内容简介
微波光子学作为融合微波技术与光子技术的交叉学科，可实现微波信号的产生、传输、处理、控制和测量，在雷达、电子对抗、无线通信、传感等领域具有广泛应用前景。《微波光子学》系统梳理了微波光子学的基本理论、发展历程、研究现状及核心技术，对该领域的关键成果进行全面总结。《微波光子学》主要分为三部分：**部分（第1章～第3章）介绍微波光子学的概念内涵、基本器件与链路模型；第二部分（第4章～第7章）介绍微波光子学的关键技术，包括微波光子信号产生、处理、模数转换和测量等；第三部分（第8章～第9章）介绍微波光子学的集成芯片发展现状，以及在雷达、电子对抗、通信和传感等领域的典型应用。
精彩书摘
第1章绪论
微波光子学（microwave photonics，MWP）这一术语是由德国科学家J？ger在1991年提出[1，2]，但具有微波光子学内涵的研究可以追溯到1961年美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校由Holshouser构建的**个微波光子链路[3]。经过数十年的发展，微波光子技术逐步成熟，并在雷达、频谱管控、电子对抗、无线通信、无线传感、仪器仪表等领域展现出广泛的应用前景。近年来，随着新一代移动通信、太赫兹（THz）、高分辨雷达、电磁频谱认知与管控、卫星互联网、超宽带（ultra-wideband，UWB）无线定位、多功能射频等技术的快速发展，微波光子学的应用潜力有望进一步释放。
本章*先阐释微波光子学的概念内涵，然后介绍微波光子学的起源、发展和研究现状，*后讨论微波光子学的主要研究范畴并概述本书各章内容。
1.1微波光子学的概念内涵
1.1.1微波光子学的概念
微波光子学是一门融合微波技术与光子技术的交叉学科，可实现微波信号的产生、传输、处理、控制和测量，涉及的信号频率范围从数十兆赫兹的射频频段到数百太赫兹的光学频段。该领域结合了微波技术和光子技术的各自优势，具有带宽大、速度快、并行处理能力强、损耗低、快速可重构和抗电磁干扰能力强等特点，有望突破传统微波技术的若干瓶颈，为电子信息系统向宽带化、智能化、轻薄化发展提供有效的技术路径，在雷达、频谱管控、电子对抗、无线通信、无线传感、仪器仪表等领域有着重要的应用前景。
虽然微波和光波都属于电磁波，但光波频率相比微波频率要高3～5个数量级，该特性使得光器件相比于微波器件有着更大的工作带宽，可通过波分复用实现信号并行传输和处理；且由频率特性可知，微波的波长尺度在厘米级至毫米级，而光波的波长尺度在微米级，因此，部分光器件（如光波导、光栅滤波器、微环谐振器、检偏器等）的特征尺寸理论上可达到微波器件的千分之一；此外，光在波导中的模式分布、偏振状态也可用于携带信息，提供更多的复用资源，有助于实现高集成密度的微波光子功能芯片。
在信号传输方面，微波信号通常在同轴电缆中传输，该过程在导体表面附近的区域产生交变的电场和磁场，驱动导体表面的电子进行周期性振荡，从而形成了“表面电流”。该电流在传输过程中会受到材料电阻的影响而损失能量。同时，对于高频微波信号，导体中的电流集中在表面的薄层区域附近，这一现象被称为趋肤效应（skin effect）。微波频率越高，趋肤效应越显著，使得有效传输路径变窄，传输损耗进一步增大。相比之下，光波可以在绝缘透明介质中直接传播，不需要依赖材料内的电荷或电子振荡，即不受导电损耗和趋肤效应的影响，从而具备了宽带、平坦的传输特性。光信号在波导中的损耗主要来源于材料的吸收和散射。在光纤发明后，人们发现其在通信波段（1550nm）的传输损耗极低（典型值为0.2dB/km），这使得光波具备长距离传输能力。
微波光子学的核心在于将微波和光波融合，该融合涉及如何高效地实现微波与光波之间的相互转换。目前，微波到光波的转换依赖于某些具有电光效应的材料（如铌酸锂、磷化铟等），微波信号作为外加电场作用于电光材料上时，以线性或非线性的形式改变材料的折射率，影响波导中光波的传播速度，从而实现对光波的相位调制。通过人为引入特定的光路干涉结构可分别实现具有如双边带（double-sideband，DSB）调制、单边带（single-sideband，SSB）调制、抑制载波双边带（carrier suppressed double-sideband，CS-DSB）调制、移频（frequency shift，FS）调制以及偏振调制（polarization modulation，PolM）等功能的调制器。此外，通过改变材料中的载流子分布，在合适的器件结构下可实现高频微波到光波的转换，如直调激光器、基于载流子色散效应的硅基调制器、电吸收调制器等，但载流子的变化往往会同时改变光波的幅度和相位，该幅相耦合效应在某些场合下会对后续的信号传输和调控产生负面影响。另一方面，光波到微波的转换主要依赖于光电效应，当光波照射到半导体材料（如硅、砷化镓等）时，光子携带的能量会被材料中的电子吸收，使电子获得能量跃迁到更高的能级，从而产生电子-空穴对。这些电子和空穴在电场作用下形成电流，进而输出电信号。通过光电效应可以构建光电探测器（photoelectric detector，PD），实现对光信号的包络检波并将该包络转换为微波信号。
1.1.2微波光子学的特点
与传统电子技术相比，微波光子技术具有时间域（简称时域）、空间域（简称空域）、频率域（简称频域）和能量域宽开的特点，具体如下。
时域宽开时域宽开是指微波光子技术既可以产生和处理快变信号，又可以操作慢变信号。在“快”方面，*先，光的波长极短，利用光学方法可产生飞秒（fs，即10？15s），甚至阿秒（as，即10？18s）级别的超短脉冲，具备驱动超快开关的潜力；其次，光学振荡腔的长度为微波振荡腔的1/1000及以下，改变激光波长所需的
目录
目录
第1章 绪论 1
1.1 微波光子学的概念内涵 1
1.2 微波光子学的发展历史 4
1.3 微波光子学的研究现状 8
1.4 微波光子学的主要研究内容 12
参考文献 17
第2章 微波光子器件 23
2.1 激光器 23
2.2 光放大器 31
2.3 电光调制器 36
2.4 光电探测器 42
2.5 光纤 51
2.6 光滤波器 65
2.7 其他器件 79
参考文献 86
第3章 微波光子链路 92
3.1 微波光子链路及其分类 92
3.2 微波光子链路的主要参数 96
3.3 大动态微波光子链路的实现方法 110
参考文献 122
第4章 微波光子信号产生 124
4.1 微波光子信号产生的基本原理 124
4.2 微波光子本振信号产生 130
4.3 微波光子宽带波形产生 152
参考文献 168
第5章 微波光子信号处理 173
5.1 微波光子信号处理的概念及研究体系 173
5.2 微波光子时域信号处理 175
5.3 微波光子空域信号处理 178
5.4 微波光子频域信号处理 186
5.5 微波光子变换域信号处理 208
参考文献 221
第6章 微波光子模数转换 229
6.1 微波光子模数转换的原理 229
6.2 微波光子模数转换的主要参数 245
6.3 光采样电量化模数转换 254
6.4 光学时间拉伸模数转换 267
6.5 光量化模数转换 281
参考文献 285
第7章 微波光子信号测量 288
7.1 微波光子频域测量 288
7.2 微波光子时域测量 304
7.3 微波光子空域测量 308
7.4 微波光子能量域测量 330
参考文献 337
第8章 微波光子集成 347
8.1 微波光子集成的材料体系 347
8.2 微波光子集成工艺 355
8.3 微波光子芯片封装测试技术 358
8.4 典型微波光子集成芯片 368
参考文献 397
第9章 微波光子系统应用 409
9.1 微波光子学在雷达领域的应用 409
9.2 微波光子学在电子对抗领域的应用 423
9.3 微波光子学在通信领域的应用 436
9.4 微波光子学在传感领域的应用 450
参考文献 463
索引 475
试读
第1章绪论
微波光子学（microwave photonics，MWP）这一术语是由德国科学家J？ger在1991年提出[1，2]，但具有微波光子学内涵的研究可以追溯到1961年美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校由Holshouser构建的**个微波光子链路[3]。经过数十年的发展，微波光子技术逐步成熟，并在雷达、频谱管控、电子对抗、无线通信、无线传感、仪器仪表等领域展现出广泛的应用前景。近年来，随着新一代移动通信、太赫兹（THz）、高分辨雷达、电磁频谱认知与管控、卫星互联网、超宽带（ultra-wideband，UWB）无线定位、多功能射频等技术的快速发展，微波光子学的应用潜力有望进一步释放。
本章*先阐释微波光子学的概念内涵，然后介绍微波光子学的起源、发展和研究现状，*后讨论微波光子学的主要研究范畴并概述本书各章内容。
1.1微波光子学的概念内涵
1.1.1微波光子学的概念
微波光子学是一门融合微波技术与光子技术的交叉学科，可实现微波信号的产生、传输、处理、控制和测量，涉及的信号频率范围从数十兆赫兹的射频频段到数百太赫兹的光学频段。该领域结合了微波技术和光子技术的各自优势，具有带宽大、速度快、并行处理能力强、损耗低、快速可重构和抗电磁干扰能力强等特点，有望突破传统微波技术的若干瓶颈，为电子信息系统向宽带化、智能化、轻薄化发展提供有效的技术路径，在雷达、频谱管控、电子对抗、无线通信、无线传感、仪器仪表等领域有着重要的应用前景。
虽然微波和光波都属于电磁波，但光波频率相比微波频率要高3～5个数量级，该特性使得光器件相比于微波器件有着更大的工作带宽，可通过波分复用实现信号并行传输和处理；且由频率特性可知，微波的波长尺度在厘米级至毫米级，而光波的波长尺度在微米级，因此，部分光器件（如光波导、光栅滤波器、微环谐振器、检偏器等）的特征尺寸理论上可达到微波器件的千分之一；此外，光在波导中的模式分布、偏振状态也可用于携带信息，提供更多的复用资源，有助于实现高集成密度的微波光子功能芯片。
在信号传输方面，微波信号通常在同轴电缆中传输，该过程在导体表面附近的区域产生交变的电场和磁场，驱动导体表面的电子进行周期性振荡，从而形成了“表面电流”。该电流在传输过程中会受到材料电阻的影响而损失能量。同时，对于高频微波信号，导体中的电流集中在表面的薄层区域附近，这一现象被称为趋肤效应（skin effect）。微波频率越高，趋肤效应越显著，使得有效传输路径变窄，传输损耗进一步增大。相比之下，光波可以在绝缘透明介质中直接传播，不需要依赖材料内的电荷或电子振荡，即不受导电损耗和趋肤效应的影响，从而具备了宽带、平坦的传输特性。光信号在波导中的损耗主要来源于材料的吸收和散射。在光纤发明后，人们发现其在通信波段（1550nm）的传输损耗极低（典型值为0.2dB/km），这使得光波具备长距离传输能力。
微波光子学的核心在于将微波和光波融合，该融合涉及如何高效地实现微波与光波之间的相互转换。目前，微波到光波的转换依赖于某些具有电光效应的材料（如铌酸锂、磷化铟等），微波信号作为外加电场作用于电光材料上时，以线性或非线性的形式改变材料的折射率，影响波导中光波的传播速度，从而实现对光波的相位调制。通过人为引入特定的光路干涉结构可分别实现具有如双边带（double-sideband，DSB）调制、单边带（single-sideband，SSB）调制、抑制载波双边带（carrier suppressed double-sideband，CS-DSB）调制、移频（frequency shift，FS）调制以及偏振调制（polarization modulation，PolM）等功能的调制器。此外，通过改变材料中的载流子分布，在合适的器件结构下可实现高频微波到光波的转换，如直调激光器、基于载流子色散效应的硅基调制器、电吸收调制器等，但载流子的变化往往会同时改变光波的幅度和相位，该幅相耦合效应在某些场合下会对后续的信号传输和调控产生负面影响。另一方面，光波到微波的转换主要依赖于光电效应，当光波照射到半导体材料（如硅、砷化镓等）时，光子携带的能量会被材料中的电子吸收，使电子获得能量跃迁到更高的能级，从而产生电子-空穴对。这些电子和空穴在电场作用下形成电流，进而输出电信号。通过光电效应可以构建光电探测器（photoelectric detector，PD），实现对光信号的包络检波并将该包络转换为微波信号。
1.1.2微波光子学的特点
与传统电子技术相比，微波光子技术具有时间域（简称时域）、空间域（简称空域）、频率域（简称频域）和能量域宽开的特点，具体如下。
时域宽开时域宽开是指微波光子技术既可以产生和处理快变信号，又可以操作慢变信号。在“快”方面，*先，光的波长极短，利用光学方法可产生飞秒（fs，即10？15s），甚至阿秒（as，即10？18s）级别的超短脉冲，具备驱动超快开关的潜力；其次，光学振荡腔的长度为微波振荡腔的1/1000及以下，改变激光波长所需的
