自由空間光通信中光電子器件的現(xiàn)狀分析

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器以及光學(xué)濾波器的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，通過分析發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的激光器和CO2激光器會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；光電探測器；光學(xué)濾波器

中圖分類號：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，所以激光束在這個空間是受不到任何的干擾的，所以星際的激光通信就越來越受到人們的關(guān)注，許多的國家都開始在加大對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，保密通信也開始運(yùn)用到現(xiàn)代化的戰(zhàn)爭中，以前的有線和無線技術(shù)的保密性都夠強(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直接的影響到通信的可以達(dá)到的最遠(yuǎn)距離，還會對通信的質(zhì)量造成很大的影響，對于整個通信系統(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，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δ芰坑辛己玫霓D(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CO2激光器的不斷研發(fā)，新的技術(shù)也開始運(yùn)用到其中，將會研發(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，所以可以滿足不同的需求。隨著半導(dǎo)體激光器輻射的波長的不斷的增大，半導(dǎo)體的使用的壽命也會增長許多，最長的使用壽命可以達(dá)到106個小時，因?yàn)榘雽?dǎo)體激光的體積和重量都很小，所以整個的半導(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，還有對電光裝換的效率極其的高，使用的壽命也長并且比較容易調(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)中的光電探測器

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

Si光電二極管是光伏探測器的一種，光伏探測器在對比較微弱的快速的光信號探測方面有很好的效果，而且伴隨著光電技術(shù)的不斷的發(fā)展，光信號在探測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，結(jié)構(gòu)也十分的簡單，使用起來也很方便。雖然它的光—電轉(zhuǎn)換的速度緩慢以及探測是進(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)濾波器可以對光源發(fā)出的光場進(jìn)行接收時，可以最大限度的減少噪聲。在光電通信系統(tǒng)中，對光學(xué)濾波器的要求有，首先是要有良好的波長，還要與激光器相適應(yīng)。由于激光器的波長會隨著溫度的變化而改變，在對溫度沒有進(jìn)行控制的情況下，如果外界的環(huán)境發(fā)生較大的改變，那么就會影響到激光器的波長產(chǎn)生改變，最終會影響對信號的有效接收。

干涉濾波器主要是運(yùn)用反射的波之間的相互延長與抵消來提供選擇性的濾波，這種光學(xué)濾波器可以設(shè)計(jì)成在某些波長的內(nèi)部反射中，而且在波長上還可以進(jìn)行相互的抵消，這種干涉濾波器可以被設(shè)計(jì)成很多的不同種類的多層的介質(zhì)濾波器，經(jīng)過適當(dāng)?shù)膶φ凵渎实陌才?，可以從襯底上反射的場所需要的波長進(jìn)行一定程度的波長加強(qiáng)。一般的帶有尖銳的干涉濾波器只是會沿著準(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)過材料的不同的厚度來維持的[2]。

在空間的激光通信的過程中，有許多的隨機(jī)和持續(xù)性的干擾，一些太陽的輻射在進(jìn)行通訊的過程中就會利用星際和其他的散射體的散射在進(jìn)入接受天線的過程中，就會造成很強(qiáng)的噪音。在整個的通信過程中，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

通過對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。光電探測器是整個激光通信系統(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，可以很高的對準(zhǔn)系統(tǒng)，可以接受的信號的噪比十分的高。自由空間光通信技術(shù)在將來會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：國防工業(yè)出版社，2009.

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

作者簡介：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，河南開封 475004