集成微波光子技術 祝甯華 李明 陳向飛 9787030801227 【台灣高等教育出版社】

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書名：集成微波光子技術
ISBN：9787030801227
出版社：科學
著編譯者：祝甯華 李明 陳向飛
頁數：xxx
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書號：1696878
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內容簡介
集成微波光子技術通過微波光子器件的集成，可顯著降低微波光子系統的體積、質量和功耗，是微波光子學的主要發展方向之一。《集成微波光子技術》系統介紹集成微波光子芯片的原理設計、芯片製備和封裝測試技術，並對面向微波光子信號產生、處理和傳輸等不同功能的集成微波光子芯片的研究進展進行了詳細的梳理和總結。

目錄

目錄

叢書序
序
前言
第1章 緒論 1
參考文獻 5
第2章 微波光子學基礎 7
2 1 引言 7
2 2 微波光子鏈路 7
2 3 微波光子技術的主要應用 12
2 3 1 微波光子信號產生技術 12
2 3 2 微波光子濾波 17
2 3 3 光子真時延與波束成形 20
2 3 4 微波光子頻譜偵測 21
2 3 5 基於微波光子的模數轉換 22
參考文獻 24
第3章 微波光子器件與集成技術 30
3 1 引言 30
3 2 半導體激光器與激光陣列 30
3 2 1 半導體激光器基本原理 31
3 2 2 波分複用技術與多波長激光陣列 33
3 2 3 大規模重構–等效啁啾精準激光器陣列 36
3 3 電光調製器 41
3 3 1 鈮酸鋰薄膜電光調製器 42
3 3 2 III-V族電光調製器 52
3 3 3 硅基電光調製器 61
3 4 光電探測器 74
3 4 1 探測器芯片的基本概念 74
3 4 2 光電探測器基本結構與工作原理 76
3 4 3 UTC探測器芯片 80
3 5 集成無源光器件 85
3 5 1 光學波導理論 85
3 5 2 合分波波導 92
3 5 3 微環濾波器 99
3 5 4 馬赫–曾德爾濾波器 104
3 5 5 波導布拉格光柵 106
3 5 6 陣列波導光柵 110
3 6 集成微波光子器件封裝 113
3 6 1 異質異構集成技術 113
3 6 2 半導體激光器的封裝 128
3 6 3 電光調製器的封裝 136
3 6 4 光電探測器的封裝 150
參考文獻 152
第4章 集成微波光子信號產生芯片 162
4 1 引言 162
4 2 集成化光電振盪器 162
4 2 1 光電振盪器的基本原理 162
4 2 2 單材料體系集成化光電振盪器 169
4 2 3 混合集成光電振盪器 171
4 3 集成化任意波形產生芯片 173
4 3 1 任意波形產生的基本原理 173
4 3 2 線性調頻信號產生芯片 174
4 3 3 複雜波形產生芯片 175
4 4 光外差信號產生芯片175
4 4 1 光外差法的基本原理 175
4 4 2 基於光注入的光外差信號產生芯片 177
參考文獻 184
第5章 微波光子信號傳輸 189
5 1 引言 189
5 2 高速光發射與接收模塊 191
5 2 1 光發射模塊的設計和封裝 191
5 2 2 光發射模塊關鍵特性測試與分析 195
5 2 3 基於光發射模塊的高速光傳輸 200
5 3 大動態微波光子射頻前端 204
5 3 1 微波光子射頻前端基本原理 204
5 3 2 微波光子射頻前端的測試結果 207
5 4 穩時穩相傳輸 214
5 4 1 微波光子穩時穩相傳輸基本原理 214
5 4 2 主動相位補償 215
5 4 3 被動相位補償 218
參考文獻 226
第6章 微波光子信號處理芯片 230
6 1 引言 230
6 2 集成微波光子濾波器231
6 2 1 集成非相干微波光子濾波器 233
6 2 2 集成相干微波光子濾波器 237
6 2 3 先進集成微波光子濾波器 244
6 3 可編程微波光子信號處理芯片 244
6 3 1 時間積分器 245
6 3 2 時間微分器 246
6 3 3 希爾伯特變換器 247
6 4 光計算芯片 247
6 4 1 基於光的衍射的光計算芯片 249
6 4 2 基於光的干涉的光計算芯片 249
6 4 3 基於波分複用的光計算芯片 252
6 5 通用光子信號處理器254
6 5 1 前向網絡 254
6 5 2 循環網絡 255
6 5 3 應用 256
參考文獻 258
第7章 集成光延遲線與波束成形 266
7 1 引言 266
7 2 共振式光延遲線 266
7 2 1 微環諧振器光延遲線 266
7 2 2 光柵光延遲線 273
7 3 多波導切換式光延遲線 281
7 3 1 多位可重構型光真延遲線 281
7 3 2 環路存儲型光延遲線 287
7 4 波束成形 288
參考文獻 289
第8章 頻譜感知芯片 291
8 1 引言 291
8 2 硅基頻譜感知芯片 293
8 2 1 基於硅基微環諧振器的頻譜感知芯片 293
8 2 2 基於硅基相移波導布拉格光柵的頻譜感知芯片 295
8 2 3 基於片上四波混頻的頻譜感知芯片 295
8 2 4 性能優化的硅基頻譜感知芯片 298
8 3 基於其他材料體系的頻譜感知芯片 308
8 3 1 磷化銦基頻譜感知芯片 308
8 3 2 氮化硅基頻譜感知芯片 309
8 3 3 硫化物頻譜感知芯片 310
8 3 4 混合集成頻譜感知芯片 311
參考文獻 312
第9章 微波光子多功能系統集成芯片 314
9 1 引言 314
9 2 集成微波光子變頻技術 314
9 2 1 微波光子變頻技術的基本原理 314
9 2 2 集成微波光子變頻芯片 315
9 3 集成微波光子數模轉換 319
9 3 1 微波光子數模轉換的基本原理 319
9 3 2 集成微波光子數模轉換芯片 320
9 4 集成微波光子雷達芯片 322
9 4 1 微波光子雷達 322
9 4 2 集成微波光子雷達芯片原理及應用 323
9 5 微波光子多功能系統集成芯片的發展態勢和應用前景 330
參考文獻 334
索引 336

精彩書摘
第1章 緒論
微波光子學（microwavephotonics，MWP）是融合了微波（射頻）技術和光子技術的新興交叉學科，基於光域實現對髙頻寬帶微波信號的產生、處理、傳輸及接收，以此為基礎實現微波光波融合系統。微波光子技術充分發揮了無線靈活泛在接入和光纖寬帶低耗傳輸的優勢，可以實現單純無線技術和光纖技術難以完成甚至無法完成的信息接入、處理與傳輸組網功能，具有帶寬大、傳輸損耗低、質量輕、快速可重構及抗電磁干擾等優點，是未來信息處理與接入的必然發展趨勢與有效解決途徑。隨著相關技術的發展，微波光子學在通信、傳感、生物、醫學、軍事和安全等不同領域都可望凸顯優勢，尤其在5G/6G/B6G移動通信與無線接入、多波束光控相控陣雷達以及電子戰系統中有著廣闊的應用前景。
如圖1-1所示，一個典型的微波光子系統主要由激光器光源、電光調製器、信號處理單元和光電探測器組成[4]:從天線或射頻源產生的頻率為/RF的射頻輸入信號將光源輸出的光譜信號上變頻為光頻率信號，調製後會在頻率為〃士/RF處形成一對邊帶，其中〃是光源的中心頻率。合成的光信號隨後被光信號處理器系統處理以修改其邊帶的光譜特性。*後，使用光電探測器通過與光學載波拍頻，對邊帶信號進行下變頻處理，就可以恢復出被處理的射頻信號。
在經歷了幾十年的發展後，微波光子學在理論方法和系統方案層面都已取得了長足的進步與發展。微波光子系統可以用來實現如天線遙感、微波光子濾波、微波光子信號產生、頻譜偵測與感知、真時延、移相、波束形成、數模轉換和微波光子雷達等諸多功能。
目前，微波光子系統仍然以分立器件為主，通常是利用分立的光電器件、標準尺寸的光纖以及光纖器件實現的。傳統光電器件和光纖器件通常十分笨重、昂貴且功耗高，導致搭建的微波光子系統十分笨重，不夠輕便靈活，因此導致應用場景受限。為了推廣微波光子系統，必須使系統的體積、質量、功耗下降，同時也要使系統有可重構性與靈活性，以滿足各種場合的應用要求[4]。
基於上述目標，人們開始研究集成微波光子學。顧名思義，集成微波光子學致力於將微波光子器件小型化，集成到光學芯片上，從而使得系統的體積、質量、功耗下降。作為目前微波光子技術發展的主要方向之一，集成化也是微波光子技術走向實用化的前提，以滿足未來無線通信、儀器儀錶、航空航天及國防等領域應用對帶寬、安全性、探測精度、測量範圍、體積、質量、功耗等的要求。
微波光子集成芯片研究大致分為建模與設計、流片與封測、驗證與實用化三個階段。針對建模與設計平臺、流片與封測階段，目前歐美已聯合構建了基本完善的仿真與設計工具軟件體系、流片工藝平臺與測試封裝平臺，並依託這些聯合平臺開發了一系列微波光子集成芯片，集成芯片即將替代微波光子系統中部分分立器件進入實用化階段。目前我國仿真與設計的自主工具軟件幾乎為空白，而在芯片製備和封測方面，國內的工藝平臺在數量、水平以及完整性方面與國外仍有較大差距，同時也缺乏較為完整的微波光子芯片測試封裝研發平臺。
集成微波光子系統的研究包含架構設計、芯片製備、封裝測試等，是一個非常複雜的系統性工程，難以由少數幾個單位完成。目前國際上大多採用類似集成電路的發展模式，設立專門機構從事芯片加工、封裝技術的研究，採用多項目晶圓的模式進行流片。歐盟和美國都已圍繞微波光子集成芯片與器件構建了從芯片設計、製造、測試到封裝的一體化研發平臺，同時也成立了完善的研發機構聯盟。
美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced ResearchProjects Agency，DARPA）在2005年推出EPIC（Electronic and Photonic Integrated Circuits）計劃，研究桂基光電集成回路，並於2007年開始實施UNIC（Ultraperformance Nanophotonic Intrachip Communication）計劃，繼續對髙性能硅基集成光互連進行研發。2015年成立的美國集成光子製造研究所（AIMPhotonics）旨在開發新型快速的光子集成製造技術和工藝方法，促進光子集成電路的設計、封裝、測試與互連，構建從基礎研究到產品製造的全產業鏈集成光子學生態平臺，以解決高動態範圍、超低損耗、寬帶光子集成芯片和微波頻率電集成芯片的大規模製造等難題。AIMPhotonics由多家公司、綜合性大學、學院和非營利組織構成。歐盟的JePPIX和ePIXfab也打通了芯片設計、製造、封裝與測試流程，實現了一體化的微波光子集成芯片與器件研發平臺。
在面向雷達系統的集成微波光子技術研究方面，美國、歐洲、日本、俄羅斯等國家和地區均開展了研究，其中意大利國家光子技術研究中心基於光子學的全數字雷達系統PHODIR（photonics-based fully digital radar system）項目於2009年年底啟動，該中心研製出*台全數字微波光子雷達系統，現已在微波光子雷達技術方面處於第1第1地位。而後在2015年2月，PHODIR項目小組基於一個鎖模激光器（mode-locked laser，MLL）將激光雷達系統和微波光子雷達系統集成起來，減小了硬件的體積和功耗，提供了多角度環境感知的能力。同期，歐盟設立了東西方作戰通信服務（Eastern Western Operational Communications Services，EWOCS）項目，由BAE系統（BAESystems）公司牽頭，成功研製出微波光子電子戰吊艙。
面向無線通信的微波光子集成技術也一直是歐洲重點發展的領域之一。在過去十餘年中，歐盟連續資助了一系列研究項目用於支持微波光子的通信技術研究，在元器件、關鍵技術和系統架構方面均取得了顯著的成果。歐洲航天局（European Space Agency，ESA）在基於微波光子技術的新型衛星載荷方面進行了大量研究:針對提升星上數據交換能力，ESA提出了以光子技術為基礎的用於超快信號的光學技術（Optical Technologies for Ultra-Fast Signal，OTUS）計劃，目的在於實現支持太比特/秒級容量的交換技術，以支持星上包交換和突發交換應用；針對多波束的大容量通信衛星信號處理能力，ESA進行了”微波和數字信號的光學處理”項目研究，利用微波光子技術完成衛星轉發功能，且已經完成了系統級的地面演示驗證試驗，並進行了在軌實驗。
在微波光子集成芯片設計仿真平臺方面，國內起步較晚，華大九天通過多年積累研發的Aether設計工具具有微電子芯片的全鏈條仿真設計能力；山東大學團隊開發完成了光電子集成仿真設計工具；西南交

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