摘 要：自由空間光通訊信技術(shù)擁有安裝快速和低投資以及保密性好等優(yōu)點(diǎn)，本文主要就對(duì)自由空間的光通訊中的光電子器件中的激光器和光電探測(cè)器以及光學(xué)濾波器的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的激光器和CO2激光器會(huì)是以后的自由空間光通訊系統(tǒng)的主要的光源。

關(guān)鍵詞：自由空間光通訊；激光器；光電探測(cè)器；光學(xué)濾波器

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.11

自由空間的光通信技術(shù)是一種以激光為主要的信息載體的通信技術(shù)，按不同的傳輸介質(zhì)可以分為大氣激光和星際激光通信。而且由于自由空間光擁有速率高和頻帶以及安裝方便，還有一定的高度保密性等的特點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)受到了人們的重視，得到了很好的發(fā)展。大氣激光通信因?yàn)槭艿酱髿獾男诺篮筒涣辑h(huán)境的影響，所以一般只能是作為短距離間的通信和應(yīng)急的通信手段，因?yàn)橛钪婵臻g是在真空的狀態(tài)下的，所以激光束在這個(gè)空間是受不到任何的干擾的，所以星際的激光通信就越來(lái)越受到人們的關(guān)注，許多的國(guó)家都開(kāi)始在加大對(duì)星際激光通信的研究，也取得了許多好的成果。由于通信技術(shù)的不斷的發(fā)展，保密通信也開(kāi)始運(yùn)用到現(xiàn)代化的戰(zhàn)爭(zhēng)中，以前的有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)技術(shù)的保密性都?jí)驈?qiáng)，容易泄露軍事機(jī)密，而自由空間的光通信是一種保密性嫉妒強(qiáng)的通訊技術(shù)。本文主要就是分析自由空間光通信技術(shù)中的主要的光電器件的現(xiàn)狀。

1 自由空間光通信系統(tǒng)中的激光器

自由空間光通信系統(tǒng)中的激光器的作用就是產(chǎn)生激光信號(hào)并且形成一道光束發(fā)射到空中，激光器是整自由空間光通信系統(tǒng)中關(guān)鍵性的器件，自由空間光通信系統(tǒng)中的激光器的好壞會(huì)直接的影響到通信的可以達(dá)到的最遠(yuǎn)距離，還會(huì)對(duì)通信的質(zhì)量造成很大的影響，對(duì)于整個(gè)通信系統(tǒng)的整體的性能也有較大的影響，所以選擇好的激光器是十分的重要的。一般對(duì)于激光器的要求首先就是要有良好的輸出功率，而發(fā)射出的波長(zhǎng)要與傳輸?shù)慕橘|(zhì)的低耗能區(qū)相配，其次發(fā)射的頻率必須性對(duì)穩(wěn)定，調(diào)節(jié)與設(shè)置比較的方便，有比較大的調(diào)制速率，最后就是體積一定要輕，重量要比較輕，耗電量要最少，使用壽命要長(zhǎng)，運(yùn)行的效率要高，還要方便集成和保養(yǎng)維護(hù)。當(dāng)下在光通信中的最常見(jiàn)的激光器是CO2激光器和半導(dǎo)體的激光器等。

1.1 CO2激光器

CO2激光器是一種輝光放電混合體性質(zhì)的激光器，它的激光輻射不僅僅是可以很好的透過(guò)大氣傳進(jìn)行遠(yuǎn)距離的輸送，它光束的相干性也十分的好。CO2激光器發(fā)射光的頻率十分的穩(wěn)定，還可以實(shí)現(xiàn)單模式的運(yùn)行，它可以進(jìn)行連續(xù)不斷的輻射，還可以進(jìn)行脈沖式的輻射。CO2激光器因?yàn)閷?duì)能量有良好的轉(zhuǎn)換效率，而且發(fā)射出的光束的質(zhì)量好，運(yùn)行的功率大，又可以連續(xù)的輸出以及脈沖式的輸出，運(yùn)行所需的費(fèi)用也比較的低，所以成為用途最廣泛的一種激光器。伴隨著對(duì)CO2激光器的不斷研發(fā)，新的技術(shù)也開(kāi)始運(yùn)用到其中，將會(huì)研發(fā)出體積更小和功率更強(qiáng)以及光束質(zhì)量更好的不同類(lèi)型的CO2激光器。

1.2 半導(dǎo)體激光器

已有的半導(dǎo)體的激光工作物質(zhì)有幾十種，而且對(duì)其的研究也已經(jīng)十分的成熟，比如砷化鎵和摻鋁砷化鎵等。和其他的不同種類(lèi)的激光器相比，這種半導(dǎo)體式的激光器是經(jīng)由電子—光子的轉(zhuǎn)換器，所以它的轉(zhuǎn)換效率是極高的，而且半導(dǎo)體式的激光器可以覆蓋的波段的范圍也是十分的廣泛的[1]。利用不同的半導(dǎo)體有源材料和多遠(yuǎn)化合物半導(dǎo)體不同的組分，可以得到更廣的激光輻射波長(zhǎng)，所以可以滿(mǎn)足不同的需求。隨著半導(dǎo)體激光器輻射的波長(zhǎng)的不斷的增大，半導(dǎo)體的使用的壽命也會(huì)增長(zhǎng)許多，最長(zhǎng)的使用壽命可以達(dá)到106個(gè)小時(shí)，因?yàn)榘雽?dǎo)體激光的體積和重量都很小，所以整個(gè)的半導(dǎo)體的激光器的制作工藝是可以和半導(dǎo)體的電子器件與集成電路的生產(chǎn)工藝進(jìn)行結(jié)合的，這就給其他的器件實(shí)現(xiàn)單片光電子集成提供了很大的便利性。最近這幾年隨著對(duì)超晶格技術(shù)和器件結(jié)構(gòu)研究的不斷成熟，半導(dǎo)體激光器可以連續(xù)輸出的功率增加到了120瓦，目前半導(dǎo)體激光器因?yàn)轶w積和重量小，還有對(duì)電光裝換的效率極其的高，使用的壽命也長(zhǎng)并且比較容易調(diào)節(jié)控制等一系列的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為了激光大氣通信的首先激光器。半導(dǎo)體式的激光器有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)就是容易受到環(huán)境溫度的影響。

2 自由空間光通信系統(tǒng)中的光電探測(cè)器

光電探測(cè)器是激光通信系統(tǒng)中的核心的部件，它是利用干光信號(hào)進(jìn)行接收與轉(zhuǎn)換的，一般對(duì)光通信系統(tǒng)候中光電探測(cè)器的要求就是能夠?qū)λ械墓獠ㄓ懈叨鹊拿舾卸?，要與光源進(jìn)行發(fā)射的譜線(xiàn)相匹配，而且要有足夠的頻帶寬度可以滿(mǎn)足接收的光信號(hào)的帶寬，在對(duì)信號(hào)接收的整個(gè)的過(guò)程中，接受的信號(hào)中所夾雜的噪聲要小，而且對(duì)于外界的環(huán)境的敏感度不可以太高，也就是在外界的環(huán)境有所改變時(shí)還是要保持一定的穩(wěn)定性。

Si光電二極管是光伏探測(cè)器的一種，光伏探測(cè)器在對(duì)比較微弱的快速的光信號(hào)探測(cè)方面有很好的效果，而且伴隨著光電技術(shù)的不斷的發(fā)展，光信號(hào)在探測(cè)的靈敏度與頻率等方面都有很好的提高，Si光電二極管擁有效率高和噪聲小以及反映快等優(yōu)點(diǎn)，而且它的耗電量少并且體積小壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)也十分的簡(jiǎn)單，使用起來(lái)也很方便。雖然它的光—電轉(zhuǎn)換的速度緩慢以及探測(cè)是進(jìn)行調(diào)制的頻率也比較的低，但是還是利大于弊的。

3 自由空間光通信中的光學(xué)濾波器

自由空間中光通信中的光學(xué)濾波器可以對(duì)光源發(fā)出的光場(chǎng)進(jìn)行接收時(shí)，可以最大限度的減少噪聲。在光電通信系統(tǒng)中，對(duì)光學(xué)濾波器的要求有，首先是要有良好的波長(zhǎng)，還要與激光器相適應(yīng)。由于激光器的波長(zhǎng)會(huì)隨著溫度的變化而改變，在對(duì)溫度沒(méi)有進(jìn)行控制的情況下，如果外界的環(huán)境發(fā)生較大的改變，那么就會(huì)影響到激光器的波長(zhǎng)產(chǎn)生改變，最終會(huì)影響對(duì)信號(hào)的有效接收。

干涉濾波器主要是運(yùn)用反射的波之間的相互延長(zhǎng)與抵消來(lái)提供選擇性的濾波，這種光學(xué)濾波器可以設(shè)計(jì)成在某些波長(zhǎng)的內(nèi)部反射中，而且在波長(zhǎng)上還可以進(jìn)行相互的抵消，這種干涉濾波器可以被設(shè)計(jì)成很多的不同種類(lèi)的多層的介質(zhì)濾波器，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)膶?duì)折射率的安排，可以從襯底上反射的場(chǎng)所需要的波長(zhǎng)進(jìn)行一定程度的波長(zhǎng)加強(qiáng)。一般的帶有尖銳的干涉濾波器只是會(huì)沿著準(zhǔn)直軸進(jìn)入到濾波器的聚光的設(shè)計(jì)中，一般適度的相移都是經(jīng)過(guò)材料的不同的厚度來(lái)維持的[2]。

在空間的激光通信的過(guò)程中，有許多的隨機(jī)和持續(xù)性的干擾，一些太陽(yáng)的輻射在進(jìn)行通訊的過(guò)程中就會(huì)利用星際和其他的散射體的散射在進(jìn)入接受天線(xiàn)的過(guò)程中，就會(huì)造成很強(qiáng)的噪音。在整個(gè)的通信過(guò)程中，因?yàn)楣馔ㄐ判诺酪呀?jīng)建立了，所以使得通信激光的額發(fā)散角變小。在這種情況下，只有通過(guò)空間的濾波，才可以使得少量的背景光可以進(jìn)入到接收機(jī)內(nèi)，而且進(jìn)入到接收機(jī)內(nèi)的通信激光是比較的強(qiáng)的。所以在通信機(jī)中運(yùn)用納米寬帶的干涉濾光器能夠很好的消除背景光的干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)自由空間光通信中光電子器件的現(xiàn)狀的分析，可以看出目前在光通信中經(jīng)常使用的激光器是CO2激光器，它是達(dá)到遠(yuǎn)距離的通信效果的首先設(shè)備。半導(dǎo)體的激光器因?yàn)槠湓诜较蛐院拖喔尚缘确矫姹容^的弱，所以是近距離之間的通信光源的首先。光電探測(cè)器是整個(gè)激光通信系統(tǒng)的核心部件，Si光電二極管因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換速度較慢和探測(cè)調(diào)制頻率較低等缺陷，所以比較的適應(yīng)與小容量的光通信系統(tǒng)中。干涉濾光器是空間通信中十分常見(jiàn)的一種濾波器，它可以有效的減少背景光的干擾，可以很高的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，可以接受的信號(hào)的噪比十分的高。自由空間光通信技術(shù)在將來(lái)會(huì)成為一種十分有效的通信手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃德修，劉雪峰.半導(dǎo)體激光器及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

[2]楊祥林.光纖通信系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：王子龍，男，河南舞鋼人，研究方向：網(wǎng)絡(luò)工程。

作者單位：河南大學(xué)物理與電子學(xué)院，河南開(kāi)封 475004