6 月 30 日消息，據(jù)“中科院之聲”公眾號，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(xué)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(yīng)速度、重復(fù)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(yīng)用潛力。如圖，封裝后的 MEMS 快反鏡僅 1 元硬幣大小。
▲ 封裝后的 MEMS 快反鏡
IT之家從官方介紹獲悉，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(xué)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(fù)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(yīng)以及高重復(fù)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(dāng)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
團隊從按壓手機屏幕中獲得靈感，利用硅壓阻應(yīng)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(shè)計，引入力學(xué)定向結(jié)構(gòu)形成應(yīng)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(shè)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(shè)計圖
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(dāng)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(yīng)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。
