功能成分包括光学发光纳米粒子。在一些实施方式中，光学功能成分包括掺杂有过渡金属离子的量子点。量子点可以包括核/壳结构。在一些实施方式中，核/壳量子点包括掺杂有锰离子的cds/zns。纳米粒子的表面可以被钝化，例如被硫原子钝化。由于硫原子引起的纳米粒子的受抑制发光包括第一化学/物理状态。可以通过暴露于光学记录光束来实现永久转变至第二化学/物理状态。
在又一实施方式中，光学功能成分包括金属纳米粒子，例如金纳米粒子。在第一物理状态下，金属纳米粒子可以包括金属纳米棒。永久转变至第二物理状态可以包括暴露于光学记录光束，由此，金属纳米棒经历重构而成为第二物理形式例如纳米球。
“永久转变”是指光学功能成分的第一物理或化学状态和第二物理或化学状态在延长的存储时间段内是不可逆的和稳健的。
“延长的时间段”是指超过50年，更优选地超过100年，甚至更优选地超过125年。在一些实施方式中，加速老化实验已经表明，在室温下可以实现超过500年的稳定信息存储。
包括纳米复合材料的记录介质可以通过化学溶液旋涂法/干法、化学气相沉积或者物理气相沉积而形成在衬底上。
另一方面，本发明提供了包括多个层的记录介质，其中，至少一个层包括外保护层，并且至少一个其他层包括纳米复合材料，该纳米复合材料具有被嵌入在主体基质中的纳米粒子，其中：主体基质包括具有高结构稳定性的材料；以及纳米粒子包括光学功能成分，该光学功能成分具有第一物理或化学状态并且具有在暴露于相应的光辐射时永久转变至第二物理或化学状态的性质，由此，可以在延长的时间段内以光学功能成分的第一物理或化学状态和第二物理或化学状态来记录信息。
在一些实施方式中，记录介质包括盘。
此外，记录介质可以包括设置在纳米复合材料的相对两侧上的至少两个保护层。
在一些实施方式中，纳米复合材料层的厚度足以允许多个内部信息存储层。
在一些实施方式中，记录介质包括跟踪层，该跟踪层具有径向布置的可检测跟踪元件。合适的跟踪元件包括下述中的一个或更多个：磁性跟踪元件；光学跟踪元件；金属跟踪元件；以及物理跟踪元件(如凹坑或凹槽)。
根据对示例性实施方式的以下描述，本发明的另外的特征、优点和应用将变得明显，示例性实施方式被提供以使本领域技术人员更全面地理解本发明的实施方式的本质和操作，但是示例性实施方式不应被认为限制了任何前述陈述中所述的或者在所附权利要求书中限定的本发明的范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
现在将参照附图描述本发明的实施方式，在附图中，相同的附图标记表示相同的特征，并且在附图中：
图1示意性地示出了实施本发明的示例性盘形记录介质；
图2是实施本发明的光学数据记录和读取装置的框图；
图3示出了示例性记录/读取控制算法的简化流程图300；
图4(a)和图4(b)是分别示出根据本发明的实施方式的并行记录和读取的方法的示意图；
图5示出了测量的示例性纳米复合材料样本的杨氏模量的图；以及
图6(a)和图6(b)示出了与示例性纳米复合材料样本的加速老化测试对应的图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，实施本发明的盘形记录介质100包括如截面102所示的若干层。盘100具有常规方式的中心孔，用于容纳使盘旋转的主轴。上保护层104包括抗磨基材，其具有与一个或更多个记录层106匹配的折射率。
记录层106包括具有被嵌入在主体基质中的纳米粒子的纳米复合材料。主体基质包括具有高结构稳定性的材料，并且纳米粒子包括具有第一物理或化学状态的光学功能成分。纳米粒子还具有在暴露于相应的光辐射时永久转变至第二物理或化学状态的性质。
在图1所示的实施方式中，盘100还包括间隔层108。
在所示的配置中，诸如激光束110的光场从上方照射盘100。上保护层104和间隔层108对于该光束是透明的。在操作中，光束被聚焦在记录层106内的区域上。通过适当控制光束110的特性例如其轮廓、光谱组成和/或强度，光束110可以通过引起记录层106内的纳米粒子永久转变至第二物理或化学状态而被用作记录光束。可以在记录层106内对这些转变进行空间调制以对存储的信息进行编码。随后可以通过检测包括处于交替状态的纳米粒子的区域再次通过适当控制光束110的参数来读取所存储的信息。
记录层106还可以包括在盘100内以径向间隔设置的标记(图1中未示出)。标记可以具有光学可检测的性质，以使得读写装置能够沿着径向方向跟踪记录/读取光束110的位置。此外，示例性盘100包括跟踪元件的层112。合适的跟踪元件包括可以由以下磁性、光学或电气装置检测的结构：例如磁性跟踪元件(例如磁性材料的同心环)、光学跟踪元件(例如包括具有可检测吸收光谱或者其他光学性质的材料的同心环)、金属跟踪元件和物理跟踪元件(例如同心凹坑、凹槽或层间的波纹)。
结果，可以在由于主体基质材料的高结构稳定性引起的延长的时间段内以光学功能成分的第一物理或化学状态和第二物理或化学状态来记录信息。
图2是实施本发明的光学数据记录和读取装置的框图。这种装置通常被称为光学驱动器，或者简称为驱动器。
光学驱动器200包括安装件202，安装件202被配置成保持记录介质即光盘100。安装件202包括被配置用于经由中心孔来固定盘的安装的主轴，该主轴由具有可控制的速度的马达致动，以使得盘的角速度能够被控制。
激光源204包括一个或更多个光源，其穿过光束形成系统206，以产生具有适合于从盘100读取信息和/或向盘100写入信息的特性的光辐射的光束208。可以在源204处和/或在光束形成系统206中控制的光束特性包括光谱内容(即组成光束208的光的波长或者多个波长)、光束轮廓和光束强度。改变这些特性中的一个或更多个使得驱动器200能够在读取功能与写入功能之间进行切换。在一些实施方式中，改变光束性质可以有助于控制盘100上的数据存储的密度。例如，可以采用诸如在先国际专利申请公开第wo2015/077815号中描述的超分辨率记录和检索方法。
经由跟踪机构或者光学头210将光束聚焦到盘100的选择区域，光学头210在图2的简单框图中由镜212和透镜214来表示。跟踪系统至少可被控制为相对于盘100径向移动，以使得能够选择用于记录/读取的特定轨道。在读取模式中，可以根据记录在盘100上的信息来调制从盘100反射的光，该光经由分束器或者部分镜216被引导到检测系统218。检测系统218可以包括光敏检测器和用于解调所读取的信息的解调器，以及用于剔除噪声和不需要的残差激光束的另外的光学部件例如透镜、孔和/或滤波器。
伺服系统220连接到检测系统218并且包括反馈回路，该反馈回路包括可以用于保持期望的旋转速度的主轴控制器222以及以足够的精度操作光学头210以向盘100的期望区域记录和从盘100的期望区域读取的跟踪控制器224。
驱动器200的部件即激光源204、光束形成系统206、检测系统218和伺服系统220在电子控制器226的控制下操作，该电子控制器226通常包括微处理器、合适的编程以及用于在驱动器200的部件之间发送和接收控制信号的其他电子部件。
记录和回放的另外的特性和参数可以基于现有的光学存储技术，例如dvd和蓝光盘技术。例如，可以应用调制技术(8至16调制)来对记录到盘100上的数据进行编码。为了确认整个盘介质上的恒定吞吐量和恒定数据密度，可以采用恒定线速度(clv)操作例如以60米/秒的速度进行记录和读取。受制于最小读写周期时间，可以通过增加clv来提高吞吐量。用于位记录的吞吐量是t＝clv/d，其中，clv是系统中使用的恒定线速度，d是单个位(即在物理盘100上/中)的长度。
如下面参照图4(a)和图4(b)更详细地描述的，驱动器能够并行记录和读取。记录和读取吞吐量可以相应地增加。在应用并行写入之后，整体数据记录吞吐量为t驱动＝p×t，其中，p是并行记录的位数。
取决于光盘100的物理特性，伺服系统220和控制器222、224可以以多种不同的方式来实现。例如，可以设置磁性跟踪层112，并且磁性元件可以由附加探针(未示出)检测，以向伺服系统220提供替选的或者附加的输入，以在记录和读取期间对旋转的盘的偏离进行精确校正。伺服系统的主要任务是检测位置误差信号并且校正位置误差。探针可以由微致动器操作，并且探针位于具有磁性轨道槽(在如图1所示的跟踪层112中)的盘表面的附近。通过读取预先编码在轨道槽中的位置信号来确定头的位置，这生成用于校正光学头210的位置的位置误差信号。伺服系统220包括数字控制电路，以控制微致动器、传送位置信号并且协调伺服系统与光学记录和读取系统的采样率。基于来自伺服系统的位置信号，用于驱动光学头的致动器能够以例如低于30纳米的超高精度来调整激光束的相对位置。
在替选实施方式中，可以基于从检测系统218接收的光信号或者电信号来采用光学伺服系统。从盘100返回的光信号可以由四分光检测器、散光光学器件和差分电路预处理。例如，以658nm的波长操作的伺服激光器不断地聚焦在盘100中所形成的凹槽结构上。然后，反射的伺服激光束在通过由一对圆形和圆柱形透镜组成的散光光学器件之后携带盘的偏离信息。四分光检测器可以感测反射光束的形状变化。四分光检测器生成四个信号(a、b、c和d)。差分电路可以利用这四个信号来判断偏离的状态、主轴转速、跟踪误差和聚焦误差信号。通过将四个信号相加(a+b+c+d)来生成rf信号。根据rf信号的频率可以确定主轴的转速。可以通过(a+c-b-d)/(a+b+c+d)来测量径向聚焦误差，该径向聚焦误差称为聚焦误差信号。可以通过(a+b-c-d)/(a+b+c+d)来测量横向聚焦误差(跟踪误差信号)。相应的电流将被施加到控制光学头210的致动器222、224，以调整头210的物镜214相对于盘的轴向和横向轨道位置的相对位置。
图3示出了可以在控制器226内实现的示例性记录/读取控制算法的简化流程图300。在写入或者读取的情况下，第一步骤是启动302伺服系统并且执行304检测算法，该检测算法使用适当的跟踪标记来确认盘的存在。如果盘不存在306，则报告308错误。
在判定点310处，取决于是请求读取数据操作还是记录数据操作，算法沿着替选路径进行。在读取数据312的情况下，控制器226在步骤314处启动读取光束。控制器226操作源204和光束形成系统206以确保读取光束208的强度水平足以产生来自盘100的可检测响应但是低于在记录层106内的纳米粒子中引起永久转变的强度水平。控制器226还在步骤316处启动主轴马达。通常，在读取操作期间，将生成318某种形式的指示或者其他显示，以为正在进行读数的任何观察者提供视觉确认。控制器继续读取操作320，直到已从盘100检索到所有所需信息，此时处理完成322。
更详细地，在读取之前，控制器可以执行地址搜索以找到目标扇区。为了搜索光盘位置，控制器226首先启动伺服系统220以找到轨道位置。使用通过对源204和光束形成系统206进行适当控制而启动的低功率读取光束208来执行轴向扫描。一旦光盘位置被确认，控制器226就使激光选通与盘旋转同步。检测系统218中的光敏检测器将检测到的光学数据信号转换成相应的数字电信号。电信号被解调并且最终被传送到主机装置作为检索的数据。
在数据记录的情况下，控制器首先在步骤324处接收要记录的数据。在步骤326处，通过控制源204和光束形成系统206来启动记录光束208，以确保光束208的强度水平足以在记录层106内的纳米粒子中引起永久转变。如在读取的情况下那样，控制器在步骤230处启动主轴马达。然后记录进行332，直到输入数据块已完全被记录为止。在步骤334处，控制器确定是否要记录另外的数据块，并且如果要记录另外的数据块，则控制返回到步骤324。否则，记录处理完成322。
图4(a)和图4(b)是分别示出根据本发明的实施方式的并行记录和读取的方法的示意图。在记录400中，处理信息阵列402以生成相应的相位分布404。可以例如根据矢量德拜衍射理论来确定相位分布404，并且使用空间光调制器406将相位分布404调制到光束208上。然后，多焦点透镜布置408将“斑点”的阵列聚焦到盘100的记录层106上，其中的每个“斑点”具有与根据信息阵列402调制的读取光束208对应的性质，从而产生所记录信息的相应的空间阵列412。
有利地，并行记录处理400不仅提供高吞吐量，而且提供单独操纵每个焦斑的强度的能力。这可以用于例如多级信息记录和/或用于补偿记录介质100中的非均匀光学响应。
图4(b)示出了读取记录在实施本发明的盘100上的信息的空间阵列422的处理420。透射的读取光束以及从记录层106反射或发射的光穿过多焦点透镜布置424。可以使用空间光调制器来产生读取光束，以提供均匀分布在焦平面中的空间阵列上的多个焦斑，可以在整个记录介质上扫描该焦平面。为了有效区分从每个焦斑接收到的信号并且抑制来自其他光斑的串扰，提供了包括穿透的孔的阵列的空间滤波器426。在一些实施方式中，孔的直径可以是例如大约500μm。通常，孔的数目、大小和位置取决于读取光束阵列中的焦点数和光学系统的放大倍数。检测器428用于检测穿过空间滤波器426从盘100返回的光。
已经进行了加速老化实验，以评估实施本发明的记录介质的长期稳定性。为了这些实验的目的，制备了包括纳米复合材料的主体基质，在主体基质中嵌入有表示光学功能成分的金纳米棒。
更具体地，使用湿化学合成法来制备平均纵横比为2.7且直径为10nm的金纳米棒，并且通过溶胶-凝胶工艺来制备纳米复合材料。将纳米棒溶液(o.d.180)加入到纳米复合溶胶中，然后将纳米复合溶胶滴涂在盖玻片上。之后，将盖玻片放置在313k的烘箱中达一周。
实验介质内的数据存储可以通过加热金纳米棒例如通过施加足够强烈的激光辐射来实现。这导致熔化，并且纳米棒的状态变为纳米球。这种形状变化导致主体基质中的弹性能量的变化，并且数据由此被存储在纳米棒与纳米球之间的系统的能量最小值中。通过模拟发现，金纳米棒的自由能高于球的自由能。因此，纳米复合材料中的光学数据存储的寿命主要取决于纳米棒的寿命。需要与纳米棒的熔化阈值成比例的活化能来将形状从棒变为球。
在0k的温度(即绝对零度)下，不存在热波动并且纳米棒将无限期地保持形状。根据阿列纽斯定律(arrheniuslaw)，在升高的温度下，形状从棒自发地转变至球的概率增加。由于主体基质成分的机械强度增强，纳米棒的形状转变需要额外的活化能以克服由其杨氏模量决定的主体基质的弹性能。活化能的增强减少了由于热波动而在不同形状之间跳跃的概率，从而延长了纳米棒形状的寿命。
通过纳米压痕(hysitronperformechti750ubi纳米压痕器)来确定样本介质的杨氏模量。对每个样本，测试被排列成3×3矩阵的九个压痕，其中，压痕间距为3μm。在5秒内从0μn增加到800μn的荷载力，保持10秒，并且在5秒内从800μl卸载到0μn。通过拟合荷载-卸载曲线来获得杨氏模量的值。
图5示出了测量的样本的杨氏模量的曲线图500。横轴502示出了样本的无机百分比，而纵轴504示出了以gpa计的杨氏模量。结果曲线506清楚地表明，当无机百分比在零与90％之间增加时，杨氏模量的数量级增加。
通过将纳米复合材料保持在453k的烘箱中来进行加速老化实验。根据金纳米棒形状的寿命的测量结果，确定将样本在453k下保持三个小时等于在室温下老化600年。
图6(a)示出了基于加速老化实验的数据存储的估计寿命的曲线图600。横轴602示出了以gpa计的杨氏模量，而纵轴是以年计的寿命。结果曲线606表明，在大约1gpa处(对应于大约50％的无机百分比)存在“阈值”模量，在高于阈值模量时，寿命的增益不太明显。这是有利的特性，因为在主体基质的杨氏模量进一步增加时，寿命与存储容量之间存在折衷，这是由于较硬材料所需的层间隔增加，导致较低的最大记录密度。
图6(b)示出了另一曲线图610，其特别地对应于图6a的曲线606上的前两个点示出了加速老化实验的示例性结果。横轴示出了以k-1为单位的温度倒数(1/t)，而纵轴是以年计的寿命。对杨氏模量为50mpa的实验测量点616进行外推618，以提供在300k下为2.3年的估计寿命620。相比之下，对杨氏模量为50mpa的实验测量点622进行外推624，以提供在300k下为2.3年的估计寿命626。
在以上讨论中，描述了实施本发明的各种方法、装置、系统和布置。将认识到，提供这些是为了便于对本发明及其各种实施方式中的实际实现的全面理解。应该理解的是，这些方法、装置、系统和布置并不意在表示对本发明范围的任何特定限制，并且仅以示例的方式提供。本发明的范围要通过参考所附的权利要求书来确定。
本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。