前言

在“新工科2.0”倡导的跨学科融合浪潮中，人工智能正与光电子、量子信息、先进材料等前沿技术深度耦合，重塑“感算存”一体化的教学与科研范式。本书立足教育强国、数字中国、科技自立自强的时代需求，汇聚5位作者10余年的研究积淀，系统展示“把计算挤进光场”的全栈路线图。

本书紧扣全球最新科技脉搏： 从GPT4o掀起的“千亿参数×千倍算力”浪潮，到Meta Reality Optics、Intel Ponte Vecchio、Nvidia Blackwell B200等硅光Chiplet异构集成，再到SPIE Photonics West 2025发布的10GHz低阈值钙钛矿激光阵列、DARPA Neuromorphic Photonic Links计划、欧盟Chips Act加速的3D封装矽光晶圆厂，这些前沿突破共同指向“以光驭智、形随算生”的技术范式转移。本书以跨学科透视为经线、以产业趋势洞察为纬线，将光电材料、器件、系统与大模型算法的协同演化置于同一坐标系中，帮助读者在瞬息万变的科技版图中迅速定位自己的研究切入点与创新增量。

相比以往偏重单一角度的专著，本书突出四大特色： 

(1) 全栈贯通——自“原子比特”协同设计起步，延伸至“光域 MACDSPAI”一体化部署。

(2) 双轮驱动——每章同步给出“理论工程”双闭环实验脚本，配套Python/MATLAB代码、开源Verilog IP、Silicon Photonics版图与GitHub数据集。

(3) 场景牵引——以“东数西算”“算力网络”“低空经济”“AI+安全”等国家重大需求为应用锚点，提供从实验室TRL3到产业化TRL7的渐进路线。

(4) 教学共创——配套60+小时可插拔微课、在线仿真沙盒与科创赛题模板，助力高校“新工科2.0”教研赛一体化升级。借助这套“概念地图+实验工具箱+产业路线图”，读者不仅能理解光算融合的原理，更能亲手将其转化为可验证、可落地、可迭代的创新方案。

第1章由许雪梅执笔，首先从历史脉络与技术图谱切入，阐释光电子与人工智能融合为何成为打破分辨率、带宽与能效“三重枷锁”的关键，并构建“材料—器件—系统—网络”四层螺旋式进阶框架，为读者勾勒后续章节的逻辑主线。第2章由丁一鹏执笔，展示如何将可编程超表面嵌入毫米波雷达链路，打造“光电双域探测器”，在智能交互场景下实现厘米级位姿捕捉与呼吸、心率同步感知。第3章由邓晓衡执笔，聚焦从石墨烯、钙钛矿到可编程超表面的材料进化，详述人工智能逆向设计如何将原子级参数直接映射到宏观器件性能，呈现“算法写材料”的全新范式。第4章由许雪梅执笔，以单像素动态体素成像器、衍射网络光谱编码和长波红外超表面边缘滤波“三记连环技”证明，卷积核可以被“光学化”并在零功耗前端完成高光谱重建和机器视觉。第5章由许雪梅执笔，聚焦三维堆叠互补金属氧化物半导体图像传感器、事件相机与片上神经网络处理单元，阐释图像传感器如何在硬件层面进化为“第一层神经元”，真正做到传感即计算。第6章由黄端、石金晶和许雪梅联合撰写，面向量子信息安全，提出将量子密钥分发与大模型调度融合的自适应方案，描绘千公里纠缠链路与卫星光纤混合网络的“绝对安全”通信蓝图。第7章由许雪梅执笔，介绍可训练衍射镜头、硅光马赫曾德尔干涉仪卷积以及多谱融合变换器网络，让相机达到“拍照即算”的毫秒级推理速度。第8章由许雪梅完成，聚焦12THz超宽带光纤，借助自适应矩估计优化算法及自补偿DSP重塑传输极限，并勾勒智慧光纤与算力网络深度耦合的未来。全书由许雪梅和邓晓衡统筹完成。

全书采用“概念地图—设计思想—案例实验”的三段式结构，既可服务“光电子学”“先进传感器技术”“光纤通信”“计算机视觉”“人工智能基础”等课程的模块化融入，也能为研究生科创竞赛提供实战脚本； 在科研层面，给出FLOP、PSNR、BER、Qfactor 等硬指标及完整实验链条，方便读者快速复现与二次开发； 在产业层面，涵盖雷达光电融合安防、低功耗机器视觉、量子安全通信、12THz智慧光网等应用场景，对接“东数西算”“算力网络”“AI+安全”等国家重大需求。

本书的编写参考了国际重要期刊的论文与著作，并得到了多方支持，在此表示感谢。衷心感谢何军校长对整体框架的指导与实验平台的提供； 感谢中南大学电子信息学院邓晓衡院长、李长庚书记、石金晶副院长与自动化学院蒋朝辉教授的国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(No.61927803)、

许雪梅主持的湖南省教改课题“光电子学”精品示范课程、中南大学电子信息学院学科建设项目、邓晓衡教授主持的2025年中南大学研究生教改课题的资助项目（No.2025jy099）和2025年湖南省教改课题“光电子学”精品示范课程的鼎力协助； 感谢陈雪、徐雷、田洁、孟德伟和唐爽在内容编排上的辛勤付出； 更要感谢编者家人的理解、鼓励与无私奉献。

当激光相位与深度网络权重在同一块硅片上迭代，当量子纠缠与算力路由在同一条光纤中自适应，当智能传感成为课堂与实验室的常态，本书所描绘的“光子与智慧的对话”便从愿景走向现实。愿读者在这束跨学科之光的折射中，把握未来十年光算融合的无限机遇。

编者

2026年5月湖南·长沙·中南大学