涂斌斌

在地面，手機通信靠4G、5G網(wǎng)絡；在萬米高空巡航的飛機，通信靠高頻無線電通信或衛(wèi)星通信；那么，衛(wèi)星之間通信靠什么呢？答案是依靠互相打“燈語”。衛(wèi)星之間通過收發(fā)激光進行通信，由于激光束非常細，對準目標難度極高，因此需要能快速調(diào)整位置、精準指向的反射鏡來保障衛(wèi)星通信。

近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所成功研制了一款高性能的MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystem，微電子機械系統(tǒng)）快反鏡。這面鏡子只有一枚硬幣大小，鏡子的角度可在1毫秒（1/1000秒）內(nèi)快速調(diào)整到指定角度，能夠在-40℃至100℃的溫度下工作，可以抵御嚴酷的太空環(huán)境。

這一快反鏡精度高，體積小，使得衛(wèi)星能夠精準將激光投射到上千公里外的目標衛(wèi)星上，在星間激光通信領域有巨大的應用潛力。

封裝后的MEMS快反鏡樣品（圖片來源：參考文獻[4])

Part.1

MEMS——迷你精巧的機械

說到機械，大家一般首先會想起那種布滿了金屬器件的與各類管道的機器，比如汽車的發(fā)動機、蒸汽時代的火車頭。而MEMS則要小巧很多。

如果你此刻正用手機閱讀這篇文章，那么你掌心的手機中便含有好幾個MEMS器件?，F(xiàn)代的手機具備計步功能，能記錄我們每天的運動情況，這依賴于手機中的MEMS加速度計（一種用于測量物體加速度、振動、傾斜或運動狀態(tài)的傳感器），它能感知手機的運動速度。而手機的指南針功能，內(nèi)部并沒有一碗水加個小鐵片那種傳統(tǒng)結構，而是有一個MEMS陀螺儀器件，能夠感知手機的方位。

MEMS是使用半導體工藝制成的，一般MEMS器件大小只有幾十到幾百微米。例如微型的鎖止結構，半導體工藝能夠制作微小的結構，利用該工藝制作的機械結構非常精細，常規(guī)的加工方法無法加工這么小的齒輪。在制造存儲數(shù)據(jù)所用的內(nèi)存芯片的同時，加工一個鎖止機構，只有輸入特定的電信號，鎖止機構才能被打開，保護芯片中的數(shù)據(jù)安全。

微型的鎖止結構，齒輪直徑約為0.2毫米（圖片來源：參考文獻[3])

而星間激光通信使用的MEMS快反鏡，則是MEMS器件中的“龐然大物”。其鏡面越大，可以反射激光的區(qū)域也就越大。然而，鏡面增大的同時也不可避免地使其重量增加，要想精確且快速地驅動一個大鏡片，難度比驅動小鏡片高。這就像穿鞋散步，穿拖鞋走起來非常輕快，穿厚重的靴子走起來就比較笨重。

此次科研團隊打造的MEMS快反鏡則包含鏡面尺寸大、封裝體積小兩個特點，可以實現(xiàn)更精確的激光光束閉環(huán)控制。

Part.2

硬幣大小快反鏡的制作工藝

那么，這樣一個兼具體積小和精度高特性的快反鏡是如何被打造出來的呢？鏡面以及夾持鏡面運動的機構分開制造，然后鍵合在一起。為了提高鏡片的擺動速度，反射鏡背面設計成蜂窩結構，相比于簡單平板反射鏡更加輕巧，同時擺動時的鏡片的變形量還小。

(采用蜂窩結構的反射鏡，擺動時變形量為2.15納米，是簡單平板反射鏡變形量的四分之一，圖源：參考文獻4)

對應的支撐結構由硅、二氧化硅、鉬、鋁等多種材料組合而成，保證結構強度以及擺動的精度。

Part.3

為什么需要激光通信？

航天技術發(fā)展迅速，遠在太空的衛(wèi)星已深度融入我們的生活：開車需要北斗衛(wèi)星提供導航；天氣預報離不開氣象衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)；即便在無信號的野外，部分手機還能利用衛(wèi)星通信來與外界聯(lián)系。一些衛(wèi)星企業(yè)正通過發(fā)射成千上萬顆衛(wèi)星將地球“包裹起來”，這些衛(wèi)星遍布全球，組成了“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”。不論你在飛機上、沙漠中、大海的中央，都能夠利用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)絡。

在龐大的衛(wèi)星群中，除了與地面站通信外，衛(wèi)星之間也需要互相“傳話”，傳遞信息。然而，手機接收到的無線電信號在一定范圍內(nèi)可被任意接收，通信信息有可能被記錄并破譯。

這時候，激光通信就派上用場了——相比傳統(tǒng)的無線電通信，激光通信的保密性更高。這是因為激光的發(fā)散范圍小，指向性極強。雖然這一特性給對準系統(tǒng)帶來了極大的挑戰(zhàn)，卻同時造就了其保密性極高的優(yōu)勢。

衛(wèi)星之間利用激光互相“打燈語”進行信息傳遞，要求激光束必須穩(wěn)定且精準地指向目標衛(wèi)星，否則就會丟失信息。這對快反鏡的要求非常高——衛(wèi)星裝備著激光器，它發(fā)出的激光依靠反射鏡變換角度從而改變方向，跟蹤瞄準衛(wèi)星，確保通信鏈路穩(wěn)定。這項重任落在了反射鏡的精準控制能力上。

激光通信示意圖（圖片來源：作者自制）

除了衛(wèi)星之間互相使用激光進行通信外，衛(wèi)星與地面之間也能進行激光通信。中國的“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，能夠實現(xiàn)距離長達上千公里的衛(wèi)星與地面之間量子通信，這種將激光通信與量子密鑰分發(fā)技術相結合的通信方式，是保密等級超高的空間通信技術。

隨著科技的發(fā)展，人們研制的機器結構愈加復雜精巧，古代有能工巧匠在方寸核桃上雕刻出舟船，現(xiàn)如今則有當代科學家讓反射鏡在浩瀚太空中精準擺動。這種對極致精密的追求，正是科技發(fā)展的永恒主題。

參考文獻:

[1]陳文元.MEMS強鏈及其應用[M].科學出版社,2007.

[2]姜會林,安巖,張雅琳,等.空間激光通信現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及關鍵技術分析[J].飛行器測控學報,2015,34(3):11.DOI:10.7642/j.issn.1674-5620.2015-03-0207-11.

[3]林文浩,陳昱,夏曼,等.MEMS傳感器技術發(fā)展及應用分析[J].電子元器件與信息技術,2021,5(7):2.DOI:10.19772/j.cnki.2096-4455.2021.7.006.

[4]Xue,Wenli,etal.“Ahigh-performance10mmdiameterMEMSfaststeeringmirrorwithintegratedpiezoresistiveanglesensorsforlaserinter-satellitelinks.”Microsystems&Nanoengineering.

出品：科普中國

作者：海里的咸魚（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所）

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