本書較為全面地介紹了微波光子學的產生背景、技術基礎、基本方法和應用領域，重點介紹了在微波毫米波信號的光學產生及處理、射頻任意波形產生、高速光編/解碼、射頻信號光傳輸(RoF)系統、微波陣列天線以及太赫茲技術等相關技術領域的微波光子學最新研究進展。
前 言
微波光子學產生于20世紀末期，近年獲得快速發展并開始走向實用。20世紀末，人類進入信息社會，海量信息的處理與傳輸成為引領科學技術進步的引擎。為適應超高速傳輸與處理的需求，作為信息載體的電磁波的頻率越來越高，毫米波、亞毫米波的開發與利用已成必然趨勢。按照傳統的方法，微波毫米波信號由電子器件產生和處理。無論是真空器件還是半導體器件，產生超高速振蕩都無法回避一個基本的物理過程，即電子需要一定的時間渡越特定的空間。正是這一過程形成了借助電子器件產生超高速信號的基本限制，即所謂“速率瓶頸”。為克服電子器件的“速率瓶頸”問題，除了研發新材料、新技術以開發新型器件以外，人們又另辟蹊徑，利用光子學方法產生和處理微波毫米波信號。于是在20世紀末一個新的交叉學科——微波光子學應運而生。
為跟蹤學科的發展，作者于2003年開始為解放軍理工大學的博士研究生開設了“微波光子學原理”課程，并編寫了相應的校內教材。此后又陸續承擔了多項國家自然科學基 前 言
微波光子學產生于20世紀末期，近年獲得快速發展并開始走向實用。20世紀末，人類進入信息社會，海量信息的處理與傳輸成為引領科學技術進步的引擎。為適應超高速傳輸與處理的需求，作為信息載體的電磁波的頻率越來越高，毫米波、亞毫米波的開發與利用已成必然趨勢。按照傳統的方法，微波毫米波信號由電子器件產生和處理。無論是真空器件還是半導體器件，產生超高速振蕩都無法回避一個基本的物理過程，即電子需要一定的時間渡越特定的空間。正是這一過程形成了借助電子器件產生超高速信號的基本限制，即所謂“速率瓶頸”。為克服電子器件的“速率瓶頸”問題，除了研發新材料、新技術以開發新型器件以外，人們又另辟蹊徑，利用光子學方法產生和處理微波毫米波信號。于是在20世紀末一個新的交叉學科——微波光子學應運而生。
為跟蹤學科的發展，作者于2003年開始為解放軍理工大學的博士研究生開設了“微波光子學原理”課程，并編寫了相應的校內教材。此后又陸續承擔了多項國家自然科學基金、 “863”、“973”、江蘇省自然科學基金、國防預研基金等有關微波光子學的研究課題，取得了一些得到學術界公認的研究成果�？紤]到國內尚未見系統介紹微波光子學原理及其應用的著作問世，筆者根據所編寫的校內教材和近年所取得的學術成果寫成了本書，旨在為相關學科的研究生及科技工作者提供一本參考書。希望本書的出版對國內的同行有所裨益。
本書的第1章概略介紹微波光子學的技術背景，目的是使讀者對微波光子學的產生及其研究內容有一個大致的了解。第2章是光子技術基礎，簡略介紹光波導、激光器、光檢測器的工作原理及其特性。第3章介紹一些新型光子器件，這些器件是產生、處理微波毫米波信號的物質基礎。第4章講述微波毫米波信號的光學產生與處理方法，這是微波光子學的基本內容。本章中有關光電振蕩器的內容主要取材于筆者及其團隊的研究成果。第5章介紹射頻任意波形的光學產生方法，射頻任意波形的產生及處理在微波測量、信號實時監測方面有重要的應用價值，深受國內外學術界的關注。第6章介紹基于光纖光柵的高速光編/解碼與光碼分多址(OCDMA)通信技術，本章主要反映作者及其團隊的研究成果，筆者在這一領域的研究成果及其在光網絡防截獲中的應用受到了高度重視。第7章介紹光載射頻(RoF)系統，RoF系統是微波光子學的重要應用領域，其最初的實際應用就是多路電視信號的光纖傳輸與分配，未來RoF技術將成為高速接入的支撐技術。第8章講述相控陣天線相位控制網絡的光學實現方法與技術，利用光延時實現微波信號的相位控制，從而實現對天線的波束控制具有很多優勢，是微波光子學的重要應用領域。第9章講述太赫茲波的產生與應用，太赫茲波的潛在應用范圍很廣，尤其是因其在安全領域的可能應用而備受關注。
本書的第１、2章由李玉權執筆，第4章、第6章、第8章和第9章由蒲濤執筆，第3章由方濤執筆，第5章由項鵬執筆，第7章由聞傳花執筆，博士研究生劉穎、孫幗丹、熊景添、陳大雷、魏志虎參與了部分章節的撰寫。作者的學生幫助繪制了本書的部分圖表，他們是博士生劉雙和陳寅芳，碩士生任珂、朱華濤和肖進良，對他們所付出的辛勤勞動，作者謹致深切的謝意。
微波光子學涉及微波理論與技術、光子學、電子學與器件等多學科領域的基礎理論和專業知識。本書的作者盡管有多年從事電磁理論、微波技術、光通信等領域的教學科研工作經歷，近年又參與微波光子學領域的教學與科研工作，取得了一些成果，但畢竟是一孔之見，書中出現不妥乃至錯誤之處在所難免，望讀者不吝賜教。
作 者
2014.9于南京
第1章 緒論
1.1 微波光子學發展的技術背景
1.2 光子學技術的發展歷程及最新進展
1.2.1 光纖技術
1.2.2 激光及光放大技術
1.2.3 光調制技術
1.2.4 光檢測技術
1.2.5 光通信技術
1.3 微波毫米波技術的新進展
1.4 微波光子學的進展及應用
1.4.1 微波毫米波的光學產生方法
1.4.2 微波毫米波信號的光域處理
1.4.3 系統應用
第2章 光子技術基礎
2.1 平面及條形光波導傳輸原理
第1章 緒論
1.1 微波光子學發展的技術背景
1.2 光子學技術的發展歷程及最新進展
1.2.1 光纖技術
1.2.2 激光及光放大技術
1.2.3 光調制技術
1.2.4 光檢測技術
1.2.5 光通信技術
1.3 微波毫米波技術的新進展
1.4 微波光子學的進展及應用
1.4.1 微波毫米波的光學產生方法
1.4.2 微波毫米波信號的光域處理
1.4.3 系統應用
第2章 光子技術基礎
2.1 平面及條形光波導傳輸原理
2.1.1 薄膜波導
2.1.2 對稱薄膜波導
2.2 條形光波導及帶狀波導
2.3 光纖中的傳播模式
2.3.1 光纖中的電磁場方程
2.3.2 傳播模式
2.4 光纖的色散特性
2.4.1 群速度色散
2.4.2 偏振模色散
2.5 光纖的非線性特性
2.5.1 光纖的非線性折射率
2.5.2 自相位調制(SPM)
2.5.3 交叉相位調制(XPM)
2.5.4 光孤子傳輸
2.5.5 四波混頻
2.5.6 受激拉曼散射(SRS)
2.5.7 受激布里淵散射(SBS)
2.6 半導體激光器(LD)
2.6.1 半導體激光器的工作機理
2.6.2 半導體激光器的工作特性
2.7 半導體光檢測器
2.7.1 光檢測原理
2.7.2 pin光電二極管和雪崩光電二極管(APD)
2.7.3 響應度和量子效率
2.7.4 光檢測器的響應時間
2.7.5 光檢測器的噪聲
第3章 新型光子器件技術
3.1 高頻直接調制半導體激光器
3.1.1 張弛振蕩頻率
3.1.2 交調失真
3.1.3 共振調制
3.2 超短脈沖激光器
3.2.1 鎖模光纖激光器
3.2.2 鎖模半導體激光器
3.2.3 增益開關半導體激光器
3.2.4 電光調制器組合光源
3.2.5 超連續(SC)譜脈沖光源
3.3 窄線寬光纖激光器
3.3.1 DBR光纖激光器
3.3.2 DFB光纖激光器
3.4 電光調制器
3.4.1 MZM的主要參數
3.4.2 MZM的調制曲線
3.4.3 MZM的輸出信號
3.4.4 MZM輸出信號的頻譜分析
3.4.5 MZM的偏置點選擇
3.5 高速光檢測器
3.5.1 超寬帶型光電檢測器
3.5.2 高飽和電流型光二極管
3.5.3 平衡光檢測器
3.5.4 高速光檢測器小結
3.6 光纖光柵
3.6.1 光纖光柵的基本概念
3.6.2 FBG的分類
3.6.3 光纖光柵的制作方法
3.6.4 光纖光柵的應用
3.7 非線性光纖光學器件
參考文獻
第4章 微波毫米波信號的光學產生及處理
4.1 基于光學拍頻的微波毫米波信號產生方法
4.1.1 外調制產生光生毫米波
4.1.2 鎖相激光器外差法
4.1.3 基于雙波長激光器的光生毫米波產生技術
4.2 基于超連續光譜的微波信號產生方法
4.3 基于光電混合振蕩器(OEO)的毫米波信號產生方法
4.3.1 光電振蕩器的研究現狀
4.3.2 光電振蕩器的關鍵技術
4.3.3 光電振蕩器的應用
4.4 微波光子濾波器的原理
4.4.1 不同抽頭系數的微波光子濾波器
4.4.2 不同光源類型的微波光子濾波器
4.4.3 微波光子濾波器的性能指標
4.5 微波光子濾波器的實現方法
4.5.1 有負系數的微波光子濾波器的實現方法
4.5.2 單光源微波光子濾波器的實現方法
4.5.3 多光源微波光子濾波器的實現方法
4.5.4 克服相位噪聲限制的方法
4.5.5 微波光子濾波器實現方法小結
4.6 基于布里淵效應的微波毫米信號光學產生及濾波方法
4.6.1 多波長布里淵光纖激光器
4.6.2 基于多波長布里淵光纖環形激光器的微波信號產生方法與實現
4.6.3 基于布里淵選擇放大技術的微波信號產生方法
4.6.4 基于布里淵散射的光載波抑制濾波
參考文獻
第5章 基于光子學原理的射頻任意波形產生技術
5.1 概述
5.1.1 基于傅里葉變換光脈沖整形的光學任意波形產生
5.1.2 基于光脈沖頻譜整形與頻率-時間映射的光學射頻波形產生
5.1.3 基于直接空-時域脈沖整形的光學射頻波形產生
5.1.4 基于微波光子濾波器的光學射頻波形產生
5.1.5 基于時域脈沖整形的光學射頻任意波形產生技術
5.2 典型的OAWG實現方法
5.2.1 基于傅里葉變換光脈沖整形的任意波形產生
5.2.2 基于光脈沖頻譜整形與頻率-時間映射的任意波形產生
5.2.3 基于直接空間-時域光脈沖整形的任意波形產生技術
5.2.4 基于微波光子濾波器的射頻任意波形產生技術
5.2.5 基于時域光脈沖頻譜整形的射頻波形產生技術
5.3 OAWG的發展趨勢
5.3.1 動態可重構的OAWG
5.3.2 集成化的OAWG
參考文獻
第6章 高速光編/解碼技術及其應用
6.1 OCDMA通信及光編/解碼概述
6.2 OCDMA技術的原理及特點
6.3 OCDMA技術的發展歷程及分類
6.4 OCDMA的關鍵技術
6.4.1 碼字構造技術
6.4.2 光編/解碼技術
6.4.3 OCDMA系統技術
6.4.4 基于SSFBG的真實相移(TPS)編/解碼器
6.4.5 基于SSFBG的等效相移(EPS)編/解碼器
6.5 高速保密OCDMA通信系統
6.5.1 單用戶2.5 Gb/s 60km傳輸實驗
6.5.2 雙用戶2.5Gbps 100km傳輸實驗
參考文獻
第7章 射頻信號光傳輸系統
7.1 RoF概述
7.1.1 RoF的優勢及問題
7.1.2 用于RoF系統的新技術
7.2 RoF的系統構成
7.2.1 用于無線通信網的RoF系統構成
7.2.2 RoF系統的結構
7.3 射頻信號在光纖中的傳輸損傷
7.3.1 RoF系統的主要性能指標
7.3.2 RoF系統中色散對傳輸信號的影響
7.3.3 光纖色散對OFDM信號傳輸性能的影響
7.4 RoF系統的典型實現
7.4.1 應用光PSK調制的60 GHz RoF下行鏈路系統
7.4.2 使用上行的光上轉換和下行的再調制OOK的雙向RoF鏈路
7.4.3 基于布里淵散射的全光變頻的RoF系統
7.4.4 基于光注入條件下DFB激光器產生單邊帶調制信號
7.5 RoF系統的應用
7.5.1 RoF在衛星通信中的應用
7.5.2 RoF在移動通信中的應用
7.5.3 寬帶無線接入
7.5.4 智能交通通信和控制
7.5.5 軍事應用
7.6 RoF系統的發展趨勢
7.6.1 低成本激光器
7.6.2 系統中的光纖
7.6.3 調制收發器
參考文獻
第8章 微波陣列天線的光學控制技術
8.1 相控陣天線原理
8.2 真時延對相控陣雷達性能的提高
8.3 光控相控陣天線
8.3.1 光控相控陣天線國外研究現狀
8.3.2 光控相控陣雷達技術的應用前景
8.3.3 光控相控陣雷達的關鍵技術
8.4 光真時延遲線的實現方法
8.4.1 基于時延切換的OTTD及波束形成技術
8.4.2 基于空間光調制器和偏振分束器的波束控制結構
8.4.3 基于色散器件的波束形成實現方案
8.4.4 基于超結構光纖光柵的時延實現方法
8.5 光子射頻移相器的實現方法
8.5.1 基于外差混頻技術的光子射頻移相器
8.5.2 基于矢量和技術的光子
……
第9章 太赫茲技術
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