第1章微波光子学及其多学科特征
　　微波光子学是一门新兴的交叉学科，从名称可以直观地看出它关联了微波学和光子学。微波和光波都可以作为信息的载体，在能够相互转换的基础上，将微波和光波综合应用于信息系统中，能够提升系统的传输带宽、处理速率等。大量的系统应用研究进一步丰富了微波光子学的内涵，使其多学科融合的特征也更加突出。
　　本章首先简要介绍微波光子学的基本概念，继而对典型的微波光子器件和微波光子处理技术进行分类并简要介绍，阐释对微波学和光子学的统一性和差异性，以及微波光子处理单元和微波光子系统中为何越来越明显地呈现出多学科融合特征的一些理解。最后，本章讨论微波光子多学科协同设计存在的问题和面临的主要挑战，并简要介绍本书第 2～6 章所要阐述的内容。
　　1.1 微波光子学的概念、发展及应用
　　1.1.1 微波光子学的基本概念
　　“微波光子学”概念的提出可以追溯到1995年。德国科学家J.ger结合其对行波光电器件的研究，首次提出了微波光子学的概念[1]。根据J.ger的定义，微波光子学的早期概念是：研究工作于微波或者毫米波波段的高速光子器件，以及这些器件在微波或者光子系统中的应用。微波光子学经过多年的发展之后，J.ger结合当时国际上的有关研究方向，对微波光子学的概念进行了完善，将其定义为：微波光子学是一个新兴多学科交叉领域，主要研究工作在微波或毫米波波段的高速光子器件及其在射频、微波、毫米波、太赫兹或光学系统中的应用[2]。2009年，加拿大渥太华大学的姚建平教授发表论文阐述了对微波光子学的理解[3]：微波光子学是一个研究微波和光学信号相互作用的交叉学科，通过光学方法实现微波和毫米波信号的产生、分配、控制和处理。
　　根据上述概念，微波光子系统的主要处理过程可以用图 1.1 来示意。一个典型的微波光子系统，输入和输出是微波或电子信号，在中间环节则是通过电光互转换，在光域上完成微波信号的有关处理。
　　与传统的微波和数字处理技术相比，微波光子处理具有宽带性、高速性、并行性、小巧性、电磁兼容性、抗干扰性和保密性等一系列优势，主要表现在以下几方面。
　　（1）光波的本征频率很高：以典型的光通信波长1550nm为例，其中心频率约为193.5THz，比典型微波、毫米波所在的1～100GHz频段高3～5个数量级。
　　可见，任何宽带微波信号相对于光载频都可以视为窄带单频信号，因此在大多数光处理环节中可以忽略不同微波信号的响应差异，从而避免微波器件中幅频响应不平坦和色散等瓶颈问题，大大提高了系统对于宽带信号的适应能力。典型的例子是光学波束形成技术，利用光学真延时能够解决阵列波束在宽带宽角条件下的“歪头”效应，大幅提升了波束指向精度和瞬时带宽。
　　（2）光能够并行传播互不干扰：在微波和电子系统中，电磁场和电子线路的互扰会影响系统性能。光波是电磁波，也服从衍射、干涉等电磁波效应，得益于光的波长比微波小3～5个数量级，因此在大部分毫米或厘米级的微波系统中，光的衍射和干涉效应可以忽略，这使得光可以同时处理多路信号，如用同一根光纤波分复用传输多个光载微波信号；若再进一步结合偏振复用、模式复用等技术能够方便地实现信号的并行处理，从而满足系统的阵列化应用需求。
　　（3）光器件具有小型化优势：光波长典型值在百纳米到数微米之间，远远小于微波的毫米级至米级尺度，而绝大多数电磁场器件和波导的尺度都和波长正相关。
　　以波导为例，微波中同轴波导至少在毫米（mm）量级，而常用的光纤波导，典型的单模光纤芯径只有9μm。因此，理论上能够支撑更小特征尺寸的集成器件，集成化潜力远优于微波。通过光域处理微波信号，有望将芯片、器件的集成度提高2～3个数量级，并通过光互联在系统层级上实现更高水平的集成化和小型化。
　　（4） 光具有抗电磁干扰特点：光信号在波导或者光纤中传播时，通常基于介质波导和全反射效应，且光子本身不带电荷，一般情况下不易受到外界电磁辐射影响，自身也不易发生信号的泄漏，因此，基于微波光子技术实现的电子信息系统具有更好的电磁兼容性和抗干扰性。
　　1.1 微波光子学的概念、发展及应用
　　1.1.2 微波光子器件
　　微波光子学中使用的器件种类很多，按照功能分类有光传输类、光处理类、光交换类、光放大类、电光转换类等。每一大类中根据原理、功能的不同又可以细分为很多种。由于篇幅和内容主题的关系，本节仅简要介绍电光转换类的典型基础器件，这类器件的功能是实现微波信号与光波信号的相互转换，是微波光子学中的核心器件，也是能够体现微波光子学交叉学科特点的器件。
　　微波信号转换为光波信号通常称为电光转换，属于信号调制过程。在微波光子学中，执行电光转换的器件主要有直调激光器和外调制器。光信号转换为微波信号通常称为光电转换，属于信号解调或者检波的过程。在微波光子学中，执行光电转换的器件主要是光电探测器。
　　1.直调激光器
　　半导体激光器是常见的可用于电光转换的直调激光器，如图1.2所示。其基本原理是利用激光器的泵浦电I与输出光功率P之间的关系，如图1.3所示。
　　在泵浦电流处于激光器的阈值 Ith 以下时，增大或减小泵浦电流均不能得到激光输出；当泵浦电流超过阈值之后，激光器的受激辐射过程建立，输出光功率P与泵浦电流I在达到饱和之前呈现较好的线性关系。
　　因此，将半导体激光器的泵浦电流按照输入微波信号的规律进行控制，就能够获得同样变化规律的激光输出，从而实现微波信号向光信号的转换。在直调激光器中，关联微波与光波的效应是半导体激光器的 P-I 关系，更深层次的机理则是与激光器的受激辐射原理和载流子输运特性等有关，这些内容并不是本书的主要关注点，感兴趣的读者可以自行查阅相关文献。
　　2.外调制器
　　外调制器处于激光器外部，微波信号在调制器内完成对直流光信号的调制，如图1.4所示。微波光子学中常用的调制器是基于电光效应和马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder interferometer，MZI）结构的调制器，简称马赫-曾德尔调制器（Mach-Zehnder modulator，MZM），典型结构如图1.5 所示。在外调制方式下，输入MZM的激光是不携带任何信息的直流激光。在调制器内部，激光功率被平均分为两路，其中一路的铌酸锂光波导两侧设置有金属电极，电极将输入的微波信号转换为电场施加到铌酸锂光波导上。当激光通过受电场影响的铌酸锂光波导时，光信号的相位发生相应的变化，而另一路光信号则不发生调制。随后，两路光信号重新合路，在光相位的相干叠加作用下，输出的激光发生不同程度的叠加或抵消，从而将微波信号的变化规律转换到光信号上，完成调制过程。
　　在图 1.5 所示的电光调制器 （electro-optical modulator， EOM） 中，关联微波与光波的效应是铌酸锂波导中的电光效应和MZI原理。而MZM的性能，如带宽、半波电压、插入损耗等，会受到波导材料、行波电极结构、电路结构、耦合封装等多方面因素的影响。
　　实际上，电光调制器结构的种类有很多。例如，去掉图1.5中下半部分的非调制光波导，仅保留上半部分的调制路径，就成为光相位调制器，这种调制器只能将微波信号转换为光信号的相位变化，而不能转换为幅度变化；又如，将两个MZI结构并行排布构成双平行 MZM，这种调制器能够实现更为复杂的调制样式。
　　此外，声光效应、磁光效应也能够实现电光转换，本书限于篇幅不再详述，读者可自行查阅相关文献。
　　3.光电探测器
　　光电探测器的功能与直调激光器和外调制器相反，是将信号从光波转换回微波，即解调，其过程如图1.6所示。微波光子学中常用的光电探测器是基于半导体的PIN结构。当携带信号的激光照射到光电探测器的PN结上时，光电效应产生对应规律的载流子变化，在驱动电场的作用下，载流子发生输运并最终在电路中形成光电流，光电流的变化与输入的光信号上的功率变化规律相同，进而完成光信号向微波信号的转换。
　　在光电探测器中，关联微波与光波的效应是光电效应[图1.7（a）]。光电探测器的性能，如带宽、饱和功率、响应度、暗电流等，除了与半导体材料的特性直接相关外，还受到PIN结构[图1.7（b）]、电路性能等方面的影响。
　　限于篇幅，本书仅对微波光子基础器件进行简要介绍，目的是使读者能够直观感受到微波光子学在基础器件层级就已经涉及多学科交叉的问题。而由于微波光子器件是构成任何微波光子系统的基本单位，所以对微波光子器件进行精确建模是支撑微波光子系统设计仿真的基础，尤其是电光转换、光电转换类器件的建模过程和建模参数同时涉及微波域和光学域，还需要解决跨域参数匹配、跨大尺度频段采样等问题。在本书的第3章中，将重点讲述微波光子器件的建模问题。
　　1.1.3 微波光子信号处理
　　微波光子信号处理是将微波信号转换为光信号之后，在光学域中完成信号处理过程，然后转换回微波域。如前面所介绍，在光学域进行信号处理可以获得宽带、并行、电磁兼容、设备小巧等优势，并且可以利用波长、偏振等更多可控的参量来实现处理功能的扩展，实现更为灵活的处理结构。
　　本节根据微波光子信号处理所影响的主要物理域，简要介绍其在时域、空域、频域和混合域的典型处理过程。
　　1.微波光子时域处理
　　微波光子时域处理是将微波信号转换到光域，并通过特定的光路结构在时间域内对信号进行处理，如信号产生、积分、微分等，或者对信号中的时域参量进行调控，如延时控制。
　　在微波光子时域处理方面，图1.8 给出一个基于色散处理和偏振态控制的微波光子时域微分器示意图。