潘時(shí)龍，呂躍廣等：微波光子學(xué) | 國(guó)家出版基金項(xiàng)目

微波光子學(xué)(microwave photonics，MWP)是一門(mén)融合微波技術(shù)與光子技術(shù)的交叉學(xué)科，可實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、處理、控制和測(cè)量，涉及的信號(hào)頻率范圍從數(shù)十兆赫茲的射頻頻段到數(shù)百太赫茲的光學(xué)頻段。該領(lǐng)域結(jié)合了微波技術(shù)和光子技術(shù)的各自優(yōu)勢(shì)，具有帶寬大、速度快、并行處理能力強(qiáng)、損耗低、快速可重構(gòu)和抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，有望突破傳統(tǒng)微波技術(shù)的若干瓶頸，為電子信息系統(tǒng)向?qū)拵Щ⒅悄芑⑤p薄化發(fā)展提供有效的技術(shù)路徑，在雷達(dá)、頻譜管控、電子對(duì)抗、無(wú)線通信、無(wú)線傳感、儀器儀表等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。

微波光子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

微波光子學(xué)的基本概念

雖然微波和光波都屬于電磁波，但光波頻率相比微波頻率要高3~5個(gè)數(shù)量級(jí)，該特性使得光器件相比于微波器件有著更大的工作帶寬，可通過(guò)波分復(fù)用實(shí)現(xiàn)信號(hào)并行傳輸和處理；且由頻率特性可知，微波的波長(zhǎng)尺度在厘米級(jí)至毫米級(jí)，而光波的波長(zhǎng)尺度在微米級(jí)，因此，部分光器件(如光波導(dǎo)、光柵濾波器、微環(huán)諧振器、檢偏器等)的特征尺寸理論上可達(dá)到微波器件的千分之一；此外，光在波導(dǎo)中的模式分布、偏振狀態(tài)也可用于攜帶信息，提供更多的復(fù)用資源，有助于實(shí)現(xiàn)高集成密度的微波光子功能芯片。

在信號(hào)傳輸方面，微波信號(hào)通常在同軸電纜中傳輸，該過(guò)程在導(dǎo)體表面附近的區(qū)域產(chǎn)生交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體表面的電子進(jìn)行周期性振蕩，從而形成了“表面電流”。該電流在傳輸過(guò)程中會(huì)受到材料電阻的影響而損失能量。同時(shí)，對(duì)于高頻微波信號(hào)，導(dǎo)體中的電流集中在表面的薄層區(qū)域附近，這一現(xiàn)象被稱為趨膚效應(yīng)(skin effect)。微波頻率越高，趨膚效應(yīng)越顯著，使得有效傳輸路徑變窄，傳輸損耗進(jìn)一步增大。相比之下，光波可以在絕緣透明介質(zhì)中直接傳播，不需要依賴材料內(nèi)的電荷或電子振蕩，即不受導(dǎo)電損耗和趨膚效應(yīng)的影響，從而具備了寬帶、平坦的傳輸特性。光信號(hào)在波導(dǎo)中的損耗主要來(lái)源于材料的吸收和散射。在光纖發(fā)明后，人們發(fā)現(xiàn)其在通信波段(1550nm)的傳輸損耗極低(典型值為0.2dB/km)，這使得光波具備長(zhǎng)距離傳輸能力。

微波光子鏈路的基本結(jié)構(gòu)

微波光子學(xué)的核心在于將微波和光波融合，該融合涉及如何高效地實(shí)現(xiàn)微波與光波之間的相互轉(zhuǎn)換。目前，微波到光波的轉(zhuǎn)換依賴于某些具有電光效應(yīng)的材料(如鈮酸鋰、磷化銦等)，微波信號(hào)作為外加電場(chǎng)作用于電光材料上時(shí)，以線性或非線性的形式改變材料的折射率，影響波導(dǎo)中光波的傳播速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的相位調(diào)制。通過(guò)人為引入特定的光路干涉結(jié)構(gòu)可分別實(shí)現(xiàn)具有如雙邊帶(double-sideband，DSB)調(diào)制、單邊帶(single-sideband，SSB)調(diào)制、抑制載波雙邊帶(carrier suppressed double-sideband，CS-DSB)調(diào)制、移頻(frequency shift，F(xiàn)S)調(diào)制以及偏振調(diào)制(polarization modulation，PolM)等功能的調(diào)制器。此外，通過(guò)改變材料中的載流子分布，在合適的器件結(jié)構(gòu)下可實(shí)現(xiàn)高頻微波到光波的轉(zhuǎn)換，如直調(diào)激光器、基于載流子色散效應(yīng)的硅基調(diào)制器、電吸收調(diào)制器等，但載流子的變化往往會(huì)同時(shí)改變光波的幅度和相位，該幅相耦合效應(yīng)在某些場(chǎng)合下會(huì)對(duì)后續(xù)的信號(hào)傳輸和調(diào)控產(chǎn)生負(fù)面影響。另一方面，光波到微波的轉(zhuǎn)換主要依賴于光電效應(yīng)，當(dāng)光波照射到半導(dǎo)體材料(如硅、砷化鎵等)時(shí)，光子攜帶的能量會(huì)被材料中的電子吸收，使電子獲得能量躍遷到更高的能級(jí)，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這些電子和空穴在電場(chǎng)作用下形成電流，進(jìn)而輸出電信號(hào)。通過(guò)光電效應(yīng)可以構(gòu)建光電探測(cè)器(photoelectric detector，PD)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的包絡(luò)檢波并將該包絡(luò)轉(zhuǎn)換為微波信號(hào)。

微波光子學(xué)主要研究體系

微波光子學(xué)的研究?jī)?nèi)容非常廣。《微波光子學(xué)》基于作者團(tuán)隊(duì)及國(guó)內(nèi)外同行在微波光子學(xué)領(lǐng)域多年的研究成果，圍繞上述研究體系，系統(tǒng)梳理并闡述了微波光子學(xué)的理論體系、基礎(chǔ)器件、關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用成效。

微波光子學(xué)

潘時(shí)龍，呂躍廣等編著

北京: 科學(xué)出版社, 2025. 10

(微波光子技術(shù)叢書(shū))

ISBN 978-7-03-080336-8

潘時(shí)龍，教授，國(guó)家級(jí)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，國(guó)家級(jí)高層次人才工程入選者，IEEE Fellow。南京航空航天大學(xué)校長(zhǎng)助理，微波光子技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。主要研究微波光子學(xué)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用等。主持國(guó)家自然科學(xué)基金委重大儀器項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、專用領(lǐng)域重大重點(diǎn)等項(xiàng)目多項(xiàng)。發(fā)表SCI 論文300余篇，其中IEEE期刊特邀論文15篇。成果獲國(guó)防技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、教育部科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、江蘇省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等。目前擔(dān)任中國(guó)光學(xué)工程學(xué)會(huì)執(zhí)行秘書(shū)長(zhǎng)、IEEE MTT-S微波光子技術(shù)學(xué)會(huì)副主席、PhotoniX Synergy執(zhí)行主編等。曾獲得中國(guó)青年五四獎(jiǎng)?wù)隆⒅袊?guó)青年科技獎(jiǎng)、江蘇十佳研究生導(dǎo)師等榮譽(yù)。

呂躍廣，中國(guó)工程院院士，電子信息技術(shù)專家，中央軍委科學(xué)技術(shù)委員會(huì)常任委員，國(guó)家人工智能科技重大專項(xiàng)戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)委員，國(guó)電子學(xué)會(huì)理事，國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)（SPIE）、美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）會(huì)員。長(zhǎng)期從事特種電子信息系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與研制工作，在空間信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制、微弱信號(hào)分析識(shí)別等方面取得多項(xiàng)重大技術(shù)突破。曾獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)4項(xiàng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、部委級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)5項(xiàng)，國(guó)家發(fā)明專利10項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表文章40余篇，出版專著3部。

全書(shū)以“基礎(chǔ)—技術(shù)—應(yīng)用”為邏輯主線，第1 章概述微波光子學(xué)基本概念、特點(diǎn)、發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀、主要研究?jī)?nèi)容；第2 章聚焦微波光子學(xué)基礎(chǔ)器件，介紹激光器、光放大器、電光調(diào)制器、光電探測(cè)器、光纖、光濾波器等關(guān)鍵有源、無(wú)源微波光子器件的實(shí)現(xiàn)原理、主要結(jié)構(gòu)和指標(biāo)參數(shù)；第3 章深入探討微波光子鏈路的分類、主要參數(shù)，以及大動(dòng)態(tài)微波光子鏈路的實(shí)現(xiàn)方法；第4 章介紹微波光子信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)，包括單頻本振與寬帶信號(hào)產(chǎn)生；第5 章分別闡述微波光子時(shí)域、空域、頻域等信號(hào)處理方法，包括頻率變換、信道化、波束形成等；第6 章介紹微波光子模數(shù)轉(zhuǎn)換的原理、主要參數(shù)，以及光采樣電量化模數(shù)轉(zhuǎn)換、光學(xué)時(shí)間拉伸模數(shù)轉(zhuǎn)換和光量化模數(shù)轉(zhuǎn)換；第7 章介紹微波光子信號(hào)測(cè)量技術(shù)在頻域、時(shí)域、空域和能量域等參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用；第8 章介紹集成微波光子技術(shù)的發(fā)展與芯片化實(shí)現(xiàn)；第9 章詳述微波光子技術(shù)在雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信、傳感等領(lǐng)域的典型應(yīng)用。

致謝

感謝國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等的資助。本書(shū)是集體智慧的結(jié)晶。本書(shū)編寫(xiě)過(guò)程中獲得中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所的周濤、陳智宇，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所的瞿鵬飛、肖永川、劉鵬浩、王立、張永恒、陳諾，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所的王凱，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的李明、郝騰飛、石暖暖，電子科技大學(xué)的劉永、張旨遙，西南交通大學(xué)的鄒喜華、盧冰，北京大學(xué)的王興軍、舒浩文，上海交通大學(xué)的周林杰，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所的錢(qián)廣、黃夢(mèng)昊，浙江師范大學(xué)的陳浩，北京理工大學(xué)的張偉峰、王彬，南京航空航天大學(xué)天元實(shí)驗(yàn)室的張亞梅、朱丹、王立晗、王祥傳、袁偉浩、張方正、唐震宙、薛敏、徐忠揚(yáng)、何吉駿、丁杰文、劉世鋒、李思敏、湯曉虎、蔡宇翔、邵琨麟、李平、高鵬輝、徐泰祺、袁振濤、章志健、張?jiān)品⒋廾髁痢⒋揞！⒂嘈ぴ隆⑴酥揸?yáng)、孫修遠(yuǎn)、劉銘圳、劉熙、巨宗鑫、倪博陽(yáng)、李子良、丁澤勇、江榕天、徐上哲、李肇昱、李金虎、衡雨清、楊坤錢(qián)、宗夢(mèng)雅、吳庚澤、李志鵬、張雅薇、郭嘉城、車治暢、吳浩然、溫戰(zhàn)耀、申家琪、王雨航、圣秋華、葛嘉煒、張羽、成鳳、何昱輝、李鶴武、楊麗、杜長(zhǎng)龍、錢(qián)逸倫、鄭哲楷、趙曉卓、王昊等的幫助，部分章節(jié)內(nèi)容由他們撰寫(xiě)或包含他們的成果，在此深深致謝。

本文摘編自《微波光子學(xué)》（潘時(shí)龍等編著. 北京: 科學(xué)出版社, 2025. 10）一書(shū)“前言”“第1章 緒 論”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

(微波光子技術(shù)叢書(shū))

ISBN 978-7-03-080336-8

責(zé)任編輯：惠 雪

微波光子學(xué)作為融合微波技術(shù)與光子技術(shù)的交叉學(xué)科，可實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、處理、控制和測(cè)量，在雷達(dá)、電子對(duì)抗、無(wú)線通信、傳感等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。本書(shū)系統(tǒng)梳理了微波光子學(xué)的基本理論、發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀及核心技術(shù)，對(duì)該領(lǐng)域的關(guān)鍵成果進(jìn)行全面總結(jié)。本書(shū)主要分為三部分：第一部分（第1 章~第3 章）介紹微波光子學(xué)的概念內(nèi)涵、基本器件與鏈路模型；第二部分（第4 章~第7 章）介紹微波光子學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)，包括微波光子信號(hào)產(chǎn)生、處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和測(cè)量等；第三部分（第8 章~第9 章）介紹微波光子學(xué)的集成芯片發(fā)展現(xiàn)狀，以及在雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信和傳感等領(lǐng)域的典型應(yīng)用。

本書(shū)可供微波技術(shù)、光子學(xué)、光通信、雷達(dá)及相關(guān)交叉領(lǐng)域的研究人員和工程技術(shù)人員使用，也可作為高 等學(xué)校相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生和研究生的學(xué)習(xí)參考書(shū)。

（本文編輯：劉四旦）

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