千里之外能精准“闪送”？这位“快递员”跟硬币差不多大

在地面，手机通信靠4G、5G网络；在万米高空巡航的飞机，通信靠高频无线电通信或卫星通信；那么，卫星之间通信靠什么呢？答案是依靠互相打“灯语”。卫星之间通过收发激光进行通信，由于激光束非常细，对准目标难度极高，因此需要能快速调整位置、精准指向的反射镜来保障卫星通信。

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所成功研制了一款高性能的MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微电子机械系统）快反镜。这面镜子只有一枚硬币大小，镜子的角度可在1毫秒（1/1000秒）内快速调整到指定角度，能够在-40℃至100℃的温度下工作，可以抵御严酷的太空环境。

这一快反镜精度高，体积小，使得卫星能够精准将激光投射到上千公里外的目标卫星上，在星间激光通信领域有巨大的应用潜力。

封装后的MEMS快反镜样品（图片来源：参考文献[4])

Part.1

MEMS——迷你精巧的机械

说到机械，大家一般首先会想起那种布满了金属器件的与各类管道的机器，比如汽车的发动机、蒸汽时代的火车头。而MEMS则要小巧很多。

如果你此刻正用手机阅读这篇文章，那么你掌心的手机中便含有好几个MEMS器件。现代的手机具备计步功能，能记录我们每天的运动情况，这依赖于手机中的MEMS加速度计（一种用于测量物体加速度、振动、倾斜或运动状态的传感器），它能感知手机的运动速度。而手机的指南针功能，内部并没有一碗水加个小铁片那种传统结构，而是有一个MEMS陀螺仪器件，能够感知手机的方位。

MEMS是使用半导体工艺制成的，一般MEMS器件大小只有几十到几百微米。例如微型的锁止结构，半导体工艺能够制作微小的结构，利用该工艺制作的机械结构非常精细，常规的加工方法无法加工这么小的齿轮。在制造存储数据所用的内存芯片的同时，加工一个锁止机构，只有输入特定的电信号，锁止机构才能被打开，保护芯片中的数据安全。

微型的锁止结构，齿轮直径约为0.2毫米（图片来源：参考文献[3])

而星间激光通信使用的MEMS快反镜，则是MEMS器件中的“庞然大物”。其镜面越大，可以反射激光的区域也就越大。然而，镜面增大的同时也不可避免地使其重量增加，要想精确且快速地驱动一个大镜片，难度比驱动小镜片高。这就像穿鞋散步，穿拖鞋走起来非常轻快，穿厚重的靴子走起来就比较笨重。

此次科研团队打造的MEMS快反镜则包含镜面尺寸大、封装体积小两个特点，可以实现更精确的激光光束闭环控制。

Part.2

硬币大小快反镜的制作工艺

那么，这样一个兼具体积小和精度高特性的快反镜是如何被打造出来的呢？镜面以及夹持镜面运动的机构分开制造，然后键合在一起。为了提高镜片的摆动速度， 反射镜背面设计成蜂窝结构，相比于简单平板反射镜更加轻巧，同时摆动时的镜片的变形量还小。

(采用蜂窝结构的反射镜，摆动时变形量为2.15纳米，是简单平板反射镜变形量的四分之一，图源：参考文献4)

对应的支撑结构由硅、二氧化硅、钼、铝等多种材料组合而成，保证结构强度以及摆动的精度。

Part.3

为什么需要激光通信？

航天技术发展迅速，远在太空的卫星已深度融入我们的生活：开车需要北斗卫星提供导航；天气预报离不开气象卫星提供数据；即便在无信号的野外，部分手机还能利用卫星通信来与外界联系。一些卫星企业正通过发射成千上万颗卫星将地球“包裹起来”，这些卫星遍布全球，组成了“卫星互联网”。不论你在飞机上、沙漠中、大海的中央，都能够利用卫星互联网接入网络。

在庞大的卫星群中，除了与地面站通信外，卫星之间也需要互相“传话”，传递信息。然而，手机接收到的无线电信号在一定范围内可被任意接收，通信信息有可能被记录并破译。

这时候，激光通信就派上用场了——相比传统的无线电通信，激光通信的保密性更高。这是因为激光的发散范围小，指向性极强。虽然这一特性给对准系统带来了极大的挑战，却同时造就了其保密性极高的优势。

卫星之间利用激光互相“打灯语”进行信息传递，要求激光束必须稳定且精准地指向目标卫星，否则就会丢失信息。这对快反镜的要求非常高——卫星装备着激光器，它发出的激光依靠反射镜变换角度从而改变方向，跟踪瞄准卫星，确保通信链路稳定。这项重任落在了反射镜的精准控制能力上。

激光通信示意图（图片来源：作者自制）

除了卫星之间互相使用激光进行通信外，卫星与地面之间也能进行激光通信。中国的“墨子号”量子科学实验卫星，能够实现距离长达上千公里的卫星与地面之间量子通信，这种将激光通信与量子密钥分发技术相结合的通信方式，是保密等级超高的空间通信技术。

随着科技的发展，人们研制的机器结构愈加复杂精巧，古代有能工巧匠在方寸核桃上雕刻出舟船，现如今则有当代科学家让反射镜在浩瀚太空中精准摆动。这种对极致精密的追求，正是科技发展的永恒主题。

参考文献:

[1]陈文元.MEMS强链及其应用[M].科学出版社,2007.

[2]姜会林,安岩,张雅琳,等.空间激光通信现状、发展趋势及关键技术分析[J].飞行器测控学报, 2015, 34(3):11.DOI:10.7642/j.issn.1674-5620.2015-03-0207-11.

[3]林文浩,陈昱,夏曼,等.MEMS传感器技术发展及应用分析[J].电子元器件与信息技术, 2021, 5(7):2.DOI:10.19772/j.cnki.2096-4455.2021.7.006.

[4] Xue, Wenli , et al.“A high-performance 10mm diameter MEMS fast steering mirror with integrated piezoresistive angle sensors for laser inter-satellite links.” Microsystems & Nanoengineering.

出品：科普中国

作者：海里的咸鱼（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）

监制：中国科普博览

本文仅代表作者观点，不代表中国科普博览立场

本文首发于中国科普博览（kepubolan）

转载请注明公众号出处

推荐资源

关注使用“科学与中国”小程序，可观看以院士科普视频为代表的优秀科普视频，第一时间获取中国科学院公众科学日、科学节等科普活动报名信息。

转载注明出处 未经授权不得转载

转载授权、合作、投稿事宜，联系webmaster@kepu.net.cn

中国科普博览是中国科学院科普云平台，依托中国科学院高端科学资源，致力于传播前沿科学知识，提供趣味科教服务。