在衛星激光通信系統中，光束控制精度決定了通信質量。如果把衛星激光通信系統視作遨游太空的“數字生命體”，那么控制激光的快速反射鏡（以下簡稱快反鏡）就是維持它運轉的“精密心臟”。這顆“硅基心臟”精準調節激光束，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與信息技術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形變，可以實現更精確的激光光束閉環控制， 在激光衛星通信方面具有巨大的應用潛力。

▲封裝后的MEMS快反鏡

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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量等一系列極限性能指標。

研究團隊直面兩大技術瓶頸：傳統機械快反鏡體積大、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集成技術，如同給器件裝上“復合骨骼”，實現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快反鏡性能表征結果

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受手機屏幕啟發

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。

通過結構創新設計，引入力學定向結構形成應力集中區域（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，能夠發現那些以前被忽視的細節，清晰地聽到遠處細微的聲音。

▲壓阻角度傳感器的結構設計圖

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讓衛星激光通信“毫發無損”

為了保證太空激光通信信號“毫發無損”，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變形開展“全維度體檢”。

結果表明，在準靜態驅動（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絲的直徑，滿足遠距離衛星激光通信對鏡面面型的嚴苛要求。

▲鏡面動態形變的表征

此次開發的MEMS快反鏡優勢顯著，在航空航天領域具有重要的應用前景。

未來，研究團隊將繼續針對鏡面尺寸、閉環控制以及器件可靠性進行優化研究。

來源：中國科學院上海微系統與信息技術研究所

責任編輯：宋同舟