本书较为全面地介绍了微波光子学的产生背景、技术基础、基本方法和应用领域，重点介绍了在微波毫米波信号的光学产生及处理、射频任意波形产生、高速光编/解码、射频信号光传输(RoF)系统、微波阵列天线以及太赫兹技术等相关技术领域的微波光子学最新研究进展。

　　前 言
　　微波光子学产生于20世纪末期，近年获得快速发展并开始走向实用。20世纪末，人类进入信息社会，海量信息的处理与传输成为引领科学技术进步的引擎。为适应超高速传输与处理的需求，作为信息载体的电磁波的频率越来越高，毫米波、亚毫米波的开发与利用已成必然趋势。按照传统的方法，微波毫米波信号由电子器件产生和处理。无论是真空器件还是半导体器件，产生超高速振荡都无法回避一个基本的物理过程，即电子需要一定的时间渡越特定的空间。正是这一过程形成了借助电子器件产生超高速信号的基本限制，即所谓“速率瓶颈”。为克服电子器件的“速率瓶颈”问题，除了研发新材料、新技术以开发新型器件以外，人们又另辟蹊径，利用光子学方法产生和处理微波毫米波信号。于是在20世纪末一个新的交叉学科——微波光子学应运而生。
　　为跟踪学科的发展，作者于2003年开始为解放军理工大学的博士研究生开设了“微波光子学原理”课程，并编写了相应的校内教材。此后又陆续承担了多项国家自然科学基 　　前 言
　　微波光子学产生于20世纪末期，近年获得快速发展并开始走向实用。20世纪末，人类进入信息社会，海量信息的处理与传输成为引领科学技术进步的引擎。为适应超高速传输与处理的需求，作为信息载体的电磁波的频率越来越高，毫米波、亚毫米波的开发与利用已成必然趋势。按照传统的方法，微波毫米波信号由电子器件产生和处理。无论是真空器件还是半导体器件，产生超高速振荡都无法回避一个基本的物理过程，即电子需要一定的时间渡越特定的空间。正是这一过程形成了借助电子器件产生超高速信号的基本限制，即所谓“速率瓶颈”。为克服电子器件的“速率瓶颈”问题，除了研发新材料、新技术以开发新型器件以外，人们又另辟蹊径，利用光子学方法产生和处理微波毫米波信号。于是在20世纪末一个新的交叉学科——微波光子学应运而生。
　　为跟踪学科的发展，作者于2003年开始为解放军理工大学的博士研究生开设了“微波光子学原理”课程，并编写了相应的校内教材。此后又陆续承担了多项国家自然科学基金、 “863”、“973”、江苏省自然科学基金、国防预研基金等有关微波光子学的研究课题，取得了一些得到学术界公认的研究成果。考虑到国内尚未见系统介绍微波光子学原理及其应用的著作问世，笔者根据所编写的校内教材和近年所取得的学术成果写成了本书，旨在为相关学科的研究生及科技工作者提供一本参考书。希望本书的出版对国内的同行有所裨益。
　　本书的第1章概略介绍微波光子学的技术背景，目的是使读者对微波光子学的产生及其研究内容有一个大致的了解。第2章是光子技术基础，简略介绍光波导、激光器、光检测器的工作原理及其特性。第3章介绍一些新型光子器件，这些器件是产生、处理微波毫米波信号的物质基础。第4章讲述微波毫米波信号的光学产生与处理方法，这是微波光子学的基本内容。本章中有关光电振荡器的内容主要取材于笔者及其团队的研究成果。第5章介绍射频任意波形的光学产生方法，射频任意波形的产生及处理在微波测量、信号实时监测方面有重要的应用价值，深受国内外学术界的关注。第6章介绍基于光纤光栅的高速光编/解码与光码分多址(OCDMA)通信技术，本章主要反映作者及其团队的研究成果，笔者在这一领域的研究成果及其在光网络防截获中的应用受到了高度重视。第7章介绍光载射频(RoF)系统，RoF系统是微波光子学的重要应用领域，其最初的实际应用就是多路电视信号的光纤传输与分配，未来RoF技术将成为高速接入的支撑技术。第8章讲述相控阵天线相位控制网络的光学实现方法与技术，利用光延时实现微波信号的相位控制，从而实现对天线的波束控制具有很多优势，是微波光子学的重要应用领域。第9章讲述太赫兹波的产生与应用，太赫兹波的潜在应用范围很广，尤其是因其在安全领域的可能应用而备受关注。
　　本书的第１、2章由李玉权执笔，第4章、第6章、第8章和第9章由蒲涛执笔，第3章由方涛执笔，第5章由项鹏执笔，第7章由闻传花执笔，博士研究生刘颖、孙帼丹、熊景添、陈大雷、魏志虎参与了部分章节的撰写。作者的学生帮助绘制了本书的部分图表，他们是博士生刘双和陈寅芳，硕士生任珂、朱华涛和肖进良，对他们所付出的辛勤劳动，作者谨致深切的谢意。
　　微波光子学涉及微波理论与技术、光子学、电子学与器件等多学科领域的基础理论和专业知识。本书的作者尽管有多年从事电磁理论、微波技术、光通信等领域的教学科研工作经历，近年又参与微波光子学领域的教学与科研工作，取得了一些成果，但毕竟是一孔之见，书中出现不妥乃至错误之处在所难免，望读者不吝赐教。
　　作 者
　　2014.9于南京

 

第1章 绪论
1.1 微波光子学发展的技术背景
1.2 光子学技术的发展历程及最新进展
1.2.1 光纤技术
1.2.2 激光及光放大技术
1.2.3 光调制技术
1.2.4 光检测技术
1.2.5 光通信技术
1.3 微波毫米波技术的新进展
1.4 微波光子学的进展及应用
1.4.1 微波毫米波的光学产生方法
1.4.2 微波毫米波信号的光域处理
1.4.3 系统应用
第2章 光子技术基础
2.1 平面及条形光波导传输原理

第1章 绪论
1.1 微波光子学发展的技术背景
1.2 光子学技术的发展历程及最新进展
1.2.1 光纤技术
1.2.2 激光及光放大技术
1.2.3 光调制技术
1.2.4 光检测技术
1.2.5 光通信技术
1.3 微波毫米波技术的新进展
1.4 微波光子学的进展及应用
1.4.1 微波毫米波的光学产生方法
1.4.2 微波毫米波信号的光域处理
1.4.3 系统应用

第2章 光子技术基础
2.1 平面及条形光波导传输原理
2.1.1 薄膜波导
2.1.2 对称薄膜波导
2.2 条形光波导及带状波导
2.3 光纤中的传播模式
2.3.1 光纤中的电磁场方程
2.3.2 传播模式
2.4 光纤的色散特性
2.4.1 群速度色散
2.4.2 偏振模色散
2.5 光纤的非线性特性
2.5.1 光纤的非线性折射率
2.5.2 自相位调制(SPM)
2.5.3 交叉相位调制(XPM)
2.5.4 光孤子传输
2.5.5 四波混频
2.5.6 受激拉曼散射(SRS)
2.5.7 受激布里渊散射(SBS)
2.6 半导体激光器(LD)
2.6.1 半导体激光器的工作机理
2.6.2 半导体激光器的工作特性
2.7 半导体光检测器
2.7.1 光检测原理
2.7.2 pin光电二极管和雪崩光电二极管(APD)
2.7.3 响应度和量子效率
2.7.4 光检测器的响应时间
2.7.5 光检测器的噪声

第3章 新型光子器件技术
3.1 高频直接调制半导体激光器
3.1.1 张弛振荡频率
3.1.2 交调失真
3.1.3 共振调制
3.2 超短脉冲激光器
3.2.1 锁模光纤激光器
3.2.2 锁模半导体激光器
3.2.3 增益开关半导体激光器
3.2.4 电光调制器组合光源
3.2.5 超连续(SC)谱脉冲光源
3.3 窄线宽光纤激光器
3.3.1 DBR光纤激光器
3.3.2 DFB光纤激光器
3.4 电光调制器
3.4.1 MZM的主要参数
3.4.2 MZM的调制曲线
3.4.3 MZM的输出信号
3.4.4 MZM输出信号的频谱分析
3.4.5 MZM的偏置点选择
3.5 高速光检测器
3.5.1 超宽带型光电检测器
3.5.2 高饱和电流型光二极管
3.5.3 平衡光检测器
3.5.4 高速光检测器小结
3.6 光纤光栅
3.6.1 光纤光栅的基本概念
3.6.2 FBG的分类
3.6.3 光纤光栅的制作方法
3.6.4 光纤光栅的应用
3.7 非线性光纤光学器件
参考文献

第4章 微波毫米波信号的光学产生及处理
4.1 基于光学拍频的微波毫米波信号产生方法
4.1.1 外调制产生光生毫米波
4.1.2 锁相激光器外差法
4.1.3 基于双波长激光器的光生毫米波产生技术
4.2 基于超连续光谱的微波信号产生方法
4.3 基于光电混合振荡器(OEO)的毫米波信号产生方法
4.3.1 光电振荡器的研究现状
4.3.2 光电振荡器的关键技术
4.3.3 光电振荡器的应用
4.4 微波光子滤波器的原理
4.4.1 不同抽头系数的微波光子滤波器
4.4.2 不同光源类型的微波光子滤波器
4.4.3 微波光子滤波器的性能指标
4.5 微波光子滤波器的实现方法
4.5.1 有负系数的微波光子滤波器的实现方法
4.5.2 单光源微波光子滤波器的实现方法
4.5.3 多光源微波光子滤波器的实现方法
4.5.4 克服相位噪声限制的方法
4.5.5 微波光子滤波器实现方法小结
4.6 基于布里渊效应的微波毫米信号光学产生及滤波方法
4.6.1 多波长布里渊光纤激光器
4.6.2 基于多波长布里渊光纤环形激光器的微波信号产生方法与实现
4.6.3 基于布里渊选择放大技术的微波信号产生方法
4.6.4 基于布里渊散射的光载波抑制滤波
参考文献

第5章 基于光子学原理的射频任意波形产生技术
5.1 概述
5.1.1 基于傅里叶变换光脉冲整形的光学任意波形产生
5.1.2 基于光脉冲频谱整形与频率-时间映射的光学射频波形产生
5.1.3 基于直接空-时域脉冲整形的光学射频波形产生
5.1.4 基于微波光子滤波器的光学射频波形产生
5.1.5 基于时域脉冲整形的光学射频任意波形产生技术
5.2 典型的OAWG实现方法
5.2.1 基于傅里叶变换光脉冲整形的任意波形产生
5.2.2 基于光脉冲频谱整形与频率-时间映射的任意波形产生
5.2.3 基于直接空间-时域光脉冲整形的任意波形产生技术
5.2.4 基于微波光子滤波器的射频任意波形产生技术
5.2.5 基于时域光脉冲频谱整形的射频波形产生技术
5.3 OAWG的发展趋势
5.3.1 动态可重构的OAWG
5.3.2 集成化的OAWG
参考文献

第6章 高速光编/解码技术及其应用
6.1 OCDMA通信及光编/解码概述
6.2 OCDMA技术的原理及特点
6.3 OCDMA技术的发展历程及分类
6.4 OCDMA的关键技术
6.4.1 码字构造技术
6.4.2 光编/解码技术
6.4.3 OCDMA系统技术
6.4.4 基于SSFBG的真实相移(TPS)编/解码器
6.4.5 基于SSFBG的等效相移(EPS)编/解码器
6.5 高速保密OCDMA通信系统
6.5.1 单用户2.5 Gb/s 60km传输实验
6.5.2 双用户2.5Gbps 100km传输实验
参考文献

第7章 射频信号光传输系统
7.1 RoF概述
7.1.1 RoF的优势及问题
7.1.2 用于RoF系统的新技术
7.2 RoF的系统构成
7.2.1 用于无线通信网的RoF系统构成
7.2.2 RoF系统的结构
7.3 射频信号在光纤中的传输损伤
7.3.1 RoF系统的主要性能指标
7.3.2 RoF系统中色散对传输信号的影响
7.3.3 光纤色散对OFDM信号传输性能的影响
7.4 RoF系统的典型实现
7.4.1 应用光PSK调制的60 GHz RoF下行链路系统
7.4.2 使用上行的光上转换和下行的再调制OOK的双向RoF链路
7.4.3 基于布里渊散射的全光变频的RoF系统
7.4.4 基于光注入条件下DFB激光器产生单边带调制信号
7.5 RoF系统的应用
7.5.1 RoF在卫星通信中的应用
7.5.2 RoF在移动通信中的应用
7.5.3 宽带无线接入
7.5.4 智能交通通信和控制
7.5.5 军事应用
7.6 RoF系统的发展趋势
7.6.1 低成本激光器
7.6.2 系统中的光纤
7.6.3 调制收发器
参考文献

第8章 微波阵列天线的光学控制技术
8.1 相控阵天线原理
8.2 真时延对相控阵雷达性能的提高
8.3 光控相控阵天线
8.3.1 光控相控阵天线国外研究现状
8.3.2 光控相控阵雷达技术的应用前景
8.3.3 光控相控阵雷达的关键技术
8.4 光真时延迟线的实现方法
8.4.1 基于时延切换的OTTD及波束形成技术
8.4.2 基于空间光调制器和偏振分束器的波束控制结构
8.4.3 基于色散器件的波束形成实现方案
8.4.4 基于超结构光纤光栅的时延实现方法
8.5 光子射频移相器的实现方法
8.5.1 基于外差混频技术的光子射频移相器
8.5.2 基于矢量和技术的光子
……
第9章　太赫兹技术