微波光電子學，顧名思義，是微波和光電子的交叉學科。微波和光波都是電磁波，所處頻率相差很多個數量級，在各自的領域所發展出來的元器件和技術很不相同。結合起來，互取所長，卻能得到各自所難實現的新的應用和特點[1,2,3]。
光通訊就是一個微波和光電子結合的最好的例子。早期電話電報無線通訊，訊號的產生，傳播和接收，都是使用的微波器件。一開始使用低頻電磁波，因為頻率範圍小，傳輸的通道容量少。解決的辦法是增加傳輸訊號的頻率，頻率越高，頻譜資源就多。但高頻訊號在空中傳播損耗大，也容易被障礙物遮擋。如果用有線傳播，電纜的損耗大，遠距離傳輸是個問題。光纖通訊的出現很好的解決了這些問題。光纖的傳輸損耗極低，是遠距離傳送訊號的極佳載體。光波的頻率範圍遠超過微波，可以同時傳送很多個不同的通道。正因為光傳輸的這些優越性，光纖通訊已經成為當今資訊傳播的骨幹。
光通訊歷史悠久，研究和應用都很廣泛和成熟，這裡我就不多說了。這裡我主要想介紹近些年在光通訊以外的其他新興的微波光電子學的研究內容。微波光電子學，主要還是以光電子領域的方法和技術為載體，來提高和實現傳統的微波電子元器件所難達到的效能和應用。從應用的角度主要包括以下三個方面。
其一，應用光電子技術產生高效能低噪聲的微波訊號，包括從X波段一直到THz波段。
其二，微波訊號的處理。包括延時，濾波，頻率轉換，接收等。
其三，模擬訊號的傳輸。
本篇文章筆者只介紹第一部分，微波訊號的產生。傳統的微波毫米波主要是由iii_V族微電子元器件產生[4]。其侷限性有以下幾點:第一，到高頻例如100GHz以上，傳統的微電子元件可產生的功率越來越小，到更高頻的THz訊號，他們就無能為力了。第二，為了降低相位噪聲和提高頻率穩定性，需要將原器件置於極低溫環境。第三，難以實現大範圍內的調頻變頻。針對這些問題，光電子技術正好可以大顯身手。下面介紹主要的一些方法。
1. 通過兩個不同頻率鐳射訊號的差頻，使用高頻的光電探測器轉換產生微波訊號[5, 6]，如圖1所示。
圖1. 兩個鐳射差頻產生微波示意圖。
此方法的優點是結構簡單,可以產生極高頻毫米波乃至THz頻率的訊號,而且通過調節鐳射器的頻率可以進行較大範圍的快速的變頻,掃頻。缺點是，兩個不相干的鐳射訊號所產生的差頻訊號的線寬或者說位相噪聲比較大，頻率穩定性不高，特別是如果使用體積小，但是線寬 (~MHz)大的半導體鐳射器。如果對於系統重量體積要求不高的話，可以使用噪聲較低(~kHz)的固體鐳射器，光纖鐳射器[7,8],外腔半導體鐳射器[9]等。此外，還可以利用產生於同一個鐳射腔的兩個不同模式的鐳射訊號來產生差頻，這樣產生的微波頻率穩定效能有較大的提高[10-12]。
2. 為了解決上一方法中兩鐳射不相干，所產生訊號位相噪聲過大的問題，可以使用注入式鎖頻鎖相的方法，或者是負反饋鎖相電路獲得兩鐳射器之間的相干性[13]。圖2是一個典型應用注入式鎖頻產生微波多倍頻的方法（圖2）。通過對半導體鐳射器直接注入高頻電流訊號，或者是應用LiNbO3位相調製器，可以產生頻率等間距的多個不同頻率的光訊號，或稱光頻梳。當然現在常用的獲得寬譜光頻梳的方法是採用鎖模鐳射器[14]。將產生的光頻梳其中任意兩個梳齒訊號通過濾波選擇出來，分別注入到鐳射1和2從而分別實現鎖頻鎖相。因為光頻梳不同的梳齒訊號之間的位相是相對穩定的，這樣兩鐳射器之間就獲得了穩定的相對位相，再通過如前所述差頻的方法便可以得到光頻梳重複頻率的多倍頻微波訊號了。
圖2. 注入式鎖頻產生微波倍頻訊號示意圖。
另一個減小兩鐳射相對相位噪聲的方法是使用負反饋光鎖相環，如圖3。
圖3. 光鎖相環示意圖。
光鎖相環原理類似於電子領域的鎖相環[15,16,17]。兩個鐳射器的頻率位相差由光電檢測器(相當於位相檢測器)轉換為電訊號，再與參考微波訊號源做差頻得到兩鐳射之間的位相差，經過放大和濾波處理再反饋回其中一個鐳射的頻率控制單元（對於半導體鐳射器而言就是注入電流）。通過這樣一個負反饋的控制迴路，兩鐳射訊號之間的相對頻率位相與參考微波訊號鎖定。合併的光訊號又可以通過光纖傳送到別處的光電檢測器再轉化為微波訊號。這樣所產生的微波訊號的位相噪聲在鎖相負反饋迴路的頻寬內和參考訊號的位相噪聲幾乎相同。在頻寬之外位相噪聲則等於原來兩不相干的鐳射器的相對位相噪聲。
另外，參考微波訊號源也可以是別的訊號源通過倍頻，除數頻，或別的頻率處理轉化而來，從而可以將較低頻率的微波訊號進行多倍頻，或者是轉換為高頻的射頻，THz訊號等。
相對於注入式鎖頻只能獲得倍頻而言，鎖相環更加靈活，可以產生幾乎任意的頻率，當然也更加複雜一些。例如以圖2中的經過光電調製器位相調製的，或者脈衝鐳射產生的光頻梳作為光源，利用光鎖相環將兩個鐳射器有選擇性的鎖頻到其中兩條光梳齒訊號，再通過差頻產生高頻訊號，如圖4。f1和f2分別是兩個鎖相環的參考訊號頻率,通過兩鐳射之間的差頻便可以以產生N*frep+f1+f2的微波訊號。
圖 4. 利用光頻梳和光鎖相環產生任意頻率示意圖。
3. 使用鎖模脈衝鐳射器，通過光電探測器把光脈衝訊號轉化為微波訊號[18-20]。
此方法的主要優點是可以獲得頻率穩定性非常好，位相噪聲極低的訊號。通過將鐳射的頻率鎖頻到非常穩定的原子分子躍遷光譜，或者是是極其穩定的光腔，以及利用自倍頻消除系統頻移等等技術，可以獲得重複頻率非常穩的光脈衝訊號，從而獲得位相噪聲超低的微波訊號[21-23]。如圖5.
圖 5. 不同訊號源相對位相噪聲比較。摘自參考文獻[21] 但是因為脈衝的重複頻率是跟鐳射器的腔長成反比的，而傳統的鎖模鐳射器體積較大，因此難以直接獲得高頻的微波訊號。另外傳統的脈衝鐳射體積，重量和能耗，以及對於環境的苛刻要求都限制了它們主要是在實驗室應用。為了克服這些困難，最進美國和德國興起研究利用非線性效應在很小的高品質的啾啁模光腔內產生頻率穩定的光頻梳，進而產生高頻的低噪聲微波訊號[24-29]。