在衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)中，光束控制精度決定了通信質(zhì)量。如果把衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)視作遨游太空的“數(shù)字生命體”，那么控制激光的快速反射鏡（以下簡稱快反鏡）就是維持它運轉(zhuǎn)的“精密心臟”。這顆“硅基心臟”精準調(diào)節(jié)激光束，可以確保星間通信的“生命信號”不中斷。

近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所成功研制了一款集成角度傳感器的高性能MEMS快反鏡。它的鏡面尺寸大、封裝體積小，集成了高靈敏度角度傳感器，具備良好的線性度、角分辨率、響應速度、重復定位精度和鏡面動態(tài)形變，可以實現(xiàn)更精確的激光光束閉環(huán)控制，在激光衛(wèi)星通信方面具有巨大的應用潛力。

▲封裝后的MEMS快反鏡

01

超高性能指標滿足星載應用

為了滿足激光星間鏈路對高精度光束控制的需求，快反鏡需要具備高指向精度、高工作帶寬和高光學質(zhì)量等一系列極限性能指標。

研究團隊直面兩大技術(shù)瓶頸：傳統(tǒng)機械快反鏡體積大、功耗高、存在遲滯，以及原有MEMS快反鏡鏡面小、帶寬低、無集成角度傳感器。

為此，研究團隊在近五年間打造出航天級的高精度、高可靠MEMS快反鏡。

研究團隊采用雙層異構(gòu)集成技術(shù)，如同給器件裝上“復合骨骼”，實現(xiàn)MEMS快反鏡更高的填充因子和諧振頻率。

同時采用晶圓級鍵合工藝，實現(xiàn)快反鏡的高均一制備，器件具備高線性度、超高角度分辨率、快速階躍響應以及高重復定位精度。

值得一提的是，該MEMS快反鏡具備μrad（微弧度）量級的指向精度，最小能分辨0.3μrad的角度變化，相當于能分辨出1000公里外物體0.3米的位置變化。

▲MEMS快反鏡性能表征結(jié)果

02

受手機屏幕啟發(fā)

靈敏度提升63%

團隊從按壓手機屏幕中獲得靈感，利用硅壓阻應變原理，在MEMS快反鏡上集成了片上角度傳感器。

通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計，引入力學定向結(jié)構(gòu)形成應力集中區(qū)域（SCR），將角度傳感器靈敏度從3.3mV/(V·mrad)提升至5.4mV/(V·mrad)，增幅達63%，顯著優(yōu)化了光束控制的精確性。

這種設計就好像普通人忽然獲得了超人的聽力，能夠發(fā)現(xiàn)那些以前被忽視的細節(jié)，清晰地聽到遠處細微的聲音。

▲壓阻角度傳感器的結(jié)構(gòu)設計圖

03

讓衛(wèi)星激光通信“毫發(fā)無損”

為了保證太空激光通信信號“毫發(fā)無損”，研究團隊進行了理論計算、有限元仿真以及實驗測試，首次針對10毫米大口徑鏡面動態(tài)變形開展“全維度體檢”。

結(jié)果表明，在準靜態(tài)驅(qū)動（500Hz@±2mrad），也就是500Hz（赫茲）的頻率下，MEMS快反鏡的角度精度能夠達到±2mrad（毫弧度），最大動態(tài)表面形變僅2納米。

這就相當于在足球場大小的鏡面上，所有起伏不超過一根頭發(fā)絲的直徑，滿足遠距離衛(wèi)星激光通信對鏡面面型的嚴苛要求。

▲鏡面動態(tài)形變的表征

此次開發(fā)的MEMS快反鏡優(yōu)勢顯著，在航空航天領(lǐng)域具有重要的應用前景。

未來，研究團隊將繼續(xù)針對鏡面尺寸、閉環(huán)控制以及器件可靠性進行優(yōu)化研究。

來源：中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所

責任編輯：宋同舟