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《光电信息技术与应用前沿》 图书简介 本书是一部深度聚焦于光电信息技术领域最新发展与前沿应用的综合性著作。全书系统梳理了光电子学、光学工程、微纳光子学以及信息处理等多个交叉学科的理论基础，并以前瞻性的视野，详细阐述了近年来在光通信、光传感、光计算以及新型显示技术等方面取得的突破性进展。本书旨在为相关领域的科研人员、高校师生以及工程技术人员提供一份全面、深入且具有实践指导意义的参考资料。 第一部分：光电信息技术基础理论与新范式 本部分构建了理解现代光电系统的坚实理论框架。 第一章：波动光学与量子光学的交汇点 本章深入探讨了经典电磁波理论在描述光与物质相互作用时的局限性，并着重介绍了量子光学的基本概念，如光子、光场量子化、相干性与纠缠态。详细分析了光与半导体材料能级结构之间的耦合机制，包括光吸收、自发辐射与受激辐射过程的精细控制。特别强调了介观尺度下光子-电子相互作用的新物理现象，为理解高性能光电器件的工作原理奠定基础。 第二章：微纳结构光学设计与仿真 本章核心内容在于介绍如何利用先进的数值模拟方法（如有限差分时域法 FDTD、有限元法 FEM 等）对微米和纳米尺度的光波导、光栅、超表面（Metasurface）进行精确设计与性能预测。详细解析了光子晶体（Photonic Crystals）的带隙理论及其在光限制与传输中的应用。讨论了如何通过精确调控材料的折射率分布和几何形貌，实现对光传播路径、偏振态及光谱响应的灵活操控。 第三章：半导体光电器件物理 聚焦于构成现代光电器件的核心——半导体异质结与量子阱结构。本章详细剖析了激光器（LD）、光电探测器（PD）和调制器的工作机制。对于激光器，深入分析了阈值电流密度、微分量子效率以及光束质量的限制因素。在探测器方面，重点讨论了雪崩光电二极管（APD）和光电导型探测器的噪声特性与带宽限制。此外，还引入了基于III-V族和新型二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物）制备光电器件的最新进展。 第二部分：光电系统的前沿应用与集成 本部分将理论知识应用于具体的工程实践，涵盖了高速光通信、高精度传感以及新型光电子集成技术。 第四章：高速光通信与光网络 本章深入研究了下一代超高速、大容量光通信系统的关键技术。内容包括：相干光通信系统中的偏振复用（PDM）和正交幅度调制（QAM）技术，以及前向纠错（FEC）算法的最新发展。重点讨论了光纤色散、非线性效应的抑制策略，特别是利用数字信号处理（DSP）技术实现高阶调制格式的解调与补偿。此外，还探讨了空分复用（SDM）技术在提升信道容量方面的潜力。 第五章：先进光传感技术与应用 本章系统介绍了基于光干涉、布里渊散射、拉曼散射等原理构建的高灵敏度光传感系统。详细阐述了基于光纤布拉格光栅（FBG）的应力、温度监测技术，以及利用SPR（表面等离子体共振）原理实现生物、化学物质的快速、无损检测。特别关注了分布式光纤传感（DOS）技术在基础设施健康监测、周界安防中的应用，包括分布式温度、应变及振动传感的信号处理流程与精度提升方法。 第六章：光电子集成与异构集成 本章探讨了如何将光功能单元与电子控制单元集成于同一芯片平台，以实现系统的小型化、低功耗和高可靠性。详细介绍了硅光子学（Silicon Photonics）平台，包括SOI（绝缘体上硅）波导的损耗特性、耦合技术（如光栅耦合器、端面耦合器）以及硅基调制器（如马赫-曾德尔调制器）的驱动电路优化。同时，比较了光子集成电路（PIC）与III-V族半导体激光器之间的键合集成技术（如III-V/Silicon异质集成），以解决硅基材料自身缺乏有效光源的问题。 第三部分：光电信息处理与新兴领域 本部分展望了光电技术在人工智能、计算以及显示领域的前沿突破。 第七章：光计算与神经形态光学 本章阐述了利用光波的并行处理能力实现超越传统电子计算的潜力。详细分析了基于光学线性变换的信号处理方法，以及如何利用非线性光学元件实现逻辑运算。重点介绍了基于模拟深度学习网络的光学加速器设计，包括利用可重构的反射镜阵列或液晶可调谐器件构建权重矩阵。对于神经形态计算，讨论了如何模拟生物神经元的脉冲发放和突触可塑性。 第八章：新型显示与成像技术 本章聚焦于高分辨率、高对比度的新型光电显示技术。详细介绍了微显示技术，如基于MEMS（微机电系统）的数字光处理（DLP）技术的工作原理，以及量子点（Quantum Dots）在提升显示色域和能效方面的作用。在成像方面，深入探讨了计算成像（Computational Imaging）的基本概念，包括单像素相机、计算全息成像以及利用压缩感知理论优化低数据量成像系统的重建算法。 第九章：先进光电材料与器件 本章关注支撑光电技术未来发展的关键新材料。详细分析了钙钛矿材料在光伏和光电探测器中的应用优势与稳定性挑战。探讨了二维材料（如MoS2、WSe2）在超快光响应器件中的应用潜力。此外，还深入讨论了新型非线性晶体材料的制备及其在高次谐波产生、频率转换等非线性光学过程中的应用前景。 全书结构严谨，理论阐述深入浅出，结合了大量的工程实例和最新的研究成果，是理解和掌握当代光电信息技术最新进展的权威参考书。
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