华科大团队研发可见光高效驱动的分子光开关，用于信息存储和加密

面对当下数据爆炸式增长，该如何应对呢？

目前数据信息存储方式主要包括磁介质存储和半导体闪存等，但这些方式不仅能耗比高，还面临储存时间有限、使用费用高等问题。

光盘作为常见的光存储载体，具有能耗低、成本低、存储长久和安全的优势，但它的存储密度、容量和读写速度皆有限。因此，发展出同时能够满足安全、大容量、低能耗的新型存储材料和技术尤为重要。

分子开关（光致变色）类光存储材料不受材料本身的限制，存储单元尺度理论上能够小到分子级别，具有高密度光存储的应用潜力。在长期低成本海量数据存储方面具有较高的使用价值。

然而，分子开关类光存储材料也面临着依赖于有害且成本高的紫外光驱动、稳定性差以及开关转换不完全等问题。

图丨李冲团队部分成员合影（来源：该团队）

近期，华中科技大学李冲副教授、朱明强教授团队开发出由可见光高效驱动的双稳态分子光开关，有望推动分子光开关材料在高密度光信息存储方面应用的发展。

图丨相关论文（来源：Angewandte Chemie International Edition）

近日，相关论文以《面向光学信息记录：一种稳健的可见光驱动的分子光开关，闭环反应产率超过 96.3%》（Towards Optical Information Recording: A Robust Visible-Light-Driven Molecular Photoswitch with the Ring-Closure Reaction Yield Exceeding 96.3%）为题发表在 Angewandte Chemie International Edition 上[1]。

华中科技大学武汉光电国家研究中心硕士生洪盼为第一作者，李冲副教授担任通讯作者。

（来源：Angewandte Chemie International Edition）

二噻吩基乙烯（dithienylethene，DTE）分子开关具有双热稳定态，在一定温度范围内，即便加热也不会影响数据存储（读写擦功能）。

需要了解的是，一般分子开关需要通过紫外光照实现变色的过程，但紫外光具有较高的光损伤性，使用成本通常比较高，并对光学系统设备具有较高的技术要求。

在该研究中，研究人员以三苯胺苯基（triphenylamine phenyl，TPAP）为修饰基团，将 DTE 作为分子开关的母核。

在保持材料优异性能的同时，解决了分子开关转化率不高的问题，可见光下高转化率的分子开关提高了可见光材料的实用性。

该研究中，在 405nm 短波可见光照射条件下，分子光开关的闭环反应产率逾 96.3%。405nm 的可见光是商用光盘常用的驱动光，它的优势是来源广泛、获取相对容易且价格相对较低。

据悉，在科研领域，超过 90% 的闭环反应产率即是比较优秀的分子开关的开闭环数据。终态时，未能转化的开环体比例越多，越可能会对开关对比度信号或材料功能产生不利影响，而越接近 100% 的闭环反应产率意味着越有可能按照指令被可控地操作。

谈及高转化率的意义，李冲表示：“从概率上容易推论出，当分子开关的应用下探至单分子和少数分子集群尺度时，高的开关反应转化率是它们的物理性质稳定操控（而不出现随机响应）的前提条件。”

他们通过高效液相色谱和核磁共振氢谱方法双重检验后，得出 96.3% 的闭环反应产率。相对来说具有较高的可靠性，也为领域提供了一种相对标准的范式。

（来源：Angewandte Chemie International Edition）

从结构上来看，可见光高效驱动的分子光开关比较精简（无复杂的结构基团），易于材料的复现，借鉴该思路有望设计出更好性能的材料。

李冲表示：“希望通过该研究可以让更多人看到，从材料合成到性能的角度，越简单的结构反而越有利于应用。”

图丨光信息存储的应用（来源：Angewandte Chemie International Edition）

他们利用材料的双稳态特性，演示了多阶光信息存储应用，实现了 8 阶光存储。这意味着一个数据记录单元可以存放 3 比特数据量，而当前的光盘存储通常只能存储 1 比特数据。

一方面，该材料能够应用于需要保密传输信息的特殊领域，例如防伪、信息加密等。另一方面，该材料还可应用于可重写的信息显示。

李冲举例说道：“例如，我们现在经常在超市等场所看到的二维码等显示信息，也可以利用该技术应用在具有可重写功能的信息或标签显示，促进资源的循环利用。”

该研究是研究团队完成光信息存储系列研究的第一步，未来他们将继续提升材料的实用性。据了解，研究人员最近正在致力于能够实现 100% 转化的可见光驱动的分子开关，目前初步结果已表明，在该研究中的结构基础上能够获得性能更高的分子开关材料。

李冲表示：“后期我们会把高性能的可见光驱动性能引入，并朝着荧光分子开关的方向发展，它的信噪比高于颜色（吸收）信号至少 2 个数量级，高检测敏感度更有利于信息存储的读写和密度提升。”

此外，该课题组还计划利用该技术单分子的特点，在超分辨荧光成像方向继续探索。

参考资料：1.Pan Hong, Jing Liu, Kai-Xuan Qin, Rui Tian, Ling-Yan Peng, Yun-Shu Su, Zongsong Gan, Xiang-Xiang Yu, Lei Ye, Ming-Qiang Zhu and Chong Li ，Towards Optical Information Recording: A Robust Visible-Light-Driven Molecular Photoswitch with the Ring-Closure Reaction Yield Exceeding 96.3%，Angewandte Chemie International Edition,2024,e202316706. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202316706

运营/排版：何晨龙

一文读懂全光通信中的光开关技术

光纤通信技术的问世和发展给通信业带来了革命性的变革，目前世界大约85％的通信业务经光纤传输，长途干线网和本地中继网也已广泛使用光纤。特别是近几年，以IP为主的Internet业务呈现爆炸性增长，这种增长趋势不仅改变了IP网络层与底层传输网络的关系，而且对整个网络的组网方式、节点设计、管理和控制提出了新的要求。一种智能化网络体系结构——自动交换光网络成为当今系统研究的热点，它的核心节点由光交叉连接设备构成，通过OXC，可实现动态波长选路和对光网络灵活、有效地管理。OXC技术在日益复杂的DWDM网中是关键技术之一，而光开关作为切换光路的功能器件，则是OXC中的关键部分。

光开关矩阵是OXC的核心部分，它可实现动态光路径管理、光网络的故障保护、波长动态分配等功能，对解决目前复杂网络中的波长争用，提高波长重用率，进行网络灵活配置均有重要的意义。随着光传送网向超高速、超大容量的方向发展，网络的生存能力、网络的保护倒换和恢复问题成为网络关键问题，而光开关在光层的保护倒换对业务的保护和恢复起到了更为重要的作用。1 光开关的应用范围光开关是一种具有一个或多个可选择的传输窗口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件。光开关基本的形式是2x2：即入端和出端各有两条光纤，可以完成两种连接状态：平行连接和交叉连接，如图1所示。较大型的空分光交换单元可由基本的2x2光开关以及相应的1x2光开关级联、组合构成。

光开关在光网络中起到十分重要的作用，在波分复用传输系统中，光开关可用于波长适配、再生和时钟提取；在光时分复用系统中，光开关可用于解复用；在全光交换系统中，光开关是光交叉连接的关键器件，也是波长变换的重要器件。根据光开关的输入和输出端口数，可分为1×1、1×2、1xN、2x2、2xN、MxN等多种，它们在不同场合中有不同用途。其应用范围主要有：光网络的保护倒换系统、光纤测试中的光源控制、网络性能的实时监控系统、光器件的测试、构建OXC设备的交换核心、光插／分复用、光学测试、光传感系统等。2 主要光开关类型研究依据不同的光开关原理，光开关的实现方法有很多种，如：传统机械光开关、微机械光开关、热光开关、液晶光开关、电光开关和声光开关等。其中传统机械光开关、微机械光开关、热光开关因其各自的特点在不同场合得到广泛应用。2．1 传统机械光开光

目前应用最为广泛的仍是传统的1x2和2x2机械式光开关。传统机械式光开关可通过移动光纤将光直接耦合到输出端，采用棱镜、反射镜切换光路，将光直接送到或反射到输出端。机械式光开关分主要有3种类型：一是采用棱镜切换光路技术，二是采用反射镜切换技术，三是通过移动光纤切换光路。移动棱镜光开关的基本结构如图2所示。光纤与起准直作用的透镜(准直器)相连，并固定不动，通过移动棱镜改变输入、输出端口间的光路。反射镜型光开关工作原理如图3所示。当反射镜未进入光路时，光开关处于直通状态，光纤1进入的光进入光纤4，光纤2进入的光进入光纤3；当反射镜处于两光线的交点位置时，光开关处于交叉状态，光纤1进入的光进入到光纤3，光纤2进入的光进入光纤4从而实现光路的切换。移动光纤型光开关如图4所示，是固定一端的光纤，移动另一端的光纤与固定光纤的不同端口相耦合，实现光路的切换。这类光开关回波损耗低，且受外界环境温度影响大，并没有形成真正意义上的商用化产品。我国国内商用化光开关主要是移动棱镜和反射镜型的。

机械型光开关的优点是插入损耗低(<1 dB)、隔离度高(>45 dB)与波长和偏振无关，制作技术成熟。缺点在于开关动作时间较长(ms量级)，体积偏大，且不易做成大型的光开关矩阵，有时还存在回跳抖动和重复性差的问题。机械型光开关在最近几年得到广泛应用，但随着光网络规模的不断扩大，这种开关难以适应未来高速、大容量光传送网发展的需求。

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