在地面，手機(jī)通信靠4G、5G網(wǎng)絡(luò)；在萬米高空巡航的飛機(jī)，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(jìn)行通信，由于激光束非常細(xì)，對準(zhǔn)目標(biāo)難度極高，因此需要能快速調(diào)整位置、精準(zhǔn)指向的反射鏡來保障衛(wèi)星通信。

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高性能的MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微電子機(jī)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(yán)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(zhǔn)將激光投射到上千公里外的目標(biāo)衛(wèi)星上，在星間激光通信領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。

封裝后的MEMS快反鏡樣品（參考文獻(xiàn)[4])

Part.1

MEMS——迷你精巧的機(jī)械

說到機(jī)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(jī)器，比如汽車的發(fā)動機(jī)、蒸汽時(shí)代的火車頭。而MEMS則要小巧很多。

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

MEMS是使用半導(dǎo)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(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體工藝能夠制作微小的結(jié)構(gòu)，利用該工藝制作的機(jī)械結(jié)構(gòu)非常精細(xì)，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(shí)，加工一個(gè)鎖止機(jī)構(gòu)，只有輸入特定的電信號，鎖止機(jī)構(gòu)才能被打開，保護(hù)芯片中的數(shù)據(jù)安全。

微型的鎖止結(jié)構(gòu)，齒輪直徑約為0.2毫米（參考文獻(xiàn)[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(shí)也不可避免地使其重量增加，要想精確且快速地驅(qū)動一個(gè)大鏡片，難度比驅(qū)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(tuán)隊(duì)打造的MEMS快反鏡則包含鏡面尺寸大、封裝體積小兩個(gè)特點(diǎn)，可以實(shí)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(gè)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(yùn)動的機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)成蜂窩結(jié)構(gòu)，相比于簡單平板反射鏡更加輕巧，同時(shí)擺動時(shí)的鏡片的變形量還小。

(采用蜂窩結(jié)構(gòu)的反射鏡，擺動時(shí)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(xiàn)4)

對應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)由硅、二氧化硅、鉬、鋁等多種材料組合而成，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及擺動的精度。

Part.3

為什么需要激光通信？

航天技術(shù)發(fā)展迅速，遠(yuǎn)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(dǎo)航；天氣預(yù)報(bào)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(jī)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(jī)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(luò)。

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(jī)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(shí)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?yàn)榧す獾陌l(fā)散范圍小，指向性極強(qiáng)。雖然這一特性給對準(zhǔn)系統(tǒng)帶來了極大的挑戰(zhàn)，卻同時(shí)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(jìn)行信息傳遞，要求激光束必須穩(wěn)定且精準(zhǔn)地指向目標(biāo)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(zhǔn)衛(wèi)星，確保通信鏈路穩(wěn)定。這項(xiàng)重任落在了反射鏡的精準(zhǔn)控制能力上。

激光通信示意圖（作者自制）

除了衛(wèi)星之間互相使用激光進(jìn)行通信外，衛(wèi)星與地面之間也能進(jìn)行激光通信。中國的“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，能夠?qū)崿F(xiàn)距離長達(dá)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(shù)相結(jié)合的通信方式，是保密等級超高的空間通信技術(shù)。

隨著科技的發(fā)展，人們研制的機(jī)器結(jié)構(gòu)愈加復(fù)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(dāng)代科學(xué)家讓反射鏡在浩瀚太空中精準(zhǔn)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(xiàn):

[1]陳文元.MEMS強(qiáng)鏈及其應(yīng)用[M].科學(xué)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(guān)鍵技術(shù)分析[J].飛行器測控學(xué)報(bào), 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(shù)發(fā)展及應(yīng)用分析[J].電子元器件與信息技術(shù), 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：科普中國

作者：海里的咸魚（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）

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