自由空间光通信中光电子器件的现状分析

摘 要：自由空间光通讯信技术拥有安装快速和低投资以及保密性好等优点，本文主要就对自由空间的光通讯中的光电子器件中的激光器和光电探测器以及光学滤波器的现状进行了分析，通过分析发现半导体的激光器和CO2激光器会是以后的自由空间光通讯系统的主要的光源。

关键词：自由空间光通讯；激光器；光电探测器；光学滤波器

中图分类号：TN929.11

自由空间的光通信技术是一种以激光为主要的信息载体的通信技术，按不同的传输介质可以分为大气激光和星际激光通信。而且由于自由空间光拥有速率高和频带以及安装方便，还有一定的高度保密性等的特点，近年来已经受到了人们的重视，得到了很好的发展。大气激光通信因为受到大气的信道和不良环境的影响，所以一般只能是作为短距离间的通信和应急的通信手段，因为宇宙空间是在真空的状态下的，所以激光束在这个空间是受不到任何的干扰的，所以星际的激光通信就越来越受到人们的关注，许多的国家都开始在加大对星际激光通信的研究，也取得了许多好的成果。由于通信技术的不断的发展，保密通信也开始运用到现代化的战争中，以前的有线和无线技术的保密性都够强，容易泄露军事机密，而自由空间的光通信是一种保密性嫉妒强的通讯技术。本文主要就是分析自由空间光通信技术中的主要的光电器件的现状。

1 自由空间光通信系统中的激光器

自由空间光通信系统中的激光器的作用就是产生激光信号并且形成一道光束发射到空中，激光器是整自由空间光通信系统中关键性的器件，自由空间光通信系统中的激光器的好坏会直接的影响到通信的可以达到的最远距离，还会对通信的质量造成很大的影响，对于整个通信系统的整体的性能也有较大的影响，所以选择好的激光器是十分的重要的。一般对于激光器的要求首先就是要有良好的输出功率，而发射出的波长要与传输的介质的低耗能区相配，其次发射的频率必须性对稳定，调节与设置比较的方便，有比较大的调制速率，最后就是体积一定要轻，重量要比较轻，耗电量要最少，使用寿命要长，运行的效率要高，还要方便集成和保养维护。当下在光通信中的最常见的激光器是CO2激光器和半导体的激光器等。

1.1 CO2激光器

CO2激光器是一种辉光放电混合体性质的激光器，它的激光辐射不仅仅是可以很好的透过大气传进行远距离的输送，它光束的相干性也十分的好。CO2激光器发射光的频率十分的稳定，还可以实现单模式的运行，它可以进行连续不断的辐射，还可以进行脉冲式的辐射。CO2激光器因为对能量有良好的转换效率，而且发射出的光束的质量好，运行的功率大，又可以连续的输出以及脉冲式的输出，运行所需的费用也比较的低，所以成为用途最广泛的一种激光器。伴随着对CO2激光器的不断研发，新的技术也开始运用到其中，将会研发出体积更小和功率更强以及光束质量更好的不同类型的CO2激光器。

1.2 半导体激光器

已有的半导体的激光工作物质有几十种，而且对其的研究也已经十分的成熟，比如砷化镓和掺铝砷化镓等。和其他的不同种类的激光器相比，这种半导体式的激光器是经由电子―光子的转换器，所以它的转换效率是极高的，而且半导体式的激光器可以覆盖的波段的范围也是十分的广泛的[1]。利用不同的半导体有源材料和多远化合物半导体不同的组分，可以得到更广的激光辐射波长，所以可以满足不同的需求。随着半导体激光器辐射的波长的不断的增大，半导体的使用的寿命也会增长许多，最长的使用寿命可以达到106个小时，因为半导体激光的体积和重量都很小，所以整个的半导体的激光器的制作工艺是可以和半导体的电子器件与集成电路的生产工艺进行结合的，这就给其他的器件实现单片光电子集成提供了很大的便利性。最近这几年随着对超晶格技术和器件结构研究的不断成熟，半导体激光器可以连续输出的功率增加到了120瓦，目前半导体激光器因为体积和重量小，还有对电光装换的效率极其的高，使用的寿命也长并且比较容易调节控制等一系列的优点已经成为了激光大气通信的首先激光器。半导体式的激光器有一个明显的缺点就是容易受到环境温度的影响。

2 自由空间光通信系统中的光电探测器

光电探测器是激光通信系统中的核心的部件，它是利用干光信号进行接收与转换的，一般对光通信系统候中光电探测器的要求就是能够对所有的光波有高度的敏感度，要与光源进行发射的谱线相匹配，而且要有足够的频带宽度可以满足接收的光信号的带宽，在对信号接收的整个的过程中，接受的信号中所夹杂的噪声要小，而且对于外界的环境的敏感度不可以太高，也就是在外界的环境有所改变时还是要保持一定的稳定性。

Si光电二极管是光伏探测器的一种，光伏探测器在对比较微弱的快速的光信号探测方面有很好的效果，而且伴随着光电技术的不断的发展，光信号在探测的灵敏度与频率等方面都有很好的提高，Si光电二极管拥有效率高和噪声小以及反映快等优点，而且它的耗电量少并且体积小寿命长，结构也十分的简单，使用起来也很方便。虽然它的光―电转换的速度缓慢以及探测是进行调制的频率也比较的低，但是还是利大于弊的。

3 自由空间光通信中的光学滤波器

自由空间中光通信中的光学滤波器可以对光源发出的光场进行接收时，可以最大限度的减少噪声。在光电通信系统中，对光学滤波器的要求有，首先是要有良好的波长，还要与激光器相适应。由于激光器的波长会随着温度的变化而改变，在对温度没有进行控制的情况下，如果外界的环境发生较大的改变，那么就会影响到激光器的波长产生改变，最终会影响对信号的有效接收。

干涉滤波器主要是运用反射的波之间的相互延长与抵消来提供选择性的滤波，这种光学滤波器可以设计成在某些波长的内部反射中，而且在波长上还可以进行相互的抵消，这种干涉滤波器可以被设计成很多的不同种类的多层的介质滤波器，经过适当的对折射率的安排，可以从衬底上反射的场所需要的波长进行一定程度的波长加强。一般的带有尖锐的干涉滤波器只是会沿着准直轴进入到滤波器的聚光的设计中，一般适度的相移都是经过材料的不同的厚度来维持的[2]。

在空间的激光通信的过程中，有许多的随机和持续性的干扰，一些太阳的辐射在进行通讯的过程中就会利用星际和其他的散射体的散射在进入接受天线的过程中，就会造成很强的噪音。在整个的通信过程中，因为光通信信道已经建立了，所以使得通信激光的额发散角变小。在这种情况下，只有通过空间的滤波，才可以使得少量的背景光可以进入到接收机内，而且进入到接收机内的通信激光是比较的强的。所以在通信机中运用纳米宽带的干涉滤光器能够很好的消除背景光的干扰。

4 结束语

通过对自由空间光通信中光电子器件的现状的分析，可以看出目前在光通信中经常使用的激光器是CO2激光器，它是达到远距离的通信效果的首先设备。半导体的激光器因为其在方向性和相干性等方面比较的弱，所以是近距离之间的通信光源的首先。光电探测器是整个激光通信系统的核心部件，Si光电二极管因为光电转换速度较慢和探测调制频率较低等缺陷，所以比较的适应与小容量的光通信系统中。干涉滤光器是空间通信中十分常见的一种滤波器，它可以有效的减少背景光的干扰，可以很高的对准系统，可以接受的信号的噪比十分的高。自由空间光通信技术在将来会成为一种十分有效的通信手段。

参考文献：

[1]黄德修，刘雪峰.半导体激光器及其应用[M].北京：国防工业出版社，2009.

[2]杨祥林.光纤通信系统[M].北京：国防工业出版社，2010.

作者简介：王子龙，男，河南舞钢人，研究方向：网络工程。

作者单位：河南大学物理与电子学院，河南开封 475004