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基于量子级联激光器的自由空间光通信系统具有体积小、大气信道损耗小、传输距离远、抗干扰能力强、保密性高、速率大、安全高效等优点，该技术是一种解决海、空及自由空间远距离通信的新型手段。建立完善的通信系统需综合考虑高性能量子级联激光器芯片和高性能中远红外探测器芯片的研制以及高速光电子封装工艺的实现。量子级联激光器自由空间光通信技术的研究目前处于起步期，在国际上发展并不成熟，国内鲜有报道，其短板在于中远红外波段的有源及无源器件的难以获得性，尤其是高性能光源与探测器的极高研制难度更进一步限制了该产业的发展。基于本课题组在量子级联器件研制方面多年的积累，本论文对基于量子级联激光器的自由空间光通信关键技术进行了深入的研究，主要研究成果如下: 一、系统研究了量子级联激光器和探测器高速调制响应相关理论与模拟技术，揭示了影响量子级联器件高速性能的关键因素，明确了技术方向。 二、对硫系玻璃掩埋异质结构高速量子级联激光器进行了尝试摸索。采用热蒸发法生长了厚度为2～3μm的Ge26.87Sb1.19Se71.94薄膜材料，将该材料作为激光器的绝缘层制备了掩埋异质结构高速量子级联激光器，该项工作积累了大量材料生长和材料工艺的参数和经验，为今后继续开展相关工作奠定了良好基础。 三、研制成功了一系列高速响应量子级联激光器芯片。一种为窄脊高速分布反馈量子级联激光器，采用较窄的脊宽和较厚的SiO2绝缘层减小芯片的寄生电容，采用Bragg光栅保障器件稳定的单模工作。器件实现了室温连续工作，激射波长为4.7μm，功率为150mW，阈值电流密度为1.18kA/cm2，远场发散角为24.6°，单模性能良好，无跳模，频率响应高达1.3GHz，拟合寄生电阻、电容分别为12Ω和14.5pF。另一种为短腔半绝缘InP掩埋异质结构高速量子级联激光器，采用较短的腔长和半绝缘InP掩埋异质结的方法减小芯片电容，采用前后腔面蒸镀高反膜减小器件损耗，保障其室温连续工作。器件实现了室温连续工作，激射波长为4.67μm，功率为14.4mW，远场发散角为29.6°，单模性能良好，频率响应高达5.6GHz，拟合寄生电阻、电容分别为30Ω和1.5pF。 四、研制成功了一系列高速响应量子级联探测器芯片。一种为中心波长4.3μm的室温高速量子级联探测器，有源区采用6纵光学声子台阶抽取区设计，电极采用CPW共面电极以减小电磁波的传输损耗，高低台面间采用空气桥结构连接以减小芯片电感。器件室温最大响应率为11mA/W，最大探测率为8.75×107cm·Hz1/2/W，-3dB响应频率高达9GHz，寄生电容处于fF量级。另一种为中心波长14.2μm的高速量子级联探测器，有源区采用2纵光学声子台阶短抽取区设计，减小了不同周期有源阱间电子的转移时间，电极采用CPW共面电极，高低台面间采用空气桥结构连接。器件77K最大响应率为13.334mA/W，最大探测率为6.67×1011cm·Hz1/2/W，-3dB响应频率高达6.2GHz，寄生电容处于fF量级。 五、设计并实现了量子级联激光器的高速微波封装。系统整体采用高热负载封装方法，采用SMA作为高频信号接口，信号传输线采用50ΩCPWG，阻抗匹配采用TaN薄膜电阻匹配器，调制电路为阴极调制电路。封装系统光束发散角为(2.6mrad，1.2mrad)，在20GHz的频率范围内，反射系数S11均小于-10dB。由封装好的量子级联激光器和Vigo高速MCT探测器组成的通信系统可获得数据率为900Mbps的清晰眼图。