本书是一本有关信息光子学的理论、技术与应用的专著。本书作者结合自己的研究实践，从信息传输和信息处理这一视角介绍了光子的特性、关键技术和前沿应用。全书分为12章，主要内容包括：信息通信，光子学简介，视觉、视觉感知、计算机视觉，用于光信息处理的光源和光电探测器，光子调制、存储和显示器件，变换域信息处理中的光子学，图像的底层光子信息处理，光网络通信中的光子学，光子计算，光子模式识别和智能处理，量子信息处理，以及纳米光子学信息系统。
Asit Kumar Datta是印度加尔各答大学应用物理系即后来的应用光学与光子学系教授、系主任。获该校电力电子学博士学位并作为讲师开始了自己的职业生涯，1989年被任命为电力电子系教授，该系后来发展为新创建的应用光学与光子学系。Datta教授对电力电子学、控制仪器、光子学和光学计算有重要贡献，完成了12项资助和赞助科研项目，已在印度国内和国际期刊上发表论文120余篇，指导14名博士研究生取得博士学位。Datta教授是工程师协会，电子和电信工程师协会、印度光学学会，和印度照明工程师协会会员。他是巴黎，国际光学委员会（ICO）的印度代表，也是国际照明委员会（CIE）两个分会的印度代表。
项鹏，1980年生，2008年在南京通信工程学院通信与信息系统专业获得博士学位，2012年、2016年分别在清华大学电子工程系、南京航天航空大学电子信息工程学院两次完成博士后科研工作。现就职于中国人民解放军陆军工程大学通信工程学院，主要从事光纤通信、微波光子和光电子学等领域本科生、研究生层次的一线教学与科研工作。项鹏在光通信与光信息技术领域具有很强的学科背景与学术理论功底。近年来独立主持江苏省自然科学基金、中国博士后科学基金、国防重点实验室开放基金等科研项目，并作为主要项目成员参与了多项国家和军内的科研项目的研究工作，尤其是在光通信网络优化和基于微波光子学原理的射频信号产生与处理方面颇有建树，近年来在国内、外学术期刊发表学术论文60余篇（发表在国际刊物，且被SCI检索的20余篇），发明国家专利3项，获得军队进步科技三等奖1项，出版专著1部。
目 录
第1章 信息通信1
1.1 信息1
1.2 概率2
1.2.1 随机变量3
1.2.2 条件概率与独立性3
1.2.3 累积分布函数4
1.2.4 概率密度函数4
1.3 熵与信息4
1.4 信息通信6
1.5 信源编码：无噪声编码7
1.6 香农定理8
1.6.1 香农基本定理9
1.6.2 香农第二基本定理10
1.7 通信信道11
1.7.1 连续信道11
1.7.2 带限信道13
1.7.3 高斯信道14
1.8 信息检测15
1.8.1 贝叶斯准则17
1.8.2 极小极大准则17
1.8.3 Neyman-Pearson准则17
1.9 信息估计18
1.9.1 贝叶斯估计18
1.9.2 小值估计19
1.9.3 似然估计19
扩展阅读19
参考文献20
第2章 光子学简介22
2.1 信息和物理学22
2.1.1 光子学22
2.2 光子与光的本质23
2.2.1 光子的特性25
2.2.2 光速27
2.2.3 光波在空间和时间上的相干性28
2.3 电磁波传播30
2.3.1 麦克斯韦方程30
2.3.2 电磁波动方程32
2.4 电磁频谱36
2.4.1 红外区37
2.4.2 可见光区38
2.4.3 紫外区38
2.4.4 太赫兹波段38
2.5 光学成像系统38
2.5.1 成像的射线光学理论39
2.5.2 波动光学：衍射和干涉42
2.6 光与物质的相互作用49
2.6.1 吸收50
2.6.2 散射50
2.7 光度成像51
2.7.1 反射和阴影51
扩展阅读51
参考文献52
第3章 视觉、视觉感知、计算机视觉54
3.1 引言54
3.1.1 人类视觉系统54
3.2 视觉感知62
3.2.1 感知规律63
3.2.2 三维中的视觉65
3.2.3 视觉感知的贝叶斯解释66
3.3 计算机视觉67
3.3.1 图像格式68
3.3.2 图像获取69
3.4 几何图元与变换69
3.4.1 几何图元69
3.4.2 几何变换71
扩展阅读75
参考文献75
第4章 用于光信息处理的光源和光电探测器77
4.1 引言77
4.2 半导体物理的相关知识77
4.2.1 电流密度79
4.2.2 光子器件的半导体材料80
4.2.3 半导体结81
4.2.4 量子阱结构85
4.3 光源87
4.3.1 光放大器88
4.3.2 激光振荡器93
4.3.3 发光二极管96
4.3.4 半导体激光器：注入型激光二极管99
4.3.5 有机发光二极管(OLED)103
4.3.6 光信息领域常见的激光器104
4.4 光电探测器105
4.4.1 光电导器件107
4.4.2 结型光电二极管108
4.4.3 电荷耦合器件111
4.4.4 硅光子器件112
扩展阅读116
参考文献116
第5章 光子调制、存储和显示器件120
5.1 光束调制的光子器件120
5.1.1 电光效应120
5.1.2 液晶空间光调制器122
5.1.3 磁光空间光调制器126
5.1.4 声光调制器128
5.1.5 用于光信号调制的变形反射镜器件129
5.2 光开关器件130
5.2.1 标准具开关器件131
5.2.2 自电光效应器件132
5.3 三维光存储133
5.3.1 全息存储器件135
5.4 平板显示器137
5.4.1 液晶显示器139
5.4.2 LED和OLED显示器141
5.4.3 等离子显示器143
5.4.4 柔性平板显示器144
5.4.5 电泳和电子书显示器144
扩展阅读145
参考文献145
第6章 变换域信息处理中的光子学147
6.1 引言147
6.2 傅里叶变换147
6.2.1 傅里叶变换的性质148
6.2.2 离散傅里叶变换149
6.2.3 三维傅里叶变换151
6.2.4 对数-极坐标系中的傅里叶变换151
6.2.5 透镜的傅里叶变换特性152
6.2.6 分数傅里叶变换153
6.3 哈特利变换154
6.4 小波分析与小波变换155
6.4.1 小波变换156
6.4.2 二维小波变换与图形处理162
6.5 拉东变换163
6.5.1 中心切片定理164
6.6 霍夫变换165
6.6.1 直线检测165
6.6.2 圆圈检测166
6.7 线性变换的光子学实现167
6.7.1 小波变换的光子学实现167
6.7.2 霍夫变换的光子学实现168
扩展阅读169
参考文献170
第7章 图像的底层光子信息处理172
7.1 引言172
7.2 底层图像处理173
7.2.1 图像点运算173
7.2.2 图像群运算173
7.2.3 图像邻域处理174
7.3 形态学运算175
7.3.1 二值形态学图像处理175
7.3.2 灰度形态学处理176
7.3.3 基于光子技术的形态学处理176
7.4 将图像转换为图形的光子技术178
7.4.1 深度图像采集179
7.4.2 图像配准与影像综合179
7.4.3 光子学轮廓测定技术181
7.4.4 光子学流量计量技术186
扩展阅读188
参考文献189
第8章 光网络通信中的光子学191
8.1 光纤中的光传输191
8.1.1 光纤192
8.1.2 点到点光纤链路198
8.1.3 长距离光子通信系统200
8.2 自由空间光子通信200
8.2.1 近地自由空间光子链路201
8.3 光子通信网络202
8.3.1 波分复用(WDM)205
8.3.2 掺铒光纤放大器(EDFA)211
8.4 光子安全网络212
8.4.1 相位与偏振加密213
8.4.2 解密技术与差错控制213
8.4.3 光子图像编码技术213
扩展阅读215
参考文献215
第9章 光子计算218
9.1 引言218
9.2 高速计算和并行处理的需求218
9.2.1 单指令多数据流(SIMD)体系结构219
9.2.2 多指令多数据流(MIMD)体系结构220
9.2.3 流水线并行体系结构220
9.3 电子计算机的局限性221
9.3.1 物理限制221
9.3.2 拓扑限制221
9.3.3 体系结构的瓶颈222
9.3.4 基本极限222
9.4 光子计算222
9.4.1 吞吐量问题224
9.5 数字光学225
9.5.1 阵列逻辑、多值逻辑和可编程逻辑225
9.6 光子多级互连227
9.7 用于并行光子计算的数字系统228
9.7.1 余数数字系统229
9.7.2 二进制数字系统230
9.7.3 带符号位数字系统230
9.7.4 负二进制数字系统及其变体232
9.8 光子计算体系结构235
9.8.1 光学阴影投射体系结构235
9.8.2 基于光学阴影投射的统一算法和逻辑处理体系结构237
9.8.3 基于卷积的乘法器体系结构240
9.8.4 混合光子多元处理器244
9.8.5 全光数字多元处理器244
9.8.6 基于S-SEED的全光子多元处理器245
扩展阅读246
参考文献246
第10章 光子模式识别和智能处理250
10.1 引言250
10.2 模式识别的相关滤波器250
10.2.1 Vander Lugt相关器250
10.3 频域相关滤波器251
10.3.1 相关性能评估指标252
10.3.2 频域相关滤波器的类型254
10.3.3 混合数字-光子相关器260
10.3.4 联合变换相关器260
10.4 智能光子处理265
10.5 人工神经网络(ANN)265
10.5.1 ANN的训练267
10.5.2 线性模式分类器和多层感知器268
10.5.3 无监督的ANN272
10.5.4 ANN的光子实现274
10.6 二维模式识别的联想记忆模型275
10.6.1 自动联想记忆模型276
10.6.2 异联想记忆281
10.6.3 光子异联想记忆284
10.6.4 赢家通吃(WTA)模式285
扩展阅读287
参考文献288
第11章 量子信息处理291
11.1 引言291
11.2 符号与数学基础291
11.3 冯·诺依曼熵293
11.4 量子比特294
11.4.1 多个量子比特295
11.4.2 量子比特的条件概率296
11.4.3 量子比特的操作297
11.4.4 量子比特的实现297
11.5 纠缠态与光子纠缠300
11.6 量子计算301
11.6.1 量子逻辑门与电路302
11.6.2 量子计算体系结构305
11.7 量子通信307
11.7.1 量子密码学307
11.7.2 量子隐形传态310
11.8 小结311
扩展阅读312
参考文献312
第12章 纳米光子学信息系统315
12.1 引言315
12.2 纳米光子器件315
12.2.1 光子晶体316
12.2.2 等离子体326
12.3 光子集成和纳米光子学信息系统331
扩展阅读333
参考文献334
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