近年來，基于計算機和互聯網的數字化技術高速發展，深入參與到科學研究、經濟發展和社會管理的方方面面。從物理學的角度看，數字化技術的核心在于對電子和光子的離散化調控：對電子（費米子）的調控形成了電子技術，對光子（玻色子）的調控形成了光子技術，它們構成了數字經濟的科技基礎。在現代社會，數字信息的存儲、處理、傳輸、顯示等都與電子和光子技術密切相關。
從自然的模擬信號向人造的數字信號發展（即數字化）是電子和光子技術的重要趨勢。歷史上，電子技術的數字化取得巨大成功。在電子技術的數字化過程中，真空管被晶體管替代，二極管、三極管和邏輯門等基本元件不斷地小型化、集成化，推動了集成電路技術以及計算機領域的迅猛發展。例如，世界上第一臺通用電子計算機ENIAC采用電子管進行計算，占地面積約170平方米、重達27噸，但每秒僅能進行5000次加法運算；作為對比，今天普通商用計算機芯片的算力都已達到數百億次每秒（浮點運算）。
長期以來，電子芯片的發展遵循摩爾定律（芯片上集成的電路數目每隔18個月翻一番），而支撐摩爾定律不斷發展的是光學微細加工技術。與光學加工技術逐漸逼近“衍射極限”同步，電子芯片的物理尺寸也已經逼近物理極限，特別是在經典馮?諾依曼架構下，存在著存儲墻、功耗墻等難以逾越的瓶頸。早在20多年前，國際上即有人預言“后摩爾時代”即將來臨。
數字化推動光子技術發展
光子技術是21世紀信息領域國際公認的核心技術之一。與電子相比，光子具有光速傳播、天然的并行和復用能力、低功耗等特征，特別適合人工智能所需的大數據并行計算等場景。借助神經形態光子學，光子計算機的理論計算速度可達到電子計算機的1000倍以上。
盡管光子技術具有諸多優勢，但不得不面對一個事實，20世紀中期以來，光子技術在數字化方面遠遠落后于電子技術：與尺寸不斷縮小的電子器件相比，相機、投影儀等光學系統的體積雖然有所小型化，但其縮小程度仍十分有限；在集成光子學中，由于“衍射極限”的限制，光子波導的寬度約為微米量級，比集成電路的特征尺寸大了10~100倍。顯然，如何實現類似于數字電子的小型化、集成化、高性能數字光學技術，是光學和光子學領域關注的重點。
從本質上講，電子和光子的方程和波函數有諸多相似之處，都可以在數字和模擬之間進行轉換。因此，從早期的雙縫干涉實驗開始，到二元光學，再到現在的亞波長光學，光子的數字化也在不斷演進。在經典的楊氏雙縫干涉實驗中，光子透過兩個狹縫后在屏上呈現數字化的干涉效果，強度分布0和1交替出現，產生了數字化的雛形。1818年，法國科學家Augustin-Jean Fresnel首次提出了波帶片的概念。約60年后，Rayleigh制作了世界上第一塊波帶片。1967年，美國光學家Joseph Goodman提出數字全息技術，用光電傳感器代替干板記錄全息圖，從而實現光學全息的數字化再現。
20世紀80年代中期，麻省理工學院林肯實驗室提出了二元光學的概念，開創了將集成電路工藝引入光學元件制造的先河。21世紀以來，數字光學的調控尺度深入到亞波長尺度，催生了以表面等離子體亞波長光學、超構透鏡、懸鏈線光學等為代表的新方向。正如2009年Joseph Goodman所說，隨著激光光源、電子計算機以及微細加工工具的發展，數字光學這一領域終于開始蓬勃發展。
數字光學成為研究新熱點
數字光學的內涵主要有三點。一是通過光子—電子融合，實現數字電子向數字光學的轉變，同時利用離散化結構中的幾何相位和界面相位等新的物理效應調控振幅、相位、偏振、頻率、空間頻率等參量；二是智能化設計，傳統光學元件和系統的設計更多地依賴于經驗，通過數字計算機和人工智能，可實現數字光學器件的按需智能設計；三是微電子兼容的加工，傳統的光學加工依賴于注塑、磨削、拋光等工藝，難以和電子技術一體化，數字光學元件采用微電子工藝來批量復制，有望在同一產線實現光學和電子器件的集成。
廣義的數字光學包括建立在數字化設計、數字化加工、數字化控制基礎上的光學理論和技術等。主要的數字化特征包括：形貌方面，由規則向自由化發展，微結構由簡單規則的圖形變成了復雜化圖形；分析方法方面，隨著特征尺寸的縮小以及數值孔徑的增大，傳統的標量分析方法已無法滿足需求，處理方法進入矢量光學范疇；設計方面，傳統啟發式的優化設計難以用于超大規模亞波長結構的優化設計，此時，基于物理驅動和數據驅動的智能設計就成為了必然選擇；調控維度方面，數字光學由單一的相位調控向振幅、相位和頻譜同時調控發展，使更多維度的應用成為可能；時域調控方面，新材料和新技術的引入使得動態調控速度有望得到大幅提升。
數字光學產業前景廣闊
數字光學有著廣闊的產業前景，包括數字光加工、數字光成像、數字光顯示、數字光傳感、數字光通信、數字光存儲、數字光計算等等。當前數字光學的發展仍然處于初級階段，有一些問題需要解決，比如智能設計方法和軟件、軟硬件協同優化、跨尺度高精度批量制造、可編程智能重構、標準化的建立等。軟硬件協同優化是數字光學未來發展的重點方向之一。以光學成像系統為例，超構透鏡本身具有靈活的相位調控能力，但隨著口徑增大，色差越來越難以消除。此時，采用后端算法來校正色差可以實現數字化結構與數字化處理的完美融合，從而在不增加系統體積重量的條件下大幅度提升成像性能。
標準化是實現數字光學產業前景的必然舉措，具體包括標準化的設計、制造、測量以及集成等。只有建立起數字光學領域的相關標準，才有可能像電子技術一樣，快速推進數字光學產業賽道的形成。■
（作者系中國工程院院士、中國科學院光電技術研究所所長，記者高雅麗根據其在世界數字經濟論壇的發言整理）
《科學新聞》 (科學新聞2022年12月刊 封面)