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。

前 言 信息光子学是一个新兴的领域，涉及光子学领域的科学与技术发展，以及不断扩大、无孔不入的信息技术应用。从广义上来讲，光子学研究光的产生、传输和探测，主要研究范围包括从紫外、可见光到远红外的波长光谱。另一方面，信息技术涉及计算机与通信设备在数据存储、检索和传输、信号处理中的应用。随着技术的发展，光子学和信息技术应用领域出现了融合，信息光子学被定义为一种实现方法，目的是开发由光子技术与信息技术融合产生的具有创新性的光子信息处理系统。 “光子学”(photonics)一词出现于20世纪60年代末，用来描述一个新兴的研究领域。当时，该领域的技术目标是用光来完成传统上属于典型电子学领域(如通信、计算和其他信息处理系统)的功能。此外，随着激光器和光纤技术的不断进步，人们对开发器件的兴趣也在不断增长。光子学被认为是物理学，尤其是半导体物理学的一个子集。随着光子技术进入并扩展到每个可能的公共应用领域，这一独特学科领域的边界正变得模糊。如今，以大带宽、高速信息通信为标志的信息时代的优势正在显现，没有光子技术的应用，这是无法实现的。因此，信息光子学被认为是开发光子信息处理系统的一种方法，并作为信息时代的一项有用技术被创造出来。 首先，有必要建立一个在信息光子学中使用的通用术语。在过去50多年的时间里，当今光子学领域的每一种可能的发展被相继命名为应用光学、光学技术或光学工程。当光子学领域开始从光学和电子学领域演化之后，各种术语如“光学电子学”(optical-electronics)、“光电”(optronics)和“光电子学”(optoelectronics)交替使用。现在，我们认为光电子学是研究和开发能发射、探测和控制光的电子器件的学科，所以光电子学是光子学的一个子领域。 在本书中，只考虑遵循光学原理的器件与系统，即光学器件与光学系统。但另一方面，当光子角色和光子遵循的规律发挥作用时，应将这些器件和系统看作光子器件和光子系统。因此，虽然光纤是光学器件，但为了研究涉及光源和光电探测器的通信系统，通常将这些系统称为光子通信系统而不是光通信系统。同样，光学计算机也被称为光子计算机，光源、光电探测器和光调制器也相应改称为光子源、光子探测器和光子调制器。由光学和光子器件组合而成的系统应该称为光子系统。 本书的主要目的是向研究生、研究人员、工程师和科学家介绍在各个领域应用的光子信息处理技术。这将有助于读者了解作为一个系统的光子信息处理的概念，构成系统所需的光子器件，以及光子计算机和智能模式识别。作为这些概念的扩展，书中还介绍了光子在其中扮演重要作用的量子通信和量子计算领域。在本书最后一章，介绍了纳米光子学这一新兴领域，在这些系统中，光子晶体和等离子体器件将在不久的将来发挥重要作用。 第1章从概率论和香农定理出发，论述了线性信道信息通信的基本原理。第2章介绍了光子的性质、电磁理论的概念以及光学系统和定律。第3章论述了人类视觉系统和视觉感知的概念，这是人类与信息系统接口的一个组成部分。光子器件在建立光子系统体系结构中起着至关重要的作用，因此在第4章介绍了所需的产生光子信号(源)的器件和光子检测器件，并且概述了光子系统的构成。第5章继续介绍光子信号控制(调制器和开关)以及最终光子存储和显示所需的器件。 信息处理的一个重要方面是对空间和频域的二维图像进行分析。第6章讨论了傅里叶变换、分数傅里叶变换和小波变换的时空变换域信息处理技术，同时还讨论了一些有助于检测问题的其他变换。第7章利用算子和形态学处理方法进行图像的底层信息处理，这一章还阐述了用于目标距离采集和轮廓分析的光子仪器。 第8章介绍了光子器件和空间时域的基本处理技术，论述了光子处理在通信和网络中的主要应用，讨论了光纤中光波的传播、自由空间光子通信以及保密光子通信技术。光子信息处理的另一个重要领域是光子计算，第9章介绍了光子计算的概念和体系结构，提出了无进位二维运算所需的算法和逻辑。由于互连和交换是光子计算的组成部分，因此该章的部分内容讨论互连和交换方法。第10章讨论了光子信息处理在智能模式识别中的应用，主要包括神经网络模型和图像相关滤波器。第11章讨论了量子通信和量子计算，作为光子信息处理的一个方面，这些技术代表了光子学与量子力学的融合。同时，该章还讨论了量子比特和器件所需的数学基础。第12章介绍了纳米光子器件和系统的最新发展，该章重点是光子晶体和等离子体器件的理论与应用。本书的结尾强调了光子信息系统的演变。 本书并没有详细推导建立光子器件和信息处理技术理论所需的方程，只给出主要方程。每章章末给出大量的参考文献和扩展阅读书籍，可以从中深入学习各种方程的推导。 感谢我们的同事在编写本书时提供的帮助。我们特别感谢Gagandeep Singh，他是CRC出版社的编辑部主管和高级编辑(工程/环境科学方向)，由于他的支持和不断鼓励，本书才得以顺利出版。 Asit Kumar Datta Soumika Munshi

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 香农第一基本定理 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 最小最大值估计 19 1.9.3 最大似然估计 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ANN 272 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