微波光子学的简介共17页
微波光子学中的封装和制作技术
微波光子学中的封装和制作技术微波光子学是目前光电子学和微波电子学交叉的一个新兴的领域，是一种实现高频、宽带、低噪声和高灵敏度的器件的技术。
而微波光子学中的封装和制作技术则是实现这些器件的必要条件。
一、微波光子学中的封装技术封装是微波光子学中非常重要的一个环节，其主要目的是为了保证器件的性能和稳定性。
微波光子学中的封装技术主要分为两种类型，分别是面向封装和体向封装。
1. 面向封装面向封装是将微波器件直接封装在芯片的表面上，可以实现非常小的器件尺寸。
该封装方式主要应用于小型化的光电外延片、微型结构等器件中。
2. 体向封装体向封装是将微波器件封装在具有成形能力的模具中，将模具内的微波器件进行成型并进行真空封装。
该封装方式主要应用于高频器件、高温、高压和低温等极端工作环境下的器件。
二、微波光子学中的制作技术微波光子学器件的制作技术在保证器件性能和稳定性的同时，还要满足成本因素和生产效率。
微波光子学的制作技术主要包括单片集成制作技术、深刻蚀刻技术和光束刻蚀技术。
1. 单片集成制作技术单片集成制作技术是在微观范围中将不同器件采用同样的加工工艺进行制作，从而实现不同的任务和功能。
该技术主要是通过利用现代的超大规模集成电路提供的制始能力以及MEMS技术，将光芯片与微波芯片结合到一块单片中。
在单片上通过光电器件和微波器件的集成，实现更加高效的传输和控制功能，大大提升整个系统的传输速度和控制性能。
2. 深刻蚀刻技术深刻蚀刻技术是一种较为常用的微波光子学制作技术。
该技术主要通过使用高能量离子束作为蚀刻源，将离子束和芯片表面相互作用来剥离薄膜制造出微细的芯片或线路。
这样可以制作出规则和非规则的微波元器件，同时有效的降低器件的损耗。
3. 光束刻蚀技术光束刻蚀技术是一种利用高亮度的激光束进行直接刻蚀的微波光子学制作技术。
该技术利用激光束在芯片表面进行直接刻蚀，制作出的微细芯片或线路形状的精度和表面的质量都较高。
该技术特别适用于制造高频金属线路板和微波天线等高精度的微波器件。
二维材料的微波光子学特性及应用研究
二维材料的微波光子学特性及应用研究微波光子学是一门融合微波技术和光子学的新兴交叉学科,主要应用于宽带无线接入网络、传感网络、雷达、卫星通讯以及军事系统等领域。
近年来,对高速率、高带宽、高容量通信网络的应用需求进一步推动了微波光子学技术的发展。
其中,光生微波技术能有效的克服电子在产生高频微波方面的瓶颈,为新兴的光-无线网络在超宽带无线接入等方面提供了很好的解决方案。
为了匹配光通信系统的高速数据传输率以及光-无线网络的无缝接入,高频无线链路显得尤为重要。
由于W波段（75-110 GHz）具有较低的衰减损耗、超大带宽等优点,日益成为研究者关注的焦点。
另外,由于目前电信号处理速度极限为40 Gb/s,为了实现超高数据传输率,全光信号处理等也成为研究的重点。
高质量的微波信号是高速光载无线通信系统（ROF）的关键。
目前,研究人员已经提出了多种光学拍频产生微波技术的方案,例如在光域实现微波频率倍频,光锁相环,外调制技术等。
然而,这些方法都具有系统结构复杂,成本昂贵等特点。
近年来,石墨烯等二维原子晶体材料由于其独特的电子能带结构以及光学特性,引起了研究者的广泛关注。
基于石墨烯的宽带非线性特性,研究人员实现了非线性效应波长转换器件、窄线宽单纵模激光输出等。
最近,另一类二维狄拉克材料-拓扑绝缘体也引起了科研人员的关注。
与石墨烯不同,其体态是具有能隙的绝缘态,而表面态具有类石墨烯的金属态。
基于拓扑绝缘体与石墨烯的相似性,相关问题也引起了我们的思考。
拓扑绝缘体是否也像石墨烯一样拥有宽带可饱和吸收特性?是否也具有大非线性克尔效应?尤其是饱和吸收特性,以及大非线性克尔效应等在光生微波以及全光器件中拥有巨大的潜在应用价值。
本文围绕如何获得低成本、高效的光载无线通信系统,开展了基于二维原子晶体材料的新型单纵模光源、波长转换器件等研究工作,并探索了其在微波信号产生以及光载无线通信系统中的应用等工作,取得了以下几项创新性研究成果:（1）基于不同光学倍频方法和外差技术,理论和实验研究了高效倍频技术及W 波段微波产生技术。
微波光子学中的器件构造与性能研究
微波光子学中的器件构造与性能研究微波光子学是指将微波和光子学有机结合的学科，目的是设计高效、高速、高灵敏度的微波光子器件，应用于通信、雷达、天文学等领域。
在这个领域中，器件构造和性能研究的重要性不可忽视。
本文将讨论微波光子学中器件构造和性能研究的进展。
I. 模式锁定光纤激光器模式锁定光纤激光器是微波光子学中的重要器件之一，由于其优异的调制特性和噪声低的特点，已经逐渐被广泛应用于毫米波和亚毫米波通信系统中。
目前，模式锁定光纤激光器的制造一般采用飞秒激光脉冲模板法（Femtosecond laser pulse inscription）。
II. 光纤环路反馈器光纤环路反馈器是一种通信类光纤传输的重要器件，在微波光子学中也有广泛的应用。
它可以将一束入射光的一部分不断地反射回去，形成一个环路。
当反射光与入射光同相，就会放大能量；反之，就会抑制能量。
该器件的性能取决于光纤的长度、反射率、入射角和相位差等因素。
III. 光纤光栅光纤光栅是微波光子学中另一个重要的器件，广泛应用于光谱、波长转换和波导等领域。
该器件将光传输到纤芯和包层之间的耦合区域，通过调节耦合区域的结构来实现光的反射或透过。
该器件的性能取决于光纤的直径、折射率、耦合区域的长度和强度等因素。
IV. 光纤微环谐振器光纤微环谐振器是一种微型化器件，结构类似于光纤环路反馈器，它将光传输到环路中，并通过调节环路大小和六臂耦合器的调制来实现光谱滤波和波长选择。
该器件的性能取决于光纤环路的尺寸和形状等因素。
V. 利用量子点的微波光子探测器量子点是人工合成的极小尺寸半导体颗粒，具有高度的光电学性质，能够实现光电转换。
利用量子点，可以制造微波光子探测器，这些探测器具有超高的探测灵敏度和高速响应，可以用于雷达和卫星通信等领域。
VI. 结论微波光子学是一个快速发展的领域，其中器件构造和性能研究是关键。
本文介绍了几种常见的微波光子器件，并探讨了它们的结构和性能。
相信，在未来，微波光子学将会继续迎来新的发展和突破，为通信、雷达、天文学等领域带来更多的机遇和挑战。
MPF微波光子学滤波器详解 PPT课件
可调谐性
负系数
高Q值
从技术层面上考虑，微波光子学滤波器主要需要关注 的是其可调谐性、负系数与高Q 值的实现这三个方面。可 调谐保证了其灵活性，负系数则是为了实现高通和带通滤 波器，而 Q 值是体现微波光子学滤波器频率选择性的一 项重要指标。
前言 第1章 MPF的分类和性能指标
第2章 高Q、负系数、高阶MPF典型方案分析
直接在光域处理，再转换为电信号后下变频
MPF VS 传统射频滤波器
在传统射频电路中，由射频信号源或天线接收得到射频信号，注入到信 号处理的射频电路，即经下变频到基带信号后通过模数换分辨率 要求很高。该方法所实现的滤波器的最大弊端在于所设计的信号处理电路只 能实现特定频段微波信号的滤波功能,一旦微波信号的频率发生变化,就必须重 新设计新的信号处理电路。同时,在电域内处理信号时,带宽和采样频率将会受 限,且高频电路容易引起电磁干扰,增大损耗。
负系数滤波器的实现
非相干的MPF在探测器端是信号功率的叠加，一般只能实现正的加权系 数，这样滤波器的波形局限在低通，为了实现高通和带通的滤波器，需要 引入负系数。
为了得到负的加权系数，可以利用反相位调制。
基于 SOA 交叉增益调制效应实现负系数的方案
如图，利用了SOA的交叉增益调制效应来实现一个2路的FIR负系数 滤波器，可调谐激光器输出波长为λ1 ，DFB激光器输出波长为λ2 ，由 于SOA的交叉增益调制效应，下路信号光λ1上携带的微波信号转移到 探测光载波λ2上，且与λ1上的信号相位相反。载波λ1上的信号获得正 的加权系数，载波λ2上的信号获得负的加权系数，它们可以由激光器 的输出功率来调节。
高阶滤波器的实现
一般讨论的IIR滤波器都有唯一的单极点，即为一阶滤波器。一阶IIR滤 波器受到传递函数的限制，在实验中很难得到很高的Q值和滤波抑制比。
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01微波光子学滤波器概述Chapter微波光子学基本概念微波光子学定义01微波光子学应用领域02微波光子学技术031 2 3滤波器定义滤波器在微波系统中的作用滤波器性能指标滤波器在微波系统中的作用MPF技术原理及特点MPF 技术原理MPF技术特点MPF实现方式02 MPFChapter常见MPF结构类型光纤光栅型MPF利用光纤光栅的周期性折射率调制实现滤波功能，具有插入损耗低、带宽可调等优点。
环形谐振腔型MPF通过环形谐振腔的选频作用实现微波信号滤波，具有高Q值、窄带宽等特点。
Mach-Zehnder干涉仪型MPF基于Mach-Zehnder干涉原理，通过调节干涉臂长度实现滤波功能，具有灵活性高、可调谐范围大等优势。
工作原理及性能参数工作原理性能参数优缺点分析优点缺点03 MPFChapter设计方法论述基于传输线理论的设计方法时域有限差分法（FDTD）耦合模理论光电器件性能限制光电器件的带宽、损耗、噪声等性能会直接影响MPF的性能。
解决方案包括采用高性能的光电器件、优化器件结构和工艺等。
温度稳定性问题MPF的性能会随温度的变化而发生变化，影响滤波器的稳定性。
解决方案包括采用温度补偿技术、选择温度稳定性好的材料等。
偏振相关问题MPF对输入光的偏振状态敏感，不同偏振态下滤波器的性能会有所不同。
解决方案包括采用偏振不敏感的光电器件、设计偏振控制器等。
关键技术挑战及解决方案窄带MPF设计案例介绍了一个窄带MPF的设计过程，包括滤波器结构的选择、参数的优化、仿真结果的验证等。
该案例展示了如何根据实际需求设计出满足性能指标的MPF。
介绍了一个宽带MPF在无线通信系统中的应用，包括滤波器的性能指标、应用场景、实际效果等。
该案例展示了MPF在实际应用中的优势和潜力。
介绍了一个具有多种功能的MPF的设计和实现过程，包括多通带滤波、可调谐滤波等功能的实现方法和效果展示。
该案例展示了MPF设计的灵活性和多样性。
宽带MPF应用案例多功能MPF设计案例典型案例分析04 MPFChapter通信系统架构简介发射端包括信源编码、信道编码、调制等模块，用于将信息转换为适合传输的信号。
微波光子学简介
Jianping Yao, Microwave photonics. J. Lightw.Technol, vol.27, no.3, Feb.2009
1.Introducition
微波光子学是一门融合微波技术和光子学的新兴交叉学科,主要研究 微波与光学信号的相互作用。
2.Application 微波光子学的应用
radar
Satellite communication
2.Application
Sensor networkБайду номын сангаас
Warfare system
Optical Generation of Microwave Signals
在光域中产生微波或者毫米波信号通常使用光学外差法(Optical heterodyning)
光载无线通信（Radio-over-Fiber，RoF）
ROF技术充分利用光纤通信的极大带宽和无线通信无处不在的可移动 性，是未来超宽带无线移动接入的重要方案之一，同时在消除通信盲区(如 隧道)、楼内多媒体通信等方面有重要应用前景。 具体的应用如图所示。
ROF无线通信网络
ROF智能交通系统
其基本原理如下图所示，通过光电探测器将两个不同波长的光信号进行拍频,
在光电二极管的输出端，拍频后产生的电信号与两个光波的波长有关。
假定两个激光源的信号表达式为：
其中， E01和E02是信号的振幅ω1和 ω2为角频率φ1和φ2为两列光波的相 位。从光电探测器输出的光电流为
上式中其中A为与E01和E02以及光电二极管灵敏度相关的常量； 从上式可看出，产生的电信号的频率等于两列光信号的频率差，所以这种 方法叫做光外差法。然而，利用两个自由运转的激光拍频产生的微波或者毫米 波信号，其相位噪声很大，因为两列光波的相位不相关。为了产生相位噪声小 的微波可以采用以下方法：1）光注入锁定（Optical Injection Locking）2)光 锁相环（Optical Phase Lock Loop） 3）光注入相位锁定（ Optical Injection Phase Locking ）等等
微波光子学技术的发展和前景
微波光子学技术的发展和前景随着科学技术的不断发展，人们的生活也发生了天翻地覆的变化。
近年来，微波光子学技术的发展备受关注。
本文将对微波光子学技术的发展历程以及应用前景做出一些思考。
微波光子学技术的发展历程微波光子学技术最早可以追溯到上世纪60年代初期。
当时，研究人员在研究通信系统时发现，微波信号可以通过光纤传输，并在光的作用下进行处理。
这个发现引发了人们的兴趣，科学家们纷纷加入到微波光子学研究中来。
随着技术的进步，研究者不断地发现微波信号和光信号之间存在着非常密切的关系。
20世纪80年代是微波光子学技术的重要时期。
在这一时期，研究者利用激光器和光纤等光电子元件，初步实现了微波光子学技术的实用化。
1990年代，微波光子学技术出现了一些重要的突破，比如光电振荡器、频率制式转换器、光电混合器等。
这一时期，微波光子学技术的应用范围进一步扩大，已经能够应用于卫星通信、无线通信等领域。
21世纪初期，随着技术的发展和研究者的不断努力，微波光子学技术得到了更为广泛的应用。
比如，光制式转换器的功率提高了一个数量级以上，光电混合器的带宽实现了Gbps量级。
这些技术的突破，使得微波光子学技术在高带宽通信和雷达系统方面得到了广泛的应用。
此外，在光存储器和光时钟等领域，也出现了一些重要的进展。
微波光子学技术的应用前景微波光子学技术的应用领域非常广泛，特别是在信息通信领域，具有重要的意义。
微波光子学技术可以通过光纤传输大量的信息，且具有高带宽、低损耗、低延迟等优点，使传输速度更快。
微波光子学技术还可以扩展无线通信的频带，提高通信质量和信号传输距离。
此外，在雷达和信号处理中也有广泛的应用。
光时钟可以提高雷达信号的精度，并且可以进行高分辨率成像。
微波光子学技术的应用能够传输和处理大量的信息，使得数据的处理速度更快。
此外，微波光子学技术还在军事和航空领域得到广泛应用。
比如，在卫星通信和导航领域，微波光子学技术需要具有高精度、高带宽等特点，以满足数据通信和导航需求。
微波光子学在光纤通信中的应用研究
微波光子学在光纤通信中的应用研究随着现代通信技术的不断发展，光纤通信已经成为了当前最为先进、高效、可靠的通信方式之一。
然而，为实现更快、更高效地数据传输，微波光子学技术的出现受到了广泛关注，并被应用于光纤通信领域。
微波光子学是一种新兴的交叉学科，它将微波技术和光子学结合在了一起。
通过将微波信号转换成光信号，然后再利用光学方法对信号进行调制、传输和解调，从而实现了光与微波信号之间的互换。
这种交叉融合的技术，在物理、电子、通信等领域都有广泛的应用。
在光纤通信中，微波光子学技术能够有效地解决一系列问题。
具体来说，这种技术能够对光信号进行频率调制和解调，实现多波长光传输，从而大大提高了数据传输速率和带宽。
此外，微波光子学技术还能够延长高速数据在光纤中传输的距离，提高传输质量和可靠性。
在实际应用中，微波光子学技术常用于光纤通信的调制解调、时钟配合和信号延迟控制等方面。
其中，光纤通信系统中的时钟配合问题是非常复杂的。
由于不同光电器件系统的时钟同步和多路复用，很容易造成时钟误差和不同系统之间的不同步。
而微波光子学技术通过将微波信号转换成光信号，并在微波和光波两端均采用独立时钟来进行控制，可以使得多路复用的数据更加稳定、高效。
在微波光子学技术的研究中，还有一些需要特别注意的问题。
例如，应考虑如何避免光噪声和其他干扰因素对光信号的干扰，以及如何降低传输损耗和提高传输效率等。
此外，微波光子学技术在卫星通信、广播电视转播等领域也具有广泛的应用前景，这给研究者提出了更高的要求。
总之，微波光子学技术在光纤通信中的应用研究具有重要的意义。
它有望为我们开辟出更加广阔的数据超高速传输和光纤通信领域的应用前景，甚至还能够为今后的科学研究提供更多有力的支持和帮助。
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一． 微波光子学的原理和技术特点 二． 应用 三． 总结
1
一、微波光子学系统的基本结构
天线
微波电路系统的一般结构
输入微波信号
微波电路
输出信号 （微波或中频信号）
天线 输入微波信号
光源 光载波
微波光子学系统
光调制器 输入光信号
光信号处理
输出光信号
光接收机
输出信号（微波或中频信号）2来自一、微波光子学的技术特点
用途： （1）移动通信的天线系统。 （2）雷达
美国AN/SPQ-9B ADM雷达，2019年。
X波段，带宽1.3MHz，信噪比大于75dB。
6
2、多基地雷达
特点
提高对隐身目标的截获概率。
微波光子学的角色
➢ 在子站与控制中心之间传输控制和数据信号， 保密性好。
➢ 通过光纤双向传输实现时钟与本振同步，比无 线方式的可靠性高。
1. 瞬时带宽大
➢ 微波电路： 载频~GHz， 带宽<200MHz。 ➢ 光子学系统：载频200THz，带宽>400GHz。
2. 传输损耗低（0.2dB/km） ➢ 实现长腔、低损耗的高Q值谐振腔
用于高性能滤波器、振荡器。
➢ 射频和微波信号的远程传输
用于远置天线和多基地雷达。
3. 稳定度高 4. 抗电磁干扰 5. 集成度高、体积小
X波段滤波器的3db带宽小于20MHz，插损5dB。 是腔体滤波器和共面波导滤波器无法实现的。
3. 集成光延迟线和微波存储（俗称光冻结）
单器件的延迟时间大于100ps。
4. 光采样
直接对微波信号进行模数转换，比电子式模数 转换器多10个有效位，动态范围约增大10dB。
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总结
1. 微波光子学的优点是传统电子器件无法实 现的，能够带来系统性能的显著提升。
脉冲宽度：<1ns 带宽：20MHz~1.5GHz
特点：穿透力强、分辨率高 应用：机载短程雷达
➢ 侦察树林里的移动目标。 ➢ 探测非金属伪装下的目标。 ➢ 探测埋入地表的地雷。 ➢ 探测掠海导弹
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4、高杂波抑制能力的接收机
传统雷达的超外差接收机
杂波与信号混合，一起下变频、模数转换， 动态范围要求高，对目标信号的截获能力弱。
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3. 超宽带相控阵天线
电控相控阵天线的本质缺点：斜视现象
电移相器的相移随频率而变。 波束方位角随频率而变化。
技术困难：无法实现宽带相控阵天线 宽带雷达的脉冲窄，分辨率高，频谱宽。 脉冲内的频率成分多，波束不能始终对准目标。
光控相控阵天线的优点：无斜视现象
可实现高分辨率的超宽带雷达。
8
例：低频超宽带合成孔径雷达
3
微波传输损耗
4
二、应用
1. 远置天线：移动通信和军事 2. 多基地雷达 3. 超宽带相控阵天线 4. 高杂波抑制能力的接收机 5. 电子战 6. 精确时钟 7. 微波功能器件、
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1、远置天线
特点：
数据与控制中心与天线分开。
优点：
➢ 天线成本降低，可靠性提高 ➢ 降低军用天线的热辐射，降低被发现的概率。 ➢ 避免控制中心被攻击。
下变频
模数 转换
数字 对消
微波光子学接收机
杂波刚下天线就被滤除，与目标信号分离， 动态范围要求降低，对目标信号的截获能力强。
微波光子学 杂波陷波器
下变频
模数 转换
数字 处理
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5、电子战：拖曳雷达诱饵
用于欺骗来袭导弹
电子支援 接收机
飞机
欺骗信号 发生器
光发射机
拖曳光缆
诱饵
光接收机
电子对抗 发射机
飞机拖曳雷达诱饵 （英国GEC-Marconi公司）
2. 微波光子学在移动通信系统中广泛用于天 线信号的传输。
3. 在军用雷达和信号处理方面有很广阔的应 用，是下一代雷达和电子战的主要发展方 向。
4. 在高速数模转换和高性能本振和滤波器等 功能器件方面具有很好的应用前景。
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谢谢！
xiexie!
谢谢！
xiexie!
2019年
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5、电子战
大瞬时带宽的信道化接收机
➢ 系统总瞬时带宽大于6GHz。 ➢ 信道隔离度大于40dB。 ➢ 单机信道数量大于10，可达64以上。 ➢ 集成度高、体积小。
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6.高稳定时钟
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7、微波功能器件
1. 低相位噪声微波和毫米波振荡器
相位噪声低于电子式合成信号源20dB。
2. 高Q值滤波器