微波光子學(microwave photonics，MWP)是一門融合微波技術與光子技術的交叉學科，可實現微波信號的產生、傳輸、處理、控制和測量，涉及的信號頻率范圍從數十兆赫茲的射頻頻段到數百太赫茲的光學頻段。該領域結合了微波技術和光子技術的各自優(yōu)勢，具有帶寬大、速度快、并行處理能力強、損耗低、快速可重構和抗電磁干擾能力強等特點，有望突破傳統(tǒng)微波技術的若干瓶頸，為電子信息系統(tǒng)向寬帶化、智能化、輕薄化發(fā)展提供有效的技術路徑，在雷達、頻譜管控、電子對抗、無線通信、無線傳感、儀器儀表等領域有著重要的應用前景。

微波光子技術的應用領域

微波光子學的基本概念

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個數量級，該特性使得光器件相比于微波器件有著更大的工作帶寬，可通過波分復用實現信號并行傳輸和處理；且由頻率特性可知，微波的波長尺度在厘米級至毫米級，而光波的波長尺度在微米級，因此，部分光器件(如光波導、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到微波器件的千分之一；此外，光在波導中的模式分布、偏振狀態(tài)也可用于攜帶信息，提供更多的復用資源，有助于實現高集成密度的微波光子功能芯片。

在信號傳輸方面，微波信號通常在同軸電纜中傳輸，該過程在導體表面附近的區(qū)域產生交變的電場和磁場，驅動導體表面的電子進行周期性振蕩，從而形成了“表面電流”。該電流在傳輸過程中會受到材料電阻的影響而損失能量。同時，對于高頻微波信號，導體中的電流集中在表面的薄層區(qū)域附近，這一現象被稱為趨膚效應(skin effect)。微波頻率越高，趨膚效應越顯著，使得有效傳輸路徑變窄，傳輸損耗進一步增大。相比之下，光波可以在絕緣透明介質中直接傳播，不需要依賴材料內的電荷或電子振蕩，即不受導電損耗和趨膚效應的影響，從而具備了寬帶、平坦的傳輸特性。光信號在波導中的損耗主要來源于材料的吸收和散射。在光纖發(fā)明后，人們發(fā)現其在通信波段(1550nm)的傳輸損耗極低(典型值為0.2dB/km)，這使得光波具備長距離傳輸能力。

微波光子鏈路的基本結構

微波光子學的核心在于將微波和光波融合，該融合涉及如何高效地實現微波與光波之間的相互轉換。目前，微波到光波的轉換依賴于某些具有電光效應的材料(如鈮酸鋰、磷化銦等)，微波信號作為外加電場作用于電光材料上時，以線性或非線性的形式改變材料的折射率，影響波導中光波的傳播速度，從而實現對光波的相位調制。通過人為引入特定的光路干涉結構可分別實現具有如雙邊帶(double-sideband，DSB)調制、單邊帶(single-sideband，SSB)調制、抑制載波雙邊帶(carrier suppressed double-sideband，CS-DSB)調制、移頻(frequency shift，FS)調制以及偏振調制(polarization modulation，PolM)等功能的調制器。此外，通過改變材料中的載流子分布，在合適的器件結構下可實現高頻微波到光波的轉換，如直調激光器、基于載流子色散效應的硅基調制器、電吸收調制器等，但載流子的變化往往會同時改變光波的幅度和相位，該幅相耦合效應在某些場合下會對后續(xù)的信號傳輸和調控產生負面影響。另一方面，光波到微波的轉換主要依賴于光電效應，當光波照射到半導體材料(如硅、砷化鎵等)時，光子攜帶的能量會被材料中的電子吸收，使電子獲得能量躍遷到更高的能級，從而產生電子-空穴對。這些電子和空穴在電場作用下形成電流，進而輸出電信號。通過光電效應可以構建光電探測器(photoelectric detector，PD)，實現對光信號的包絡檢波并將該包絡轉換為微波信號。

微波光子學主要研究體系

微波光子學的研究內容非常廣?！段⒉ü庾訉W》基于作者團隊及國內外同行在微波光子學領域多年的研究成果，圍繞上述研究體系，系統(tǒng)梳理并闡述了微波光子學的理論體系、基礎器件、關鍵技術與應用成效。

微波光子學

潘時龍，呂躍廣等編著

北京: 科學出版社, 2025. 10

(微波光子技術叢書)

ISBN 978-7-03-080336-8

潘時龍，教授，國家級創(chuàng)新團隊負責人，國家級高層次人才工程入選者，IEEE Fellow。南京航空航天大學校長助理，微波光子技術國家級重點實驗室主任。主要研究微波光子學基礎理論及應用等。主持國家自然科學基金委重大儀器項目、國家重點研發(fā)計劃項目、專用領域重大重點等項目多項。發(fā)表SCI 論文300余篇，其中IEEE期刊特邀論文15篇。成果獲國防技術發(fā)明一等獎、教育部科技進步獎一等獎、江蘇省科學技術獎一等獎等。目前擔任中國光學工程學會執(zhí)行秘書長、IEEE MTT-S微波光子技術學會副主席、PhotoniX Synergy執(zhí)行主編等。曾獲得中國青年五四獎章、中國青年科技獎、江蘇十佳研究生導師等榮譽。

呂躍廣，中國工程院院士，電子信息技術專家，中央軍委科學技術委員會常任委員，國家人工智能科技重大專項戰(zhàn)略咨詢委員會委員，國電子學會理事，國際光學工程學會（SPIE）、美國光學學會（OSA）會員。長期從事特種電子信息系統(tǒng)總體設計與研制工作，在空間信息系統(tǒng)設計研制、微弱信號分析識別等方面取得多項重大技術突破。曾獲國家科技進步一等獎1項、國家科技進步二等獎4項、國家技術發(fā)明二等獎1項、部委級科技進步一等獎5項，國家發(fā)明專利10項，在國內學術刊物上發(fā)表文章40余篇，出版專著3部。

全書以“基礎—技術—應用”為邏輯主線，第1 章概述微波光子學基本概念、特點、發(fā)展歷程、研究現狀、主要研究內容；第2 章聚焦微波光子學基礎器件，介紹激光器、光放大器、電光調制器、光電探測器、光纖、光濾波器等關鍵有源、無源微波光子器件的實現原理、主要結構和指標參數；第3 章深入探討微波光子鏈路的分類、主要參數，以及大動態(tài)微波光子鏈路的實現方法；第4 章介紹微波光子信號產生技術，包括單頻本振與寬帶信號產生；第5 章分別闡述微波光子時域、空域、頻域等信號處理方法，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轉換的原理、主要參數，以及光采樣電量化模數轉換、光學時間拉伸模數轉換和光量化模數轉換；第7 章介紹微波光子信號測量技術在頻域、時域、空域和能量域等參數測量中的應用；第8 章介紹集成微波光子技術的發(fā)展與芯片化實現；第9 章詳述微波光子技術在雷達、電子對抗、通信、傳感等領域的典型應用。

致謝

感謝國家自然科學基金項目、國家重點研發(fā)計劃項目等的資助。本書是集體智慧的結晶。本書編寫過程中獲得中國電子科技集團公司第二十九研究所的周濤、陳智宇，中國電子科技集團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，中國電子科技集團公司第三十八研究所的王凱，中國科學院半導體研究所的李明、郝騰飛、石暖暖，電子科技大學的劉永、張旨遙，西南交通大學的鄒喜華、盧冰，北京大學的王興軍、舒浩文，上海交通大學的周林杰，中國電子科技集團公司第五十五研究所的錢廣、黃夢昊，浙江師范大學的陳浩，北京理工大學的張偉峰、王彬，南京航空航天大學天元實驗室的張亞梅、朱丹、王立晗、王祥傳、袁偉浩、張方正、唐震宙、薛敏、徐忠揚、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、張云帆、崔明亮、崔睿、余肖月、潘洲陽、孫修遠、劉銘圳、劉熙、巨宗鑫、倪博陽、李子良、丁澤勇、江榕天、徐上哲、李肇昱、李金虎、衡雨清、楊坤錢、宗夢雅、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、杜長龍、錢逸倫、鄭哲楷、趙曉卓、王昊等的幫助，部分章節(jié)內容由他們撰寫或包含他們的成果，在此深深致謝。

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

(微波光子技術叢書)

ISBN 978-7-03-080336-8

責任編輯：惠 雪

微波光子學作為融合微波技術與光子技術的交叉學科，可實現微波信號的產生、傳輸、處理、控制和測量，在雷達、電子對抗、無線通信、傳感等領域具有廣泛應用前景。本書系統(tǒng)梳理了微波光子學的基本理論、發(fā)展歷程、研究現狀及核心技術，對該領域的關鍵成果進行全面總結。本書主要分為三部分：第一部分（第1 章~第3 章）介紹微波光子學的概念內涵、基本器件與鏈路模型；第二部分（第4 章~第7 章）介紹微波光子學的關鍵技術，包括微波光子信號產生、處理、模數轉換和測量等；第三部分（第8 章~第9 章）介紹微波光子學的集成芯片發(fā)展現狀，以及在雷達、電子對抗、通信和傳感等領域的典型應用。

本書可供微波技術、光子學、光通信、雷達及相關交叉領域的研究人員和工程技術人員使用，也可作為高 等學校相關專業(yè)高年級本科生和研究生的學習參考書。

（本文編輯：劉四旦）

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