微波光子学基础

*为设计和构建具有优良RF性能的模拟光子链路提供全面参考的专著。
*以方便使用的形式提供了链路设计时所需的相关公式，便于快速查阅。
*全面分析了模拟光子链路的结构及其在RF系统中的应用。 

本书是一本有关微波光子学原理与应用的专著。在书中作者结合自己在美国海军研究实验室（U.S. Naval Research Laboratory）从事模拟微波光子链路的研究实践，从模拟微波光子链路的原理与应用这一视角介绍了微波光子学的基本原理，并综述和展望了模拟微波光子链路的应用及其未来的发展趋势。全书共分为十章，内容涵盖微波光子学的基本概念；射频系统与光子学系统的性能参数；基于不同调制方式的模拟微波光子链路的理论模型和其中有关信号传输的关键问题，包括链路中的噪声、畸变和非线性效应等；以及模拟微波光子链路的应用。

项鹏，解放军理工大学通信工程学院讲师，博士研究生，专业方向为电磁场与微波技术（光通信方向）。作为项目负责人或主要成员完成和参与国家、江苏省及军内省部级以上科研项目的研究多项。在《Optics Express》、《Photonic Technology Letters》、《Optics Letters》、《中国激光》、《光学学报》国内外学术期刊上，及“ICMMT”、“ACP”等国际重要学术会议上发表论文20余篇，其中SCI检索10余篇、EI检索10余篇。此外，申请国家发明专利2项。多次独立承担本科生、研究生，及外国留学生的教学工作，独立承担课程10余门次。应邀进行校外专家讲座2次。今年来在《解放军理工大学学报（综合版）》、《新时代教育教学》等教育类学术期刊上发表论文8篇

Vincent J. Urick Jr. 博士，于2001年加入美国海军研究实验室（NRL），他主持了实验室应用射频光子学部门的研究工作。
Jason D. Mckinney. 博士，于2006年加入NRL，目前他在实验室主持微波光子学部门的研究工作。在加入NRL之前，他早在2001年就开始在普度大学作为主要成员从事微波光子学领域的研究。
Keith J. Williams, 博士，自1987年便加入NRL，在那里他主持了该实验室光子技术分部的研究工作。

目录
第1章绪论
1.1光纤光子链路的技术发展与优势
1.2模拟与数字光纤链路
1.3基本光纤光学器件
1.4射频系统中的模拟链路
参考文献

第2章模拟性能参数
2.1散射矩阵
2.2噪声系数
2.3动态范围
2.3.1压缩动态范围（CDR）
2.3.2无杂散动态范围
2.4级联系统的分析
参考文献

第3章光纤链路中的噪声源
3.1基本概念
3.2热噪声
3.3散粒噪声
3.4激光器
3.5光放大器
3.5.1掺铒光纤光放大器
3.5.2拉曼和布里渊光纤放大器
3.5.3半导体光放大器
3.6光电检测器
参考文献

第4章光纤链路中的畸变
4.1简介
4.2电光转换中的畸变
4.3光放大器中的畸变
4.4光电检测器中的畸变
4.4.1光电检测器的畸变测量系统
4.4.2光电检测器中的非线性机理
参考文献

第5章光纤传播效应
5.1简介
5.2双重瑞利散射
5.3光纤链路中的RF相位
5.4色度色散
5.5受激布里渊散射
5.6受激拉曼散射
5.7交叉相位调制
5.8四波混频
5.9偏振效应
参考文献

第6章外强度调制与直接检测链路
6.1基本概念与链路结构
6.2信号的传输与增益
6.3链路的噪声与性能参数
6.3.1通用方程
6.3.2散粒噪声限制条件下的方程
6.3.3RIN限制条件下的方程
6.3.4对于折中考虑的分析
6.4与光电二极管相关的问题与解决方法
6.5线性化技术
6.6传播效应
参考文献

第7章外相位调制与干涉仪检测链路
7.1简介
7.2链路的信号传输与增益
7.3链路的噪声与性能参数
7.4链路线性化技术
7.5传播效应的影响
7.6用于光相位调制信号的其他技术
参考文献

第8章其他模拟光学调制方法
8.1激光器的直接调制
8.1.1直接强度调制
8.1.2直接频率调制
8.2基于MZM的载波抑制调制
8.3单边带调制
8.4采样模拟光子链路
8.4.1基于采样模拟光子链路的RF下变频
8.4.2用采样链路来缓解受激布里渊散射的影响
8.5偏振调制
参考文献

第9章大电流光电探测器
9.1光电探测器的压缩效应
9.2有限的串联电阻带来的影响
9.3热负荷的限制
9.4空间电荷效应
9.5光电检测器的功率转换效率
9.6大功率光电检测器的进展
参考文献

第10章应用与发展趋势
10.1点对点的链路应用
10.2模拟光纤延迟线
10.3基于光子学的射频信号处理
10.3.1宽带信道化处理
10.3.2瞬时频率测量
10.3.3下变频
10.3.4相控阵波束成形
10.4基于光子学的RF信号产生
10.5毫米波光子学
10.6集成微波光子电路
参考文献

附录I 单位与物理常数
附录II电磁辐射
附录III正弦信号的功率、 电压和电流
附录IV三角函数附录V傅里叶变换公式
附录VI贝塞尔函数

译者序
随着人类社会的发展步入信息时代， 多种宽带通信业务的出现和用户数量的激增都推动着通信技术向着容量更大的方向发展。为此， 人们不断提高现代通信系统中信息载体–电磁波的频率， 以期望获得更大的带宽。尤其是在无线通信领域， 通信载波的频率已经从微波频段发展到了毫米波频段， 并继续向太赫兹频段发展。此时， 传统基于电子学的器件和手段在应对如此高频、 大带宽的信号产生、 传输和处理等方面已经越来越显得力不从心。在此条件下人们开始另辟蹊径， 采用光子学的原理和手段来实现高频毫米波、 太赫兹波信号的产生、 传输与处理。基于光子学的器件和手段能够有效地克服传统电子学器件的“电子瓶颈”， 还具有体积小、 重量轻、 可调范围大， 抗电磁干扰等优势， 同时利用光纤所具有的大带宽、 低损耗优势， 可以很容易地实现毫米波和太赫兹波信号的传输与覆盖范围。于是这种基于光子学原理和手段来实现高频微波、 毫米波以及太赫兹信号的产生、 传输、 处理和测量的交叉学科——微波光子学， 便应运而生。近年来， 微波光子得到了学术界和业界的广泛关注， 使得其相关技术得到了飞速的发展， 并已经从基础性的原理研究走向了实际应用。
《微波光子学基础》从模拟光子链路这一重要应用领域的视角出发， 全面阐述了微波光子学的基本概念和基本原理；基于相关的物理模型， 推导了模拟光子链路的重要性能参数， 并给出了重要数学公式；在考虑不同信号调制方式的条件下深入地分析了链路中噪声、 畸变和光纤传输效应等核心问题。后， 还介绍了微波光子学在微波信号处理及测量系统， 和射电天文学、 任意波形发生器等领域中的应用。本书内容全面， 实用性强。其作者长期在美国海军实验室从事微波光子学领域的研究， 近年来发表了大量的学术论文， 在业界颇具影响力。而本书的很多内容都来自于作者的研究成果， 可为从事微波光子学领域教学和科研工作的广大师生及工程技术人员提供有益参考。然而目前国内有关微波光子学的专著还不多见， 也缺少一本专门介绍模拟光子链路这一实用技术的高水平书籍。因此， 我们组织翻译了这本书， 希望能对国内从事相关领域工作的读者有所裨益。
本书由中国人民解放军理工大学通信工程学院项鹏博士主持翻译。译者长期从事微波光子学领域的教学和研究工作， 近年来在该领域主持和参与了多项和省部级自然科学基金的研究工作， 具有较强的相关理论基础。同时， 多年从事外国留学生的相关专业课程教学， 和多次外文书籍的翻译实践也使得译者具备了所需的英语运用能力和翻译工作经验。在本书的翻译过程中， 项鹏完成了第3至第7章的翻译， 此外， 参与本书翻译的还有本校的蒲涛教授， 他完成了第1至第2章的翻译， 以及本校的沈荟萍博士完成了第8至第10章的翻译， 全书的统稿和审校由项鹏完成。
在此， 译者要感谢电子工业出版社的冯小贝编辑给予我们这次书籍翻译的机会， 感谢蒲涛教授为本书的翻译提供了资金支持。由于受到时间精力和译者水平的限制， 译文中可能会存在一些错误和疏漏之处， 肯请广大读者不吝赐教、 批评指正。如需来信， 可发至电子邮箱：

译者2016年6月于南京

前言
我们认为本书全面地阐述了微波光子学领域的内容， 该领域有时也被称为射频（RF）或模拟光子学。这本书所面对的读者群涵盖工程或物理专业的高年级大学本科学生直至本领域的专家。本书对微波光子学领域的阐述注重基础， 因此可用于高年级本科生或研究生的课程教材来向学生介绍微波光子学。虽然本书没有包括专门的习题集， 但是书中给出了许多例子， 教师只要发挥一点想象力， 就可以设计出课后作业。我们希望本书可以令本领域经验丰富的专家、 学者都觉得有很多用处。我们已经尽力在本书有限的篇幅中提供尽可能多的基础物理学知识。有时， 对于微波光子的应用来说， 这些知识可以忽略。书中针对各种不同应用场景， 用大量的曲线描述了微波光子链路的性能边界。每章都包括一个完整的参考文献列表， 且包含了原始的参考文献。本书提供了许多便于使用的公式， 可供读者迅速查阅使用。的确， 我们真心希望本书可以在实验室、 应用现场或是设计会议等场合都为人们提供一个常备的参考资料。
我们希望这本书的内容从页到后一页都连续流畅， 而且我们相信本书已达到了这一初衷。我们建议本领域的初学者好按顺序来阅读本书， 因为后继章节的内容是建立在前面章节的基础之上的。而对于在本领域有一定学习和研究经验人， 则可以很容易地找到每个独立章节的索引导航。第1章简要介绍微波光子学领域的内容， 该章内容相对独立， 并引出了内容更为详尽的后续章节。第2章主要描述量化微波光子系统性能的参数指标， 而这些指标是从光学领域中剥离出来的。第3~5章的内容阐述了噪声、 失真、 信号的传输与光纤非线性等内容， 这些内容都与微波光子紧密相关。而这三章内容都并非针对任何一种调制方式， 而是旨在对微波光子链路给出更一般性的阐述。具体的调制及相应的解调技术在第6~8章中阐述， 这些内容用到了前四章中给出的基础知识。在第6章中， 重点介绍了基于马赫-曾德尔外调制器的强度调制和直接检测方案。该技术无疑是当今为流行的调制解调方式， 因此做了彻底的阐述。第7章介绍了相位调制方案， 但比起前面一章， 内容没有那么详细。第8章全面却相对简要地介绍了各种其他的调制方式。第9章集中讨论了高功率光电检测器。第10章介绍相关系统与子系统的应用， 并描述了当前该领域中的一些发展趋势。
我们自己在撰写本书过程中也对微波光子学领域中的许多问题得到了更完整的认识， 并激发了许多新的想法。我们也真心地希望所有阅读本书的人能够从中获得同样的收获。

Vincent Urick
Jason McKinney
Keith Williams
华盛顿特区， 2014年4月致谢
本书为作者个人所撰写的， 因此本书中所表达的观点仅代表本书的作者， 不代表美国海军实验室（NRL）、 美国海军或政府官方的观点。但是， 如果没有NRL对我们整个职业生涯的支持， 我们也是无法完成本书的。NRL所提供的工作环境， 使得我们的研究工作稳步前进， 并对微波光子学技术的实验和理论获得透彻的理解。而如果没有NRL管理层的支持， 这些都是不可能的， 特别是主管和部门负责人为我们在这一重要技术领域取得进展提供的仪器、 设备的支持。在此要对以下各位表示感谢： Francis Klemm博士， Thomas Giallorenzi博士、 John Montgomery博士、  Joseph Weller博士、 Ronald Esman博士、 Michael Monsma先生和Don Northam博士。我们还要感谢工作在NRL的各位员工， 无论是过去还是现在， 他们都对微波光子学的发展做出了贡献。
我们很感谢在过去的岁月与我们一起愉快工作的无数同事们。本书中所引用的文献已经指出了那些曾给予我我们启发的人的名字， 但是其中有些人还应该在此特别提出。首先是NRL的Frank Bucholtz博士， 他在我们分析和理解模拟光子链路的过程中给出了重要见解。虽然我们在书中已经引用了他的工作， 但是他对于我们的进步所做出的贡献其实远超过了那些。美国海军学院物理系的Nicholas Frigo教授帮助我们完成了书中有关偏振效应的章节。NRL的 Carl Villarruel先生（已退休）曾花费了无数时间与我们讨论了微波光子学的技术细节， 尤其在关于光纤效应的领域。美国空军研究实验室的Preeetpual Devgan博士对属于调制格式的重要概念进行了仿真。雷神公司的Andrew Kowalevicz博士激发了我们关于不同媒质中光场的有用观点。NRL的Marcel Pruessner博士在微波光子硅基集成的应用领域为我们提供了重要的反馈意见。美国陆军研究实验室的Olukayode Okysaga博士在光电振荡器专题方面为我们提供了重要的见解。美国空间与海军武器系统司令部的Bill Jacobs先生在微波光子应用和专业职责方面为我们提供了不同观点。我们还要感谢约翰?霍普金斯应用物理实验室的小Thomas Clark博士在关于多倍频毫米波光子学和信号处理方面与我们一起讨论。后， 我们还希望对所有我们指导过的十分要求上进的学生， 以及所有那些我们曾教导过的人们， 是他们给了我们传承自己知识给他人的机会。在指导他们的过程中， 我们深刻地意识到： 直到我们能够将知识传授给别人的时候， 我们才算是真正获得了对这些知识的理解， 而关于这一点我们在撰写本书的过程中曾有千百次的体会。
除了上面提到的对专业领域工作者的感谢， 还要那些对我们影响深远的人。如果没有我们的父母和家人的支持， 这本书也是不可能完成的。我们的妻子和孩子们在我们完成本书的过程中也给予了大量的支持和让步。我们永远感谢我们的父母： Vincent Urick Sr.、 Susanne Urick、 Dwight McKinney、 Deborah McKinney 和 Gertrude Williams， 是他们培育了我们的智力与好奇心， 并给我们灌输着职业道德， 这些都是我们能够完成本书所必需的品质。Paul Urick, 一位年长的来自宾夕法尼亚州的农民， 和一位曾经于1944年在奥马哈海滩幸存的好心人Norman Zlotorzynski, 总是在我们需要的时候给予我们灵感。这两位在本书的写作过程中都去世了， 不然他们也应该希望看到我们这本完成的著作。