3D光学数据存储（3D optical data storage）是任何形式的光学数据存储，其中可以以三维分辨率记录或读取信息（与例如由CD提供的二维分辨率相反）。

这项创新有可能在DVD大小的光盘（120毫米）上提供PB级大容量存储。 通过将激光聚焦在介质中来实现数据记录和回读。 然而，由于数据结构的体积性质，激光必须在到达需要读取或记录的点之前穿过其他数据点。 因此，需要某种非线性来确保这些其他数据点不会干扰所需点的寻址。

基于3D光学数据存储的商业产品尚未进入大众市场，尽管有几家公司正在积极开发该技术并声称它可能“很快”上市。

概观
当前的光学数据存储介质，例如CD和DVD，将数据存储为盘的内表面上的一系列反射标记。 为了增加存储容量，光盘可以容纳这些数据层中的两个甚至更多，但是它们的数量受到严重限制，因为寻址激光与它在往返地址的路上经过的每一层相互作用。 。 这些相互作用会产生噪音，将技术限制在大约10层。 3D光学数据存储方法通过使用寻址方法来解决该问题，其中仅有特定地址的体素（体积像素）与寻址光基本上相互作用。 这必然涉及非线性数据读取和写入方法，特别是非线性光学。

3D光学数据存储与全息数据存储相关（并与之竞争）。 全息存储的传统示例没有在第三维中解决，因此不是严格的“3D”，但是最近通过使用微全息图实现了3D全息存储。 层选择多层技术（其中多层盘具有可以单独激活的层，例如电气层）也是密切相关的。

作为示例，原型3D光学数据存储系统可以使用看起来非常像透明DVD的盘。 该光盘包含许多信息层，每个信息层在媒体中的不同深度，每个信息由DVD类螺旋轨道组成。 为了在盘上记录信息，激光被带到对应于特定信息层的介质中的特定深度处的焦点。 当激光打开时，它会在介质中引起光化学变化。 当盘旋转并且读/写头沿半径移动时，该层就像写入DVD-R一样被写入。 然后可以改变焦点的深度并写入另一个完全不同的信息层。 层之间的距离可以是5到100微米，允许> 100层信息存储在单个盘上。

为了读回数据（在该实例中），使用类似的程序，除了这次，而不是在介质中引起光化学变化，激光引起荧光。 这例如通过使用较低的激光功率或不同的激光波长来实现。 荧光的强度或波长根据是否在该点写入介质而不同，因此通过测量发射的光来读取数据。

各个发色团分子或光活性色心的大小远小于激光焦点的大小（由衍射极限决定）。 因此，光在任何时候都可以处理大量（甚至可能是109个）分子，因此介质可以作为均质物质而不是由生色团的位置构成的基质。

历史
该领域的起源可以追溯到20世纪50年代，当时Yehuda Hirshberg开发了光致变色螺吡喃并建议将其用于数据存储。 在20世纪70年代，Valeri Barachevskii证明了这种光致变色可以通过双光子激发产生，最后在20世纪80年代末，Peter M. Rentzepis表明这可能导致三维数据存储。 大多数开发的系统在某种程度上都基于Rentzepis的原始思想。 已经研究了用于数据读取和记录的各种物理现象，已经开发和评估了用于介质的大量化学系统，并且已经进行了大量工作以解决与读取和所需的光学系统相关的问题。记录数据。 目前，一些团体仍在致力于开发具有不同发展水平和商业化兴趣的解决方案。

创建书面数据的过程
在3D光学存储介质中的数据记录需要在激发时在介质中发生变化。 这种变化通常是某种光化学反应，尽管存在其他可能性。 已经研究的化学反应包括光异构化，光分解和光漂白，以及聚合引发。 大多数研究都是光致变色化合物，包括偶氮苯，螺吡喃，芪，俘精酸酐和二芳基乙烯。 如果光化学变化是可逆的，那么至少原则上可以实现可重写数据存储。 此外，多级记录在技术上是可行的，其中数据以“灰度”而不是“开”和“关”信号写入。

通过非共振多光子吸收写作
尽管存在许多非线性光学现象，但只有多光子吸收能够向电介质中注入电子激发分子种类并引起化学反应所需的大量能量。 双光子吸收是迄今为止最强的多光子吸收，但仍然是一种非常弱的现象，导致低的介质灵敏度。 因此，许多研究已经致力于提供具有高双光子吸收截面的发色团。

通过将写入激光聚焦在需要光化学写入过程的点上，可以实现双光子吸收写入。 选择写入激光的波长使得它不被介质线性吸收，因此除了焦点之外它不与介质相互作用。 在焦点处，双光子吸收变得显着，因为它是依赖于激光能量密度的平方的非线性过程。

通过双光子吸收写入也可以通过两个激光器的巧合动作来实现。 该方法通常用于一次实现信息的并行写入。 一个激光穿过介质，定义一条线或平面。 然后将第二激光引导到所需的写入线或平面上的点。 激光在这些点上的重合激发了双光子吸收，导致写入光化学。

通过连续多光子吸收写入
另一种改善介质灵敏度的方法是采用共振双光子吸收（也称为“1 + 1”或“顺序”双光子吸收）。 非共振双光子吸收（如通常使用的）是弱的，因为为了发生激发，两个激发光子必须在几乎完全相同的时间到达发色团。 这是因为发色团不能单独与单个光子相互作用。 然而，如果发色团具有对应于一个光子的（弱）吸收的能级，那么这可以用作垫脚石，允许光子到达时间更自由，因此具有更高的灵敏度。 然而，与非共振双光子吸收相比，这种方法导致非线性的损失（因为每个双光子吸收步骤基本上是线性的），因此有损于系统的3D分辨率的风险。

Microholography
在微全息照相中，聚焦光束用于在光折变材料中记录亚微米尺寸的全息图，通常通过使用共线光束。 写入过程可以使用在其他类型的全息数据存储中使用的相同种类的介质，并且可以使用双光子过程来形成全息图。

制造过程中的数据记录
还可以在媒体的制造中创建数据，如用于商业数据分发的大多数光盘格式的情况。 在这种情况下，用户无法写入光盘 – 它是ROM格式。 数据可以通过非线性光学方法写入，但是在这种情况下，使用非常高功率的激光器是可接受的，因此介质灵敏度变得不那么重要。

还已经证明了包含模制或印刷到其3D结构中的数据的盘的制造。 例如，包含3D数据的盘可以通过将大量晶片薄盘夹在一起来构造，每个盘都用单层信息模制或印刷。 然后可以使用3D读取方法读取所得到的ROM盘。

其他写作方法
还研究了以三维方式编写数据的其他技术，包括：

持续光谱烧孔（PSHB），这也允许光谱多路复用的可能性，以增加数据密度。 但是，PSHB介质目前需要保持极低的温度以避免数据丢失。

空隙形成，其中通过高强度激光照射将微小气泡引入介质中。

发色团极化，其中激光诱导的发色团中发色团的重新定向导致可读的变化。

读取数据的过程
从3D光学存储器读取数据已经以许多不同的方式进行。 虽然其中一些依赖于光 – 物质相互作用的非线性来获得3D分辨率，但其他人使用在空间上过滤介质线性响应的方法。 阅读方法包括：

两个光子吸收（导致吸收或荧光）。 该方法基本上是双光子显微镜。

共焦检测的荧光线性激发。 该方法基本上是共焦激光扫描显微镜。 它提供的激发功率比双光子吸收功率低得多，但是存在一些潜在的问题，因为寻址光除了被寻址之外还与许多其他数据点相互作用。

测量两种数据状态之间折射率的微小差异。 该方法通常采用相差显微镜或共焦反射显微镜。 不需要吸收光，因此在读取时不存在损坏数据的风险，但是光盘中所需的折射率不匹配可能会限制介质由于累积的随机波前误差而可能达到的厚度（即数据层的数量）破坏集中的现场质量。

二次谐波产生已被证明是一种读取写入极化聚合物基质的数据的方法。

光学相干断层扫描也被证明是一种并行读取方法。

媒体设计
3D光学存储介质的活性部分通常是掺杂或接枝有光化学活性物质的有机聚合物。 或者，已使用结晶和溶胶 – 凝胶材料。

媒体形式
已经提出了用于3D光学数据存储的介质有几种形状因子：磁盘，卡和晶体。

光盘介质提供CD / DVD的进展，并允许通过熟悉的旋转盘方法进行读取和写入。

从便携性和便利性的角度来看，信用卡形状因素媒体是有吸引力的，但是其容量将低于光盘。

一些科幻小说作者提出了存储大量信息的小固体，至少原则上这可以用5D光学数据存储来实现。

媒体制造
对于某些系统来说，最简单的制造方法 – 将磁盘一体成型 – 是可能的。 更复杂的媒体制造方法是逐层构建媒体。 如果要在制造期间物理创建数据，则需要这样做。 然而，逐层构造不一定意味着将许多层夹在一起。 另一种替代方案是以类似于一卷胶带的形式产生介质。

驱动设计
设计用于读取和写入3D光学数据存储介质的驱动器可能与CD / DVD驱动器有许多共同之处，特别是如果介质的形状因子和数据结构类似于CD或DVD的形状因子和数据结构。 但是，在设计这样的驱动器时必须考虑许多显着的差异。

激光
特别是当使用双光子吸收时，可能需要高功率激光器，其可能体积大，难以冷却，并且存在安全问题。 现有的光学驱动器利用在780nm，658nm或405nm下工作的连续波二极管激光器。 3D光学存储驱动器可能需要固态激光器或脉冲激光器，并且若干示例使用这些技术容易获得的波长，例如532nm（绿色）。 这些较大的激光器可能难以集成到光学驱动器的读/写头中。

可变球面像差校正
因为系统必须处理介质中的不同深度，并且在不同深度处波前引起的球面像差是不同的，所以需要一种方法来动态地解释这些差异。 存在许多可能的方法，包括交换进出光路的光学元件，移动元件，自适应光学器件和浸没透镜。

光学系统
在3D光学数据存储系统的许多示例中，使用若干波长（颜色）的光（例如，读取激光，写入激光，信号;有时甚至仅需要两个激光用于写入）。 因此，除了应对高激光功率和可变球面像差之外，光学系统还必须根据需要组合和分离这些不同颜色的光。

发现
在DVD驱动器中，从盘产生的信号是寻址激光束的反射，因此非常强烈。 然而，对于3D光学存储，信号必须在所寻址的微小体积内生成，因此它比激光弱得多。 此外，荧光从寻址点向所有方向辐射，因此必须使用特殊的光收集光学器件来最大化信号。

数据跟踪
一旦沿z轴识别它们，就可以以与DVD类似的方式访问和跟踪DVD类数据的各个层。 还证明了使用并行或基于页面的寻址的可能性。 这允许更快的数据传输速率，但需要空间光调制器，信号成像，更强大的激光器和更复杂的数据处理的额外复杂性。

发展问题
尽管3D光学数据存储具有极具吸引力的特性，但商业产品的开发已经花费了相当长的时间。 这是因为该领域的财政支持有限，以及技术问题，包括：

破坏性阅读。 由于数据的读取和写入都是用激光束进行的，因此读取过程有可能导致少量写入。 在这种情况下，重复读取数据可能最终用于擦除它（这也发生在某些DVD中使用的相变材料中）。 许多方法已经解决了这个问题，例如对每个过程（读和写）使用不同的吸收带，或者使用不涉及能量吸收的读取方法。

热力学稳定性。 事实上似乎没有发生的许多化学反应发生得非常缓慢。 此外，许多似乎已经发生的反应可以慢慢逆转。 由于大多数3D介质都是基于化学反应，因此存在以下风险：未写入的点将慢慢写入或者写入的点将缓慢地恢复为未写入。 这个问题对于螺吡喃特别严重，但是进行了广泛的研究以找到用于3D记忆的更稳定的发色团。

媒体敏感度。 双光子吸收是一种弱现象，因此通常需要高功率激光来产生它。 研究人员通常使用钛蓝宝石激光器或Nd：YAG激光器来实现激发，但这些仪器不适合用于消费产品。

学术发展
3D光学数据存储的大部分发展都是在大学中进行的。 提供有价值意见的团体包括：

Peter T. Rentzepis是该领域的创始人，最近开发出了无破坏性读数的材料。
Watt W. Webb在贝尔实验室开发了双光子显微镜，并在光折变介质上显示了3D记录。
Masahiro Irie开发了diarylethene系列光致变色材料。
Yoshimasa Kawata，Satoshi Kawata和Zouheir Sekkat开发并研究了几种光学数据处理系统，特别是涉及极化聚合物系统。
Kevin C Belfield正在利用分子间的共振能量转移开发用于3D光学数据存储的光化学系统，并开发出高双光子截面材料。
Seth Marder完成了大部分早期工作，开发了高双光子截面发色团分子设计的逻辑方法。
Tom Milster为3D光学数据存储理论做出了许多贡献。
Robert McLeod研究了微全息图在3D光学数据存储中的应用。
Min Gu研究了共聚焦读数及其增强方法。

商业发展
除了学术研究之外，已经建立了几家公司来商业化3D光学数据存储，一些大公司也对该技术表现出兴趣。 然而，目前尚不清楚该技术是否会在其他方面（如硬盘驱动器，闪存和全息存储）的竞争中在市场上取得成功。

Call / Recall成立于1987年，基于Peter Rentzepis的研究。 使用双光子记录（25 Mbit / s，6.5 ps，7 nJ，532 nm脉冲），单光子读数（635 nm）和高NA（1.0）浸入式镜头，它们存储1 TB为200厚度为1.2毫米的圆盘。 他们的目标是通过开发新材料以及高功率脉冲蓝色激光二极管，在一年内将容量提高到> 5 TB，数据速率提高到250 Mbit / s。
Mempile正在开发名为TeraDisc的商业系统。 2007年3月，他们展示了在0.6毫米厚的光盘上记录和回读100层信息，以及低串扰，高灵敏度和热力学稳定性。 他们计划在2010年发布红光激光0.6-1.0 TB消费产品，并制定5 TB蓝光激光产品的路线图。
Constellation 3D在20世纪90年代末开发了荧光多层光盘，这是一种逐层制造的ROM光盘。 该公司在2002年失败，但知识产权（IP）被D-Data Inc.收购，他们正试图将其作为数字多层磁盘（DMD）推出。
Storex Technologies已经成立，旨在开发基于荧光光敏玻璃和玻璃陶瓷材料的3D媒体。 该技术源自罗马尼亚科学家Eugen Pavel的专利，他也是该公司的创始人兼首席执行官。 在ODS2010会议上，会议上介绍了两种非荧光方法读取PB级光盘的结果。
Landauer公司正在开发一种基于蓝宝石单晶基板中的共振双光子吸收的介质。 2007年5月，他们展示了每个标记使用2 nJ激光能量（405 nm）记录20层数据。 由于荧光寿命，读取速率限制在10 Mbit / s。
Colossal Storage旨在利用远紫外激光开发基于光子诱导电场极化的3D全息光学存储技术，以获得对当前数据容量和传输速率的大幅改进，但目前尚未提出任何实验研究或可行性研究。
Microholas在Susanna Orlic教授的领导下在柏林大学开展工作，并实现了多达75层的微全息数据记录，相隔4.5微米，并建议每层10 GB的数据密度。
3DCD Technology Pty.Ltd。是一家大学分拆公司，旨在开发基于Daniel Day和Min Gu确定的材料的3D光学存储技术。
富士，理光和松下等几家大型科技公司已申请双光子响应材料专利，用于3D光学数据存储等应用，但他们没有任何迹象表明他们正在开发全数据存储解决方案。