信息光子學 — 理論、技術與應用

本書是一本有關信息光子學的理論、技術與應用的專著。本書作者結合自己的研究實踐，從信息傳輸和信息處理這一視角介紹了光子的特性、關鍵技術和前沿應用。全書分為12章，主要內容包括：信息通信，光子學簡介，視覺、視覺感知、電腦視覺，用於光信息處理的光源和光電探測器，光子調制、存儲和顯示器件，變換域信息處理中的光子學，圖像的底層光子信息處理，光網絡通信中的光子學，光子計算，光子模式識別和智能處理，量子信息處理，以及納米光子學信息系統。

Asit Kumar Datta是印度加爾各答大學應用物理系即後來的應用光學與光子學系教授、系主任。
獲該校電力電子學博士學位並作為講師開始了自己的職業生涯，1989年被任命為電力電子系教授，該係後來發展為新創建的應用光學與光子學系。
Datta教授對電力電子學、控制儀器、光子學和光學計算有重要貢獻，完成了12項資助和讚助科研項目，已在印度國內和國際期刊上發表論文120餘篇，指導14名博士研究生取得博士學位。
Datta教授是工程師協會，電子和電信工程師協會、印度光學學會，和印度照明工程師協會會員。
他是巴黎，國際光學委員會（ICO）的印度代表，也是國際照明委員會（CIE）兩個分會的印度代表。

項鵬，1980年生，2008年在南京通信工程學院通信與信息系統專業獲得博士學位，2012年、2016年分別在清華大學電子工程系、南京航天航空大學電子信息工程學院兩次完成博士後科研工作。
現就職於中國人民解放軍陸軍工程大學通信工程學院，主要從事光纖通信、微波光子和光電子學等領域本科生、研究生層次的一線教學與科研工作。
項鵬在光通信與光信息技術領域具有很強的學科背景與學術理論功底。
近年來獨立主持江蘇省自然科學基金、中國博士後科學基金、國防重點實驗室開放基金等科研項目，並作為主要項目成員參與了多項國家和軍內的科研項目的研究工作，尤其是在光通信網絡優化和基於微波光子學原理的射頻信號產生與處理方面頗有建樹，近年來在國內、外學術期刊發表學術論文60餘篇（發表在國際刊物，且被SCI檢索的20餘篇），發明國家專利3項，獲得軍隊進步科技三等獎1項，出版專著1部。

第1章信息通信1
1.1信息1
1.2概率2
1.2.1隨機變量3
1.2.2條件概率與獨立性3
1.2.3累積分佈函數4
1.2.4概率密度函數4
1.3熵與信息4
1.4信息通信6
1.5信源編碼：無噪聲編碼7
1.6香農定理8
1.6.1香農基本定理9
1.6.2香農第二基本定理10
1.7通信信道11
1.7.1連續信道11
1.7.2帶限信道13
1.7.3高斯信道14
1.8信息檢測15
1.8.1貝葉斯準則17
1.8.2極小極大準則17
1.8.3Neyman-Pearson準則17
1.9信息估計18
1.9.1貝葉斯估計18
1.9.2小大值估計19
1.9.3大似然估計19
擴展閱讀19
參考文獻20
第2章光子學簡介22
2.1信息和物理學22
2.1.1光子學22
2.2光子與光的本質23
2.2.1光子的特性25
2.2.2光速27
2.2.3光波在空間和時間上的相干性28
2.3電磁波傳播30
2.3.1麥克斯韋方程30
2.3.2電磁波動方程32
2.4電磁頻譜36
2.4.1紅外區37
2.4.2可見光區38
2.4.3紫外區38
2.4.4太赫茲波段38
2.5光學成像系統38
2.5.1成像的射線光學理論39
2.5.2波動光學：衍射和乾涉42
2.6光與物質的相互作用49
2.6.1吸收50
2.6.2散射50
2.7光度成像51
2.7.1反射和陰影51
擴展閱讀51
參考文獻52
第3章視覺、視覺感知、計算機視覺54
3.1引言54
3.1.1人類視覺系統54
3.2視覺感知62
3.2.1感知規律63
3.2.2三維中的視覺65
3.2.3視覺感知的貝葉斯解釋66
3.3計算機視覺67
3.3.1圖像格式68
3.3.2圖像獲取69
3.4幾何圖元與變換69
3.4.1幾何圖元69
3.4.2幾何變換71
擴展閱讀75
參考文獻75
第4章用於光信息處理的光源和光電探測器77
4.1引言77
4.2半導體物理的相關知識77
4.2.1電流密度79
4.2.2光子器件的半導體材料80
4.2.3半導體結81
4.2.4量子阱結構85
4.3光源87
4.3.1光放大器88
4.3.2激光振盪器93
4.3.3發光二極管96
4.3.4半導體激光器：注入型激光二極管99
4.3.5有機發光二極管(OLED)103
4.3.6光信息領域常見的激光器104
4.4光電探測器105
4.4.1光電導器件107
4.4.2結型光電二極管108
4.4.3電荷耦合器件111
4.4.4矽光子器件112
擴展閱讀116
參考文獻116
第5章光子調製、存儲和顯示器件120
5.1光束調製的光子器件120
5.1.1電光效應120
5.1.2液晶空間光調製器122
5.1.3磁光空間光調製器126
5.1.4聲光調製器128
5.1.5用於光信號調製的變形反射鏡器件129
5.2光開關器件130
5.2.1標準具開關器件131
5.2.2自電光效應器件132
5.3三維光存儲133
5.3.1全息存儲器件135
5.4平板顯示器137
5.4.1液晶顯示器139
5.4.2LED和OLED顯示器141
5.4.3等離子顯示器143
5.4.4柔性平板顯示器144
5.4.5電泳和電子書顯示器144
擴展閱讀145
參考文獻145

第6章變換域信息處理中的光子學147
6.1引言147
6.2傅里葉變換147
6.2.1傅里葉變換的性質148
6.2.2離散傅里葉變換149
6.2.3三維傅里葉變換151
6.2.4對數-極坐標系中的傅里葉變換151
6.2.5透鏡的傅里葉變換特性152
6.2.6分數傅里葉變換153
6.3哈特利變換154
小波分析與小波變換155
.1小波變換156
.2二維小波變換與圖形處理162
6.5拉東變換163
6.5.1中心切片定理1
6.6霍夫變換165
6.6.1直線檢測165
6.6.2圓圈檢測166
6.7線性變換的光子學實現167
6.7.1小波變換的光子學實現167
6.7.2霍夫變換的光子學實現168
擴展閱讀169
參考文獻170
第7章圖像的底層光子信息處理172
7.1引言172
7.2底層圖像處理173
7.2.1圖像點運算173
7.2.2圖像群運算173
7.2.3圖像鄰域處理174
7.3形態學運算175
7.3.1二值形態學圖像處理175
7.3.2灰度形態學處理176
7.3.3基於光子技術的形態學處理176
7.4將圖像轉換為圖形的光子技術178
7.4.1深度圖像採集179
7.4.2圖像配準與影像綜合179
7.4.3光子學輪廓測定技術181
7.4.4光子學流量計量技術186
擴展閱讀188
參考文獻189
第8章光網絡通信中的光子學191
8.1光纖中的光傳輸191
8.1.1光纖192
8.1.2點到點光纖鏈路198
8.1.3長距離光子通信系統200
8.2自由空間光子通信200
8.2.1近地自由空間光子鏈路201
8.3光子通信網絡202
8.3.1波分複用(WDM)205
8.3.2摻鉺光纖放大器(EDFA)211
8.4光子安全網絡212
8.4.1相位與偏振加密213
8.4.2解密技術與差錯控制213
8.4.3光子圖像編碼技術213
擴展閱讀215
參考文獻215
第9章光子計算218
9.1引言218
9.2高速計算和並行處理的需求218
9.2.1單指令多數據流(SIMD)體系結構219
9.2.2多指令多數據流(MIMD)體系結構220
9.2.3流水線並行體系結構220
9.3電子計算機的局限性221
9.3.1物理221
9.3.2拓撲221
9.3.3體系結構的瓶頸222
9.3.4基本極限222
9.4光子計算222
9.4.1吞吐量問題224
9.5數字光學225
9.5.1陣列邏輯、多值邏輯和可編程邏輯225
9.6光子多級互連227
9.7用於並行光子計算的數字系統228
9.7.1餘數數字系統229
9.7.2二進制數字系統230
9.7.3帶符號位數字系統230
9.7.4負二進制數字系統及其變體232
9.8光子計算體系結構235
9.8.1光學陰影投射體系結構235
9.8.2基於光學陰影投射的統一算法和邏輯處理體系結構237
9.8.3基於卷積的乘法器體系結構240
9.8.4混合光子多元處理器244
9.8.5全光數字多元處理器244
9.8.6基於S-SEED的全光子多元處理器245
擴展閱讀246
參考文獻246
第10章光子模式識別和智能處理250
10.1引言250
10.2模式識別的相關濾波器250
10.2.1VanderLugt相關器250
10.3頻域相關濾波器251
10.3.1相關性能評估指標252
10.3.2頻域相關濾波器的類型254
10.3.3混合數字-光子相關器260
10.3.4聯合變換相關器260
10.4智能光子處理265
10.5人工神經網絡(ANN)265
10.5.1ANN的訓練267
10.5.2線性模式分類器和多層感知器268
10.5.3無監督的ANN272
10.5.4ANN的光子實現274
10.6二維模式識別的聯想記憶模型275
10.6.1自動聯想記憶模型276
10.6.2異聯想記憶281
10.6.3光子異聯想記憶284
10.贏家通吃(WTA)模式285
擴展閱讀287
參考文獻288
第11章量子信息處理291
11.1引言291
11.2符號與數學基礎291
11.3馮·諾依曼熵293
11.4量子比特294
11.4.1多個量子比特295
11.4.2量子比特的條件概率296
11.4.3量子比特的操作297
11.4.4量子比特的實現297
11.5糾纏態與光子糾纏300
11.6量子計算301
11.6.1量子邏輯門與電路302
11.6.2量子計算體系結構305
11.7量子通信307
11.7.1量子密碼學307
11.7.2量子隱形傳態310
11.8小結311
擴展閱讀312
參考文獻312
第12章納米光子學信息系統315
12.1引言315
12.2納米光子器件315
12.2.1光子晶體316
12.2.2等離子體326
12.3光子集成和納米光子學信息系統331
擴展閱讀333
參考文獻334