片上高Q微环谐振器凭借其小尺寸、窄带宽及灵活调谐等特性，成为微波光子学领域实现高性能滤波器、延迟线、频率梳及信号处理等核心功能的关键元件，近年来得到广泛的关注与研究。本文围绕片上高Q微环谐振器的设计及其在微波光子学领域的应用展开综述。首先，阐述高Q微环谐振器的基本结构特征、理论分析方法及关键性能参数，为理解和设计高Q微环谐振器提供理论基础。其次，从材料平台选择、制造工艺优化和波导结构设计三个角度讨论高Q微环谐振器的实现方法，并汇总其研究进展。进而，重点分析其在微波光子滤波器、光电振荡器等微波光子系统中的典型应用。最后，总结其面临的主要挑战，并对其未来发展进行展望。

宽带任意波形作为现代电子系统的核心信息载体，其波形质量直接决定了系统在探测精度、抗干扰能力、频谱效率、数据传输速率等方面的关键性能指标。然而，传统电子学生成方法受限于“电子瓶颈”，在信号带宽、调谐灵活性等方面面临严峻挑战。微波光子信号产生技术以其大带宽、低相噪和灵活的信号重构能力，为突破上述局限提供了新的技术路径。在微波信号光学合成架构中，光电振荡器作为产生高纯度微波信号的核心方案之一，受到广泛关注。在此基础上发展出的锁模光电振荡器，进一步拓展了生成信号的带宽与调制格式，为宽带任意波形的光学合成奠定了关键技术基础。本文系统性地介绍了基于锁模光电振荡器的宽带任意波形光学合成技术。首先，深入阐述了傅里叶域锁模、宽带注入锁定与主动锁模三类典型锁模光电振荡器的工作原理。在此基础上，全面梳理并对比了本课题组及相关团队在该领域的代表性成果，进而探讨了该技术在高分辨率雷达、通感一体化、激光雷达成像等领域的应用潜力，最后对该技术存在的关键挑战与潜在研究方向进行了总结与展望。

微波光子滤波器是一种将微波信号调制到光频域，并借助光电子器件在光域内对微波信号进行滤波的器件，相比于传统电学微波滤波器，其具有频率调谐范围大、频谱重构灵活以及抗电磁干扰等优势，在无线通信、雷达、电子战系统中具有广泛的应用前景。随着集成光电子技术的发展，微波光子滤波器也逐渐由分立光纤器件向集成化方向发展，以大幅减小体积、重量、功耗和成本。本文从集成微波光子滤波器的系统架构、工作原理以及性能出发，详细综述了非相干型和相干型集成微波光子滤波器的最新研究进展，分析了当前面临的技术难点与挑战，并对集成微波光子滤波器的未来发展趋势进行了展望。

相控阵天线波束可控性强，调控速度快，是雷达、通信等无线电系统的关键技术之一。随着无线电系统向高频率和大带宽方向发展，相控阵天线面临通道串扰加剧、高频段电磁波损耗增加、波束倾斜严重等挑战。相较于传统电子学技术，光子学技术具有抗干扰性强、损耗低、带宽大等显著特点，通过光域调控电磁波有望突破传统电子学相控阵的性能瓶颈。与此同时，硅基光电子集成技术的发展进一步促进了光子技术在微波、毫米波相控阵中的应用。本文重点围绕光延时相控阵、激光空馈相控阵及光控超表面天线三种典型光电融合微波毫米波相控阵天线，分析其中关键技术，并综述其相关研究进展。最后，对光电集成技术在光电融合相控阵天线领域的发展前景进行了展望。

为突破传统电学磁场传感器在复杂电磁环境中的性能瓶颈，本文系统综述了微波光子磁场传感技术的研究进展与发展趋势。微波光子磁场传感技术通过将磁场导致的光信号变化通过微波光子链路进一步映射至微波域，从而实现高性能磁场测量。本文重点阐述了微波光子磁场传感技术的核心原理及演变路径，包括光电振荡器与微波光子滤波器传感系统，分析其在提升磁场灵敏度、响应度、分辨率及动态响应方面的关键作用。同时，结合神经网络建模与误差补偿算法，讨论了非线性迟滞、温度串扰与系统噪声对测量性能的影响及其抑制策略。微波光子磁场传感技术能够实现静态、交流及矢量磁场的高分辨快响应测量，结合信号处理技术可以显著增强系统的抗干扰能力与环境适应性，为电力监测、空间探测及生物医学等领域提供高性能解决方案，并推动磁场传感技术向微型化与智能化方向发展。

时域自成像（Talbot）效应是空间Talbot效应在时域中的对偶形式。该效应在不同色散条件下或可实现脉冲序列的精确再现、或产生重复率倍增的脉冲序列；同时，其内在的实时傅立叶变换性质，能够将调制信号的频谱直接映射至输出的时域波形。本文系统梳理了时域Talbot效应的主要现象和基本原理，重点介绍其在微波光子学中应用的研究进展，包括脉冲重复率控制、脉冲无源放大与微弱信号恢复、实时频谱分析、任意波形生成等关键应用。结合我们近期的相关成果，进一步展示了该效应在非均匀采样、光计算、无间隙频谱分析及宽带信号处理等方面的潜在应用。时域Talbot效应以其无源、线性的特点，为光通信与微波光子学中的高速信号处理提供了丰富而高效的实现途径。

针对通信感知一体化系统存在的抗多址、多径、窄带等能力弱的问题，提出一种基于光子学扩频相位编码的通感测一体化系统，该系统的关键是微波光子相位编码和扩频技术的结合。将每个用户的通信比特流扩频、扰频后加上直流偏置并编码到线性调频连续波上生成一体化信号，通过光子学去啁啾实现了雷达功能的同时辅助了通信同步，并利用阵列化系统实现了三维定位，有效实现实际场景中通感测一体化融合。仿真结果表明，在生成通信速率为12.5 Mb/s、扩频因子为256的一体化信号情况下，信干噪比为负时依然可以进行可靠通信；雷达的信干比可达33 dB，空间分辨率为12 cm，三维定位均方根误差为0.492 m。此外，灵活调节频率和扩频因子等参数，可以适应雷达和通信的不同需求。这是三维定位和光子学扩频码分多址ISAC系统的首次仿真演示。

提出了一种基于六边形网格结构的自适应可编程光子信号处理器，其单元由马赫-曾德尔干涉仪组成。该处理器凭借其灵活的拓扑重构能力，通过冠豪猪优化算法，可以实现包括非对称马赫-曾德尔干涉仪、光学环形谐振腔在内的多种滤波响应。基于此，通过配置不同自由光谱范围的鉴频单元，实现了宽带粗测与窄带精测相结合的多级协同测量方案，显著提升了测频量程与精度。此架构非常适合构建可扩展的光子系统，为实现高性能、低复杂度的光学计算与互连提供了一种切实可行的解决方案。

在对半导体激光器单周期振荡进行理论与仿真的基础上，进行了基于光注入半导体激光器单周期振荡态产生单频信号与宽带雷达波形的实验研究，验证了利用所提方法产生可调谐单频信号与宽带可重构雷达波形的可行性。此外，针对产生信号性能受限于半导体激光器本征噪声等问题，在单频信号产生系统中引入双环路光电反馈结构，有效抑制了单频信号相位噪声；在宽带雷达波形产生系统中引入傅里叶域锁模结构，有效提升了信号带内信噪比与频率稳定度。最后，利用光注入半导体激光器单周期振荡的波形产生系统构建了单发单收与多发单收阵列雷达系统，发射信号为8 GHz（10~18 GHz）带宽的线性调频信号，通过目标探测实验验证了基于光注入半导体激光器单周期振荡的雷达波形产生在实现高分辨目标探测应用中的可行性。

设计并构建了基于微波光子技术的超视距通信系统架构，解析了系统工作机制，通过链路仿真验证了技术可行性，实现了超视距通信系统在4~16 GHz带宽范围内的信号传输，通信速率达200 Mbps，并具备13个波道的可重构微波光子信道化变频能力，为微波光子技术在超视距通信系统中的工程化应用奠定了重要基础。

提出并实验验证了一种基于双偏振马赫-曾德尔调制器的亚谐波注入锁定光电振荡器系统。高阶亚谐波射频信号通过双偏振马赫-曾德尔调制器对光载波的X偏振态进行调制，调制后的光信号在光电探测器进行光电转换、经过带通滤波器滤出某一高阶谐波信号，产生与光电振荡器同频的射频信号。该射频信号注入基于光载波Y偏振态构建的光电振荡环路中，实现注入锁定，形成高阶亚谐波注入锁定光电振荡器。搭建实验系统，当注入亚谐波射频信号功率17.5 dBm、频率范围4.8 GHz~5.2 GHz时，光电振荡器的五次亚谐波注入锁定，实现了K波段24~26 GHz频率范围内可调谐输出，各输出信号的边模抑制比均优于70 dB，相位噪声10 Hz偏频处低于-70 dBc/Hz，10 kHz偏频处低于-129 dBc/Hz。

提出了一种基于双层金属谐振单元的超表面微波传感器。传感器由双层金属谐振单元、开放式样品架和全覆铜底板三层结构组成，双层谐振提高了传感器的灵敏度，开放式样品架设计便于样品装载与检测，全覆铜底板提升了电磁屏蔽性能。仿真与实验结果表明，在工作频段内，传感器对不同种类的离子液体表现出不同的特征频率响应，不同种离子液体之间的最大频率偏移量可达490 MHz，检测灵敏度达到185.42 MHz/ε′。对于含微量水分的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐溶液（［EMIm］［BF₄］），水分含量从0增加到10%时，可产生180 MHz的频率偏移量。该传感器具有结构紧凑、制作工艺简单等技术优势，为离子液体质量监测提供了高效方案。

提出并验证了一种基于去偏斜滤波的微波光子调频连续波雷达相位噪声抑制系统。该系统采用光四倍频结构，以提升雷达的距离分辨率。引入参考延时和混频支路，获取参考去斜信号，并结合去偏斜滤波算法，对回波去斜信号中的相位抖动进行有效补偿。实验结果表明，该系统成功实现了基带线性调频信号的四倍频，显著扩展了雷达信号的带宽。在相位噪声补偿后，回波去斜信号的半周期稳定性提高了3.6倍，相位噪声得到了有效抑制。同时，距离像中目标能量更加集中，雷达的测距精度和分辨率显著提升，从而验证了去偏斜滤波方法在抑制微波光子雷达相位噪声方面的有效性。

在低损耗氟化聚合物平台上设计并制备了16×16热光开关阵列。阵列器件由定向耦合-蜂窝网状单元器件级联而成，可通过热光调制实现256种开关状态切换。实际制备的器件尺寸约为7 cm×0.2 cm，在1 550 nm波长下，最低插入损耗为11.4 dB， 最低开关功耗为33.38 mW，最大消光比为12.12 dB。在500 Hz调制频率下，实际测得器件的上升时间为226.7 μs，下降时间为294.0 μs；1 kHz极限调制频率下，上升时间和下降时间分别为222.2 μs和255.9 μs。研制的可重构低功耗16×16热光开关阵列，为光子集成与智能光调控提供了关键技术方案。该器件以其低功耗与可编程特性，有望推动数据中心光互连、光子神经网络及柔性可穿戴等系统的性能提升与架构革新，具备工程应用前景。

针对复杂光学系统中存在非偏振分光棱镜必须反向使用的情况，对其在不同入射方向下的偏振特性进行了分析和试验测试。在仿真研究中，基于Essential Macleod软件构建了非偏振分光棱镜的分光膜层结构，定量计算了正向与反向入射时各个通道的二向衰减和相位延迟。在此基础上，利用高精度穆勒矩阵椭偏仪对非偏振分光棱镜进行测量，进而得到其偏振特性参数，测量结果与仿真分析基本一致。结果表明，对于非偏振分光棱镜的透射通道，其偏振性质在光线正向入射和反向入射时基本一致。然而对于反射通道，光线正向入射和反向入射时非偏振分光棱镜的偏振特性差异显著，在整个波长范围内，二向衰减最大差值（即反向入射结果减去正向入射结果）约为0.11，平均差值约为0.03；相位延迟最大差值约为51.5°，平均差值约为28.76°。显然，非偏振分光棱镜的偏振性质与光线的入射方向密切相关。本文定量分析和实测了不同入射方向下非偏振分光棱镜的偏振特性，对于提升含非偏振分光棱镜精密光学系统、优化非偏振分光棱镜设计和使用等均具有重要意义。

采用两步间接法结合局域近似法计算有形光束电磁场的光束形状系数，并讨论了两步间接法结合局域近似法和直接采用局域近似法重构高斯光束之间的差异。该方法首先采用标量势函数描述在轴时的结构光束，利用标量平移定理及标量势函数与电磁场之间的关系得到离轴时的矢量光束形状系数。采用两步间接法计算有形光束的光束形状系数，不仅简化了光束形状系数的表述，还加快了数值计算的速度。高斯光束的数值计算结果验证了该方法在计算光束形状系数和进行场重构上有较好的精度和效率。

采用种子注入锁定放大技术，并结合Pound-Drever-Hall稳频方法，实现了种子光的高稳定放大。实验结果表明，在种子光注入条件下，当泵浦功率为38.12 W时，获得了线宽仅为7.0 kHz、输出功率为13.5 W的单频光，输出功率的不稳定度低于0.18%，且在60 min内的波长漂移仅为132.41 MHz，显著低于自由运行种子光的300 MHz，展现了出色的功率和波长稳定性。

为进一步提高便携式傅里叶变换红外光谱仪EM27/SUN对CO₂和CH₄的柱浓度反演结果的准确性，利用总碳柱观测网络（TCCON）高分辨率傅里叶变换红外光谱仪同步测量数据，提取CO₂和CH₄浓度的校准公式，并对EM27/SUN进行校准，优化反演结果。校准后，EM27/SUN的测量反演结果与TCCON站点的数据相比，CO₂柱平均干空气摩尔分数（XCO₂）日平均偏差由1.838 5 ppm降至1.259 0 ppm；CH₄柱平均干空气摩尔分数（XCH₄）日平均偏差由0.008 2 ppm降为0.003 7 ppm。在此基础上，在大连长兴岛地区开展了CO₂和CH₄柱浓度的观测，观测期间XCO₂的平均值为（422.41±0.34） ppm，XCH₄平均值为（1.915 2±0.001 8） ppm。通过分析观测期间XCO₂和XCH₄的变化特征，并结合后向轨迹模型，探讨了可能的源汇过程。进一步地，将EM27/SUN观测数据与日本GOSAT卫星测量的数据进行相关性分析，结果显示两者具有较高的一致性，XCO₂和XCH₄的相关系数分别达到0.87和0.76。

提出一种基于波特率采样的低复杂度接收端数字信号处理方案，通过分路式时钟恢复与可配置抽头两级自适应均衡器级联实现。时钟恢复采用改进型时钟恢复算法，在有效矫正采样偏差的同时，自然地补偿同相/正交支路偏移；随后在准确时钟同步的基础上，使用两级实数值多输入多输出自适应均衡，通过灵活配置均衡器抽头数从而进一步降低计算复杂度。仿真结果表明，在存在同相/正交支路偏移的条件下，该方案仍能保持稳定的误码率性能，并将均衡器所需的实数乘法器数量减少约50%。与传统两倍过采样方案相比，本方案以微小的接收光功率灵敏度为代价，显著降低了系统计算复杂度。

基于一种多任务网络，仅用单幅条纹图像实现包裹相位计算和条纹级次获取，继而直接获得展开相位。所设计网络模型以UNet为基础架构，引入残差模块，增强特征提取能力与训练稳定性。同时，所提模型结合信息收集与分发机制，实现多分支预测任务，直接输出包裹相位的分子项、分母项以及条纹级次，避免多个网络模型使用带来的繁琐、耗时问题。同时，充分利用包裹相位分布信息，构建条纹级次一致性连通域，以提高条纹级次分类的稳定性。实验结果表明，所提方法可实现精确、快速的相位信息恢复，并具有较好的泛化能力。

现有的蝴蝶显微成像方法对样品具有一定的破坏性且成像慢，傅里叶光场显微具有实时大景深成像及多角度可视化的特点，可以用来研究蝴蝶鳞片的三维结构。采用傅里叶光场显微镜，在10×和50×物镜下对不同蝴蝶样品进行了成像对比，展示了蝴蝶色素色鳞片和结构色鳞片的三维结构差异，以及其颜色在不同角度下变化的不同特征。该研究展现了傅里叶光场显微技术在蝴蝶鳞片研究方面的独特应用前景。

针对事件相机在静止场景中无法响应的问题，提出一种基于快门映射的高动态范围成像方法。该方法在静止场景中通过控制机械快门旋转，从而触发场景亮度变化并产生事件流，最终将不同机械快门旋转速度下获得离散事件重建为高动态范围静止图像。实验结果表明，该方法能够在场景动态范围达到112 dB时，成功实现事件相机对静止场景的成像。该方法优势在于无需改变场景的静止性，能够在不牺牲成像效果的前提下，有效扩展事件相机在静止场景下的应用范围。所提出的基于快门映射方法为复杂光照条件下的高动态静止场景成像提供了一种简单可行的途径，为事件相机的应用拓展提供了新的思路。

针对传统可调谐二极管激光吸收光谱技术中锯齿波扫描导致的基线拟合误差与噪声敏感性问题，提出采用双正弦复合调制的二次谐波检测方法。该方法融合低频正弦扫描与高频正弦调制，规避了基线拟合误差，同时提升系统抗噪能力，实现痕量氨气（NH₃）的高精度检测。实验表明，双正弦复合调制方式相较于传统低频锯齿扫描叠加高频正弦调制，可以优化系统的信噪比，浓度与二次谐波幅值的线性拟合度提升至0.997 8，检测灵敏度提升至\mathrm{0.053}\mathrm{p}\mathrm{p}\mathrm{m}。实验验证了双正弦复合调制在痕量气体浓度检测中的可行性与稳定性，为高鲁棒性、高精度及低成本的NH₃工业排放实时监测提供了新思路与技术路径。

提出一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的逐点计算激光干涉测长系统，通过相邻采样点相位差实时计算与相位跳变修正，实现了连续、实时的位移解算。针对光学元件分光比制造误差、波片角度偏差等因素引起的非理想干涉信号问题，基于琼斯矩阵分析了系统误差，提出相应的误差校正算法提高了相位解算精度。为进一步提升系统的实时测量性能，设计并实现了基于高速模数转换器（ADC）与现场可编程门阵列的位移测量硬件系统，完成了误差校正、相位解算等关键算法的硬件并行架构设计，并通过上板实验对系统性能进行了验证。实验结果表明，该系统在实现毫秒级快速测量的同时，测量误差可控制在10 nm以内；系统首个数据延迟约为10.4 μs，数据更新周期缩短至100 ns。该位移测量系统在保证纳米级测量精度的前提下，可实现微秒级响应与实时解算，兼顾高精度与高实时性，适用于高速精密位移测量场景。

为提高噪声条件下包裹相位解包裹的准确性与稳定性，提出了一种基于梯度一致性检测与积分恢复的高精度相位解包裹算法。该方法利用顺序与逆序相移解调（即对同一组的五帧条纹图分别按帧序I_{\mathrm{1}}\to I_{\mathrm{5}}与I_{\mathrm{5}}\to I_{\mathrm{1}}进行相位提取）生成两幅具有相对相移的包裹相位图，通过局部梯度一致性判断精确识别噪声像素，并对这些点进行复数域局部滤波，结合梯度收敛准则实现自适应终止，显著降低过度处理风险。在获得结构优化的包裹相位图后，采用直接积分的方式高效重建连续相位。仿真与实物实验验证表明，该方法在不同噪声水平下均能稳定恢复高质量相位，具备更强的边缘保持能力与鲁棒性。

基于纳米结构的太阳能电池陷光研究，设计了双层共形光栅硅薄膜太阳能电池结构，利用时域有限差分法和超二次亚波长光栅的概念系统性模拟分析了不同光栅形状对硅薄膜太阳能电池陷光性能的影响，同时分析了不同材质底层金属光栅的光吸收增强效应。结果表明，随着次数n的增大，光栅形状从三角形（n=1）转变成矩形（n→∞）的过程中硅薄膜太阳能电池的陷光性能整体呈下降趋势，其中抛物线形（n=2）光栅结构在300~750 nm和750~1 100 nm两个波段的光吸收性能均表现优越，三角形（n=1）光栅结构在750~1 100 nm波段具有更好的陷光性能，但在300~750 nm波段的光吸收性能较差。另外，Ag、Au、Cu和Al四种材质底层金属光栅硅薄膜太阳能电池的陷光性能依次减弱，从光学常数的角度对其进行了机理分析。

针对氮化硅光子集成电路以C+L波段为核心的超宽带低损耗耦合需求，提出一种锥形-直波导-锥形结构的氮化硅边缘耦合器。该结构由两级倒锥形波导与中间直波导段组成，直波导段兼具模式稳定与反射抑制功能，通过相位匹配机制有效提升基模纯度并抑制菲涅尔反射。仿真优化结果表明，该器件在非高宽厚比约束下实现了S+C+L波段的低耦合损耗（0.46~0.8 dB），且在±2 μm光纤横向偏移下仍保持低于1 dB的额外损耗，展现出优异的宽带性能与封装容差。该设计为氮化硅光子集成平台提供了一种紧凑且易于制造的光纤耦合解决方案，适用于高速密集波分复用系统及宽带光学频率梳等应用。

水下插拔连接器的性能与稳定性，是保障海底工程系统长期可靠运行与安全效能的关键。近年来，国内部分科研单位和企业虽已成功研制出相关原理样机，然而，由于缺乏高效、低成本、覆盖全生命周期的系统试验方法与专用装置，以及完善的海试验证体系，国产产品在市场竞争中仍面临认可度不足的挑战。本文以提升国产水下插拔光电复合连接器的可靠性为出发点，对自主研制的连接器样机开展了系统性测试，并成功研发一套适用于水下压力环境的自动接驳测试装置，实现了连接器的自动循环插拔。海试验证结果表明：自研连接器在2 960米水深条件下顺利完成100次连续插拔操作，其各项性能指标均满足相关国外标准的技术要求，达到国际先进水平。