本書(shū)較為全面地介紹了微波光子學(xué)的產(chǎn)生背景、技術(shù)基礎(chǔ)、基本方法和應(yīng)用領(lǐng)域，重點(diǎn)介紹了在微波毫米波信號(hào)的光學(xué)產(chǎn)生及處理、射頻任意波形產(chǎn)生、高速光編/解碼、射頻信號(hào)光傳輸(RoF)系統(tǒng)、微波陣列天線以及太赫茲技術(shù)等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的微波光子學(xué)最新研究進(jìn)展。
前 言
微波光子學(xué)產(chǎn)生于20世紀(jì)末期，近年獲得快速發(fā)展并開(kāi)始走向?qū)嵱谩?0世紀(jì)末，人類進(jìn)入信息社會(huì)，海量信息的處理與傳輸成為引領(lǐng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的引擎。為適應(yīng)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(lái)越高，毫米波、亞毫米波的開(kāi)發(fā)與利用已成必然趨勢(shì)。按照傳統(tǒng)的方法，微波毫米波信號(hào)由電子器件產(chǎn)生和處理。無(wú)論是真空器件還是半導(dǎo)體器件，產(chǎn)生超高速振蕩都無(wú)法回避一個(gè)基本的物理過(guò)程，即電子需要一定的時(shí)間渡越特定的空間。正是這一過(guò)程形成了借助電子器件產(chǎn)生超高速信號(hào)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(wèn)題，除了研發(fā)新材料、新技術(shù)以開(kāi)發(fā)新型器件以外，人們又另辟蹊徑，利用光子學(xué)方法產(chǎn)生和處理微波毫米波信號(hào)。于是在20世紀(jì)末一個(gè)新的交叉學(xué)科——微波光子學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。
為跟蹤學(xué)科的發(fā)展，作者于2003年開(kāi)始為解放軍理工大學(xué)的博士研究生開(kāi)設(shè)了“微波光子學(xué)原理”課程，并編寫了相應(yīng)的校內(nèi)教材。此后又陸續(xù)承擔(dān)了多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基 前 言
微波光子學(xué)產(chǎn)生于20世紀(jì)末期，近年獲得快速發(fā)展并開(kāi)始走向?qū)嵱谩?0世紀(jì)末，人類進(jìn)入信息社會(huì)，海量信息的處理與傳輸成為引領(lǐng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的引擎。為適應(yīng)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(lái)越高，毫米波、亞毫米波的開(kāi)發(fā)與利用已成必然趨勢(shì)。按照傳統(tǒng)的方法，微波毫米波信號(hào)由電子器件產(chǎn)生和處理。無(wú)論是真空器件還是半導(dǎo)體器件，產(chǎn)生超高速振蕩都無(wú)法回避一個(gè)基本的物理過(guò)程，即電子需要一定的時(shí)間渡越特定的空間。正是這一過(guò)程形成了借助電子器件產(chǎn)生超高速信號(hào)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(wèn)題，除了研發(fā)新材料、新技術(shù)以開(kāi)發(fā)新型器件以外，人們又另辟蹊徑，利用光子學(xué)方法產(chǎn)生和處理微波毫米波信號(hào)。于是在20世紀(jì)末一個(gè)新的交叉學(xué)科——微波光子學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。
為跟蹤學(xué)科的發(fā)展，作者于2003年開(kāi)始為解放軍理工大學(xué)的博士研究生開(kāi)設(shè)了“微波光子學(xué)原理”課程，并編寫了相應(yīng)的校內(nèi)教材。此后又陸續(xù)承擔(dān)了多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金、 “863”、“973”、江蘇省自然科學(xué)基金、國(guó)防預(yù)研基金等有關(guān)微波光子學(xué)的研究課題，取得了一些得到學(xué)術(shù)界公認(rèn)的研究成果�？紤]到國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)系統(tǒng)介紹微波光子學(xué)原理及其應(yīng)用的著作問(wèn)世，筆者根據(jù)所編寫的校內(nèi)教材和近年所取得的學(xué)術(shù)成果寫成了本書(shū)，旨在為相關(guān)學(xué)科的研究生及科技工作者提供一本參考書(shū)。希望本書(shū)的出版對(duì)國(guó)內(nèi)的同行有所裨益。
本書(shū)的第1章概略介紹微波光子學(xué)的技術(shù)背景，目的是使讀者對(duì)微波光子學(xué)的產(chǎn)生及其研究?jī)?nèi)容有一個(gè)大致的了解。第2章是光子技術(shù)基礎(chǔ)，簡(jiǎn)略介紹光波導(dǎo)、激光器、光檢測(cè)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(chǎn)生、處理微波毫米波信號(hào)的物質(zhì)基礎(chǔ)。第4章講述微波毫米波信號(hào)的光學(xué)產(chǎn)生與處理方法，這是微波光子學(xué)的基本內(nèi)容。本章中有關(guān)光電振蕩器的內(nèi)容主要取材于筆者及其團(tuán)隊(duì)的研究成果。第5章介紹射頻任意波形的光學(xué)產(chǎn)生方法，射頻任意波形的產(chǎn)生及處理在微波測(cè)量、信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面有重要的應(yīng)用價(jià)值，深受國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的關(guān)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(shù)，本章主要反映作者及其團(tuán)隊(duì)的研究成果，筆者在這一領(lǐng)域的研究成果及其在光網(wǎng)絡(luò)防截獲中的應(yīng)用受到了高度重視。第7章介紹光載射頻(RoF)系統(tǒng)，RoF系統(tǒng)是微波光子學(xué)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，其最初的實(shí)際應(yīng)用就是多路電視信號(hào)的光纖傳輸與分配，未來(lái)RoF技術(shù)將成為高速接入的支撐技術(shù)。第8章講述相控陣天線相位控制網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)實(shí)現(xiàn)方法與技術(shù)，利用光延時(shí)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的相位控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的波束控制具有很多優(yōu)勢(shì)，是微波光子學(xué)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。第9章講述太赫茲波的產(chǎn)生與應(yīng)用，太赫茲波的潛在應(yīng)用范圍很廣，尤其是因其在安全領(lǐng)域的可能應(yīng)用而備受關(guān)注。
本書(shū)的第１、2章由李玉權(quán)執(zhí)筆，第4章、第6章、第8章和第9章由蒲濤執(zhí)筆，第3章由方濤執(zhí)筆，第5章由項(xiàng)鵬執(zhí)筆，第7章由聞傳花執(zhí)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(jié)的撰寫。作者的學(xué)生幫助繪制了本書(shū)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(jìn)良，對(duì)他們所付出的辛勤勞動(dòng)，作者謹(jǐn)致深切的謝意。
微波光子學(xué)涉及微波理論與技術(shù)、光子學(xué)、電子學(xué)與器件等多學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)。本書(shū)的作者盡管有多年從事電磁理論、微波技術(shù)、光通信等領(lǐng)域的教學(xué)科研工作經(jīng)歷，近年又參與微波光子學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作，取得了一些成果，但畢竟是一孔之見(jiàn)，書(shū)中出現(xiàn)不妥乃至錯(cuò)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(xué)發(fā)展的技術(shù)背景
1.2 光子學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷程及最新進(jìn)展
1.2.1 光纖技術(shù)
1.2.2 激光及光放大技術(shù)
1.2.3 光調(diào)制技術(shù)
1.2.4 光檢測(cè)技術(shù)
1.2.5 光通信技術(shù)
1.3 微波毫米波技術(shù)的新進(jìn)展
1.4 微波光子學(xué)的進(jìn)展及應(yīng)用
1.4.1 微波毫米波的光學(xué)產(chǎn)生方法
1.4.2 微波毫米波信號(hào)的光域處理
1.4.3 系統(tǒng)應(yīng)用
第2章 光子技術(shù)基礎(chǔ)
2.1 平面及條形光波導(dǎo)傳輸原理
第1章 緒論
1.1 微波光子學(xué)發(fā)展的技術(shù)背景
1.2 光子學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷程及最新進(jìn)展
1.2.1 光纖技術(shù)
1.2.2 激光及光放大技術(shù)
1.2.3 光調(diào)制技術(shù)
1.2.4 光檢測(cè)技術(shù)
1.2.5 光通信技術(shù)
1.3 微波毫米波技術(shù)的新進(jìn)展
1.4 微波光子學(xué)的進(jìn)展及應(yīng)用
1.4.1 微波毫米波的光學(xué)產(chǎn)生方法
1.4.2 微波毫米波信號(hào)的光域處理
1.4.3 系統(tǒng)應(yīng)用
第2章 光子技術(shù)基礎(chǔ)
2.1 平面及條形光波導(dǎo)傳輸原理
2.1.1 薄膜波導(dǎo)
2.1.2 對(duì)稱薄膜波導(dǎo)
2.2 條形光波導(dǎo)及帶狀波導(dǎo)
2.3 光纖中的傳播模式
2.3.1 光纖中的電磁場(chǎng)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(diào)制(SPM)
2.5.3 交叉相位調(diào)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(dǎo)體激光器(LD)
2.6.1 半導(dǎo)體激光器的工作機(jī)理
2.6.2 半導(dǎo)體激光器的工作特性
2.7 半導(dǎo)體光檢測(cè)器
2.7.1 光檢測(cè)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(yīng)度和量子效率
2.7.4 光檢測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間
2.7.5 光檢測(cè)器的噪聲
第3章 新型光子器件技術(shù)
3.1 高頻直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器
3.1.1 張弛振蕩頻率
3.1.2 交調(diào)失真
3.1.3 共振調(diào)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(dǎo)體激光器
3.2.3 增益開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體激光器
3.2.4 電光調(diào)制器組合光源
3.2.5 超連續(xù)(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(diào)制器
3.4.1 MZM的主要參數(shù)
3.4.2 MZM的調(diào)制曲線
3.4.3 MZM的輸出信號(hào)
3.4.4 MZM輸出信號(hào)的頻譜分析
3.4.5 MZM的偏置點(diǎn)選擇
3.5 高速光檢測(cè)器
3.5.1 超寬帶型光電檢測(cè)器
3.5.2 高飽和電流型光二極管
3.5.3 平衡光檢測(cè)器
3.5.4 高速光檢測(cè)器小結(jié)
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(yīng)用
3.7 非線性光纖光學(xué)器件
參考文獻(xiàn)
第4章 微波毫米波信號(hào)的光學(xué)產(chǎn)生及處理
4.1 基于光學(xué)拍頻的微波毫米波信號(hào)產(chǎn)生方法
4.1.1 外調(diào)制產(chǎn)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(zhǎng)激光器的光生毫米波產(chǎn)生技術(shù)
4.2 基于超連續(xù)光譜的微波信號(hào)產(chǎn)生方法
4.3 基于光電混合振蕩器(OEO)的毫米波信號(hào)產(chǎn)生方法
4.3.1 光電振蕩器的研究現(xiàn)狀
4.3.2 光電振蕩器的關(guān)鍵技術(shù)
4.3.3 光電振蕩器的應(yīng)用
4.4 微波光子濾波器的原理
4.4.1 不同抽頭系數(shù)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(biāo)
4.5 微波光子濾波器的實(shí)現(xiàn)方法
4.5.1 有負(fù)系數(shù)的微波光子濾波器的實(shí)現(xiàn)方法
4.5.2 單光源微波光子濾波器的實(shí)現(xiàn)方法
4.5.3 多光源微波光子濾波器的實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)方法小結(jié)
4.6 基于布里淵效應(yīng)的微波毫米信號(hào)光學(xué)產(chǎn)生及濾波方法
4.6.1 多波長(zhǎng)布里淵光纖激光器
4.6.2 基于多波長(zhǎng)布里淵光纖環(huán)形激光器的微波信號(hào)產(chǎn)生方法與實(shí)現(xiàn)
4.6.3 基于布里淵選擇放大技術(shù)的微波信號(hào)產(chǎn)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(xiàn)
第5章 基于光子學(xué)原理的射頻任意波形產(chǎn)生技術(shù)
5.1 概述
5.1.1 基于傅里葉變換光脈沖整形的光學(xué)任意波形產(chǎn)生
5.1.2 基于光脈沖頻譜整形與頻率-時(shí)間映射的光學(xué)射頻波形產(chǎn)生
5.1.3 基于直接空-時(shí)域脈沖整形的光學(xué)射頻波形產(chǎn)生
5.1.4 基于微波光子濾波器的光學(xué)射頻波形產(chǎn)生
5.1.5 基于時(shí)域脈沖整形的光學(xué)射頻任意波形產(chǎn)生技術(shù)
5.2 典型的OAWG實(shí)現(xiàn)方法
5.2.1 基于傅里葉變換光脈沖整形的任意波形產(chǎn)生
5.2.2 基于光脈沖頻譜整形與頻率-時(shí)間映射的任意波形產(chǎn)生
5.2.3 基于直接空間-時(shí)域光脈沖整形的任意波形產(chǎn)生技術(shù)
5.2.4 基于微波光子濾波器的射頻任意波形產(chǎn)生技術(shù)
5.2.5 基于時(shí)域光脈沖頻譜整形的射頻波形產(chǎn)生技術(shù)
5.3 OAWG的發(fā)展趨勢(shì)
5.3.1 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的OAWG
5.3.2 集成化的OAWG
參考文獻(xiàn)
第6章 高速光編/解碼技術(shù)及其應(yīng)用
6.1 OCDMA通信及光編/解碼概述
6.2 OCDMA技術(shù)的原理及特點(diǎn)
6.3 OCDMA技術(shù)的發(fā)展歷程及分類
6.4 OCDMA的關(guān)鍵技術(shù)
6.4.1 碼字構(gòu)造技術(shù)
6.4.2 光編/解碼技術(shù)
6.4.3 OCDMA系統(tǒng)技術(shù)
6.4.4 基于SSFBG的真實(shí)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(tǒng)
6.5.1 單用戶2.5 Gb/s 60km傳輸實(shí)驗(yàn)
6.5.2 雙用戶2.5Gbps 100km傳輸實(shí)驗(yàn)
參考文獻(xiàn)
第7章 射頻信號(hào)光傳輸系統(tǒng)
7.1 RoF概述
7.1.1 RoF的優(yōu)勢(shì)及問(wèn)題
7.1.2 用于RoF系統(tǒng)的新技術(shù)
7.2 RoF的系統(tǒng)構(gòu)成
7.2.1 用于無(wú)線通信網(wǎng)的RoF系統(tǒng)構(gòu)成
7.2.2 RoF系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
7.3 射頻信號(hào)在光纖中的傳輸損傷
7.3.1 RoF系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)
7.3.2 RoF系統(tǒng)中色散對(duì)傳輸信號(hào)的影響
7.3.3 光纖色散對(duì)OFDM信號(hào)傳輸性能的影響
7.4 RoF系統(tǒng)的典型實(shí)現(xiàn)
7.4.1 應(yīng)用光PSK調(diào)制的60 GHz RoF下行鏈路系統(tǒng)
7.4.2 使用上行的光上轉(zhuǎn)換和下行的再調(diào)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(tǒng)
7.4.4 基于光注入條件下DFB激光器產(chǎn)生單邊帶調(diào)制信號(hào)
7.5 RoF系統(tǒng)的應(yīng)用
7.5.1 RoF在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用
7.5.2 RoF在移動(dòng)通信中的應(yīng)用
7.5.3 寬帶無(wú)線接入
7.5.4 智能交通通信和控制
7.5.5 軍事應(yīng)用
7.6 RoF系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
7.6.1 低成本激光器
7.6.2 系統(tǒng)中的光纖
7.6.3 調(diào)制收發(fā)器
參考文獻(xiàn)
第8章 微波陣列天線的光學(xué)控制技術(shù)
8.1 相控陣天線原理
8.2 真時(shí)延對(duì)相控陣?yán)走_(dá)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(guó)外研究現(xiàn)狀
8.3.2 光控相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的應(yīng)用前景
8.3.3 光控相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵技術(shù)
8.4 光真時(shí)延遲線的實(shí)現(xiàn)方法
8.4.1 基于時(shí)延切換的OTTD及波束形成技術(shù)
8.4.2 基于空間光調(diào)制器和偏振分束器的波束控制結(jié)構(gòu)
8.4.3 基于色散器件的波束形成實(shí)現(xiàn)方案
8.4.4 基于超結(jié)構(gòu)光纖光柵的時(shí)延實(shí)現(xiàn)方法
8.5 光子射頻移相器的實(shí)現(xiàn)方法
8.5.1 基于外差混頻技術(shù)的光子射頻移相器
8.5.2 基于矢量和技術(shù)的光子
……
第9章 太赫茲技術(shù)
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