凯发娱发k8

潘时龙吕跃广等：微波光子学 国家出版基金项目

发布时间：2025-12-14 05:27:43 丨 浏览次数：

　　(microwave photonics，MWP)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。

　　微波光子学的研究内容非常广。《微波光子学》基于作者团队及国内外同行在微波光子学领域多年的研究成果，围绕上述研究体系，系统梳理并阐述了微波光子学的理论体系、基础器件、关键技术与应用成效。

　　潘时龙，教授，国家级创新团队负责人，国家级高层次人才工程入选者，IEEE Fellow。南京航空航天大学校长助理，微波光子技术国家级重点实验室主任。主要研究微波光子学基础理论及应用等。主持国家自然科学基金委重大仪器项目、国家重点研发计划项目、专用领域重大重点等项目多项。发表SCI 论文300余篇，其中IEEE期刊特邀论文15篇。成果获国防技术发明一等奖、教育部科技进步奖一等奖、江苏省科学技术奖一等奖等。目前担任中国光学工程学会执行秘书长、IEEE MTT-S微波光子技术学会副主席、PhotoniX Synergy执行主编等。曾获得中国青年五四奖章、中国青年科技奖、江苏十佳研究生导师等荣誉。

　　吕跃广，中国工程院院士，电子信息技术专家，中央军委科学技术委员会常任委员，国家人工智能科技重大专项战略咨询委员会委员，国电子学会理事，国际光学工程学会（SPIE）、美国光学学会（OSA）会员。长期从事特种电子信息系统总体设计与研制工作，在空间信息系统设计研制、微弱信号分析识别等方面取得多项重大技术突破。曾获国家科技进步一等奖1项、国家科技进步二等奖4项、国家技术发明二等奖1项、部委级科技进步一等奖5项，国家发明专利10项，在国内学术刊物上发表文章40余篇，出版专著3部。

　　全书以“基础—技术—应用”为逻辑主线 章概述微波光子学基本概念、特点、发展历程、研究现状、主要研究内容；第2 章聚焦微波光子学基础器件，介绍激光器、光放大器、电光调制器、光电探测器、光纤、光滤波器等关键有源、无源微波光子器件的实现原理、主要结构和指标参数；第3 章深入探讨微波光子链路的分类、主要参数，以及大动态微波光子链路的实现方法；第4 章介绍微波光子信号产生技术，包括单频本振与宽带信号产生；第5 章分别阐述微波光子时域、空域、频域等信号处理方法，包括频率变换、信道化、波束形成等；第6 章介绍微波光子模数转换的原理、主要参数，以及光采样电量化模数转换、光学时间拉伸模数转换和光量化模数转换；第7 章介绍微波光子信号测量技术在频域、时域、空域和能量域等参数测量中的应用；第8 章介绍集成微波光子技术的发展与芯片化实现；第9 章详述微波光子技术在雷达、电子对抗、通信、传感等领域的典型应用。

　　感谢国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目等的资助。本书是集体智慧的结晶。本书编写过程中获得中国电子科技集团公司第二十九研究所的周涛、陈智宇，中国电子科技集团公司第四十四研究所的瞿鹏飞、肖永川、刘鹏浩、王立、张永恒、陈诺，中国电子科技集团公司第三十八研究所的王凯，中国科学院半导体研究所的李明、郝腾飞、石暖暖，电子科技大学的刘永、张旨遥，西南交通大学的邹喜华、卢冰，北京大学的王兴军、舒浩文，上海交通大学的周林杰，中国电子科技集团公司第五十五研究所的钱广、黄梦昊，浙江师范大学的陈浩，北京理工大学的张伟峰、王彬，南京航空航天大学天元实验室的张亚梅、朱丹、王立晗、王祥传、袁伟浩、张方正、唐震宙、薛敏、徐忠扬、何吉骏、丁杰文、刘世锋、李思敏、汤晓虎、蔡宇翔、邵琨麟、李平、高鹏辉、徐泰祺、袁振涛、章志健、张云帆、崔明亮、崔睿、余肖月、潘洲阳、孙修远、刘铭圳、刘熙、巨宗鑫、倪博阳、李子良、丁泽勇、江榕天、徐上哲、李肇昱、李金虎、衡雨清、杨坤钱、宗梦雅、吴庚泽、李志鹏、张雅薇、郭嘉城、车治畅、吴浩然、温战耀、申家琪、王雨航、圣秋华、葛嘉炜、张羽、成凤、何昱辉、李鹤武、杨丽、杜长龙、钱逸伦、郑哲楷、赵晓卓、王昊等的帮助，部分章节内容由他们撰写或包含他们的成果，在此深深致谢。

　　本文摘编自《微波光子学》（潘时龙等编著. 北京: 科学出版社, 2025. 10）一书“前言”“第1章 绪 论”，有删减修改，标题为编者所加。

　　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。本书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。本书主要分为三部分：第一部分（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。

　　本书可供微波技术、光子学、光通信、雷达及相关交叉领域的研究人员和工程技术人员使用，也可作为高 等学校相关专业高年级本科生和研究生的学习参考书。