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。

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

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稳定时间极短，跳频速度可提升多个数量级；*后，光信号处理支持多通道并行处理，信号传输时延即为处理时间，因而可以实现大带宽、高密度信号（百万脉冲/秒）的实时流水处理。在“慢”方面，光器件正反向传输隔离度高，辅以宽带有源对消，可形成全时全双工系统，支持长时间相参累积；另外，光纤的低损耗特性使其可以实现光载射频信号的“秒”级长时延，而片上光波导又可以实现皮秒（ps，即10？12s）级的延时精度，时间维度调节范围大。
　　空域宽开空域宽开是指微波光子技术有助于实现微波信号空间域大范围覆盖。例如，光延时线可提供真时延（truetimedelay，TTD），其在宽带范围内具有平坦的响应特性，可用于解决传统相控阵的波束倾斜等难题，实现单站系统的宽带宽角波束扫描；光域具有丰富的可复用资源，支持全孔径多波束的形成，实现高增益、宽空域凝视等功能；光纤传输损耗在高频情况下比同轴电缆低4个数量级，有利于构建大区域范围内的多站分布式协同系统，从而有效提升微波信号的空间覆盖范围。
　　频域宽开正如1.1.1节所述，光波频率要比微波频率高3～5个数量级，因而其承载和处理的带宽可提升多个量级，且宽带范围内幅相一致性好；微波光子调制解调器件具有大的工作带宽（当前覆盖0.1～500GHz），可以实现跨多个频段的信号处理（包括光子辅助上下变频、光子辅助射频滤波、光子辅助射频信道化等）。当然，在“时域宽开”“空域宽开”部分提及的高速跳频、多通道并行处理、宽带宽角波束扫描等也是微波光子技术频域宽开能力的体现。
　　能量域宽开光延时单元可突破传统相控阵的孔径渡越难题，支持更大规模阵列的高效能量合成；超窄光脉冲在时频域具有超高的相参性和稳定性，可支持系统实现长时间和大带宽能量累积；光电混合振荡等方法可实现超低相位噪声的本振信号，有助于提升发射信号的信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）和回波信号的相参累积效果。同时，光域噪声中有相当一部分为加性噪声，可通过对消方式消除，从而提高系统灵敏度。
　　此外，光子系统的集成潜力大，且抗电磁干扰，可以实现较高的集成密度，满足小型化平台的使用需求；光域具有丰富的频谱资源及空间域、偏振域额外的自由度，可提供更多的复用维度，人们通过波分复用、偏振复用和空分复用等方式可以以较少的硬件资源实现复杂的系统功能。
　　微波光子技术的上述特点，使其能够突破传统电学系统的多项关键瓶颈，使高速感知和操控微波信号的时间域、空间域、频率域、能量域分布成为可能，有望大幅提升雷达、频谱管控、电子对抗、无线通信、无线传感、仪器仪表等电子信息系统的关键性能，为电磁领域的创新突破提供可行路径。
　　1.2微波光子学的发展历史
　　微波光子学这一术语源于1991年的德国科学家J？ger[2]发表的一篇会议论文。同年，IEEE激光和光电子学会（现为IEEE光子学会，IEEE Photonics Society）、IEEE微波理论与技术学会（IEEE Microwave Theory and Technology Society）及美国光学学会（Optica，原Optical Society of America）等共同组织了以“光学毫米波相互作用”（Optical Millimeter-Wave Interactions）为主题的国际会议，这是国际上*个以微波光子学为主题的国际会议，引起了学术界的巨大反响。1993年开始，IEEE每年均举办“微波光子学国际专题会议”（International Topical Meeting on Microwave Photonics）。同时，国际期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques和Journal of Lightwave Technology每隔一段时间会推出以“微波光子学”为主题的特刊。自2015年起，中国光学工程学会每年举办微波光子学技术及应用会议。这些学术活动使微波光子学的影响力逐渐扩大，并得到越来越多研究人员的关注。回顾历史，微波光子学的发展可分为萌芽起步、技术探索、加速推进、系统集成等4个阶段。
　　1.2.1萌芽起步阶段（1960～1975年）
　　1960年开始，微波光子学涉及的核心器件，如激光器、光纤、高速调制器和探测器等核心元器件陆续被发明。虽然这些发明在一开始并不是为了微波光子学的研究，但它们为微波光子学的诞生打下了坚实的基础。
　　光电转换的*早理论源于爱因斯坦于1905年所提出的光电效应，爱因斯坦因此获得1921年的诺贝尔物理学奖；1930年，苏联物理学家Kubetsky提出光电倍增管雏形[4]，其通过级联的发射极将微弱的光电流放大103～10？倍；1936年，美国无线电公司（Radio Corporation of America）研制了*个可商用化的光电倍增管[5]，在800nm的光波长下能够实现0.4%的光电转换量子效率，但是光电倍增管体积较大，工作时需要高压供电，因此其使用场景受限；第二次世界大战后，随着半导体技术的发展，研究人员不断尝试使用各种新型材料构建光电探测器；1955年起，美国逐步生产以硫化铅、硒化铅、碲化铅探测器作为红外导引头的制导导弹[6]，随后在民用领域，光电探测技术也得到一定程度的发展和应用。电光调制的出现则要追溯到1944年，Zwicker利用KH2PO4和KD2PO4材料实现了直流电信号对光信号的调制；到1949年，Billings利用KH2PO4和NH4H2PO4材料构建了1MHz带宽的电光调制器（electro-optic modulator，EOM）[7]；1973年，基于铌酸锂（LiNbO3）材料的电光调制器问世[8]，该调制器的体积、效率、功耗和带宽等指标显著提升，为微波光子学的发展奠定了重要基础。在此时期内，激光器也随之问世。激光器的理论基础由爱因斯坦在1917年提出，但直到1958年人们才提出激光器的概念[9]；1960年，美国科学家梅曼（Maiman）研制出**台脉冲式的红宝石激光器[10]；1961年，**台连续波激光器被发明[11]。另一个划时代的研究成果源自1966年，华裔物理学家高锟证明了用石英基玻璃纤维可实现长距离信息传递[12]，这项发现被人们认为是商用化光纤研究的起点，高锟也因此获得2009年的诺贝尔物理学奖。1970年，美国康宁公司的RobertD.Maurer等设计并研制出世界**根低损耗石英光纤，损耗为20dB/km，证明了其具备用于信号传输的潜力。
　　在关键元器件取得进展的基础上，1961年，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Holshouser*次构建出微波光子空间链路[13]，他将强度调制后的光载微波信号用于空间测距，光信号的回波经光电转换后恢复出微波信号，其相移直