加拿大姚建平院士/西班牙Capmany教授：微波光子学前沿综述

研究意义

微波光子学是融合微波技术和光子技术的新型学科，即利用光学装置和技术来产生、处理、控制和传输高频微波信号，具有带宽大、损耗低、重量轻、抗电磁干扰等优点，已广泛应用于无线通信、雷达、传感、成像和仪器等领域。由于现代光子技术的大带宽可以突破传统射频系统的带宽限制（小于几十GHz），微波光子学在产生和处理超宽带、高频微波信号方面提供的独特能力使其成为宽带微波应用的一个有前景的替代品。早前已发表的关于微波光子的综述文章均是基于分立器件实现的，SCIENCE CHINA Information Sciences（SCIS）特邀加拿大皇家科学院及加拿大工程院院士姚建平教授和西班牙瓦伦西亚理工大学Jose CAPMANY教授共同撰写长篇综述文章“Microwave photonics”，对分立微波光子系统和集成光子系统的最新进展进行了更加全面的总结。

Yao J P, Capmany J. Microwave photonics. Sci China Inf Sci, 2022, 65(12): 221401, https://doi.org/10.1007/s11432-021-3524-0

原文信息

本文工作

首先，介绍了基本的微波光子链路及其性能指标，包括链路增益（G）、噪声系数（NF）和无杂散动态范围（SFDR），其结构图如图1所示。

图1 微波光子链路

其次，研究了基于光子技术的高频低相位噪声微波信号产生技术，包括光注入锁定、光相位锁定、光外调制以及光电振荡，其中重点介绍了宇称-时间对称光电振荡器，其结构如图2所示。

图2 宇称-时间对称光电振荡器示意图

随后，分别研究了微波光子滤波器实现技术、任意波形产生技术（直接空时映射、频谱整形和波长时间映射以及时间脉冲整形）和宽带相控阵波束形成技术。

图3 不同材料平台下的波导结构

最后，着重介绍了可用于实现微波光子系统和子系统的材料平台，包括磷化铟（InP）、绝缘体上硅（SOI）、氮化硅（Si3N4）和绝缘体铌酸锂（LOI）(图3)。回顾了特定应用场景下的光子集成技术，包括可调谐滤波器、光电振荡器、瞬时频率测量和频率上下转换。介绍了可编程微波光子学的最新进展。

潜在应用场景

微波光子系统通常被视为模拟信号处理引擎的核心，位于信号采集设备和前端数字信号处理单元之间，在5/6G通信、物联网和工业4.0、车对车通信和自动驾驶、航空电子和无人机工程、高分辨率的传感和成像中有着广泛的应用前景(图4)。

图4 微波光子系统的不同应用场景

5G/6G通信，需要微波光子滤波器、光载无线通信和波束形成技术。

物联网和工业4.0，微波光子信号产生和传输技术可应用于人对人、人对机器和机器对机器通信以及传感器数据收集的混合光纤无线场景中。

车对车通信和自动驾驶，需要基于高频无线电信号生成和波束形成的雷达和激光雷达技术。

航空电子和无人机工程，需要集成先进、紧凑和灵活的射频信号发生器、天线波束形成器和宽带模拟通信。

高分辨率的传感和成像，这将需要集成先进的可调谐光电振荡器、太赫兹波的光学生成和光谱分析仪。

转自：“中国科学杂志社”微信公众号

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