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(jiǎn)稱快反鏡）就是維持它運(yùn)轉(zhuǎn)的“精密心臟”。這顆“硅基心臟”精準(zhǔn)調(diào)節(jié)激光束，可以確保星間通信的“生命信號(hào)”不中斷。
近日，中國(guó)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(dòng)態(tài)形變，可以實(shí)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。
▲封裝后的MEMS快反鏡
01 超高性能指標(biāo)滿足星載應(yīng)用
為了滿足激光星間鏈路對(duì)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(biāo)。
研究團(tuán)隊(duì)直面兩大技術(shù)瓶頸：傳統(tǒng)機(jī)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(wú)集成角度傳感器。
為此，研究團(tuán)隊(duì)在近五年間打造出航天級(jí)的高精度、高可靠MEMS快反鏡。
研究團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)MEMS快反鏡更高的填充因子和諧振頻率。
同時(shí)采用晶圓級(jí)鍵合工藝，實(shí)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(jí)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
02 受手機(jī)屏幕啟發(fā) 靈敏度提升63%
團(tuán)隊(duì)從按壓手機(jī)屏幕中獲得靈感，利用硅壓阻應(yīng)變?cè)?，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(jì)，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(dá)63%，顯著優(yōu)化了光束控制的精確性。
這種設(shè)計(jì)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(xì)節(jié)，清晰地聽到遠(yuǎn)處細(xì)微的聲音。
▲壓阻角度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖
03 讓衛(wèi)星激光通信“毫發(fā)無(wú)損”
為了保證太空激光通信信號(hào)“毫發(fā)無(wú)損”，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了理論計(jì)算、有限元仿真以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，首次針對(duì)10毫米大口徑鏡面動(dòng)態(tài)變形開展“全維度體檢”。
結(jié)果表明，在準(zhǔn)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)（500Hz@±2mrad），也就是500Hz（赫茲）的頻率下，MEMS快反鏡的角度精度能夠達(dá)到±2mrad（毫弧度），最大動(dòng)態(tài)表面形變僅2納米。
這就相當(dāng)于在足球場(chǎng)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(yuǎn)距離衛(wèi)星激光通信對(duì)鏡面面型的嚴(yán)苛要求。
▲鏡面動(dòng)態(tài)形變的表征
此次開發(fā)的MEMS快反鏡優(yōu)勢(shì)顯著，在航空航天領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)針對(duì)鏡面尺寸、閉環(huán)控制以及器件可靠性進(jìn)行優(yōu)化研究。
