【導語】在科技日新月異的今天，從地麵的4G、5G網絡到萬米高空的飛機通信，再到遙遠的太空衛星互聯，通信技術不斷突破邊界。衛星間的通信方式尤為獨特(tè)——它(tā)們(men)通(tōng)過(guò)“打(dǎ)燈(dēng)語(yǔ)”，即(jí)激(jī)光(guāng)通(tōng)信(xìn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)信(xìn)息(xi)傳(chuán)遞(dì)。而(ér)這(zhè)一(yī)高精尖技術背後，離不開一個關鍵組件：高性能的MEMS快反鏡。近日，中國科學院上海微係統與信息技術研究所成功研製出一款硬幣大小的MEMS快反鏡，它不僅能在極端環境下工作，還能精準地將激光投射到上千公裏外的目標衛星上，為星間激光通信領域帶來了革命性的進展。本文將帶您深入了解這一科技奇跡背後的故事及其廣泛應用。

出品：

作者：海裏的鹹魚（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所）

監製：中國科普博覽

在地麵，手機通信靠4G、5G網絡；在萬米高空巡航的飛機，通信靠高頻無線電通信或衛星通信；那麽，衛星之間通信靠什麽呢？答案是依靠互相打“燈語”。衛星之間通過收發激光進行通信，由於激光束非常細，對準目標難度極高，因此需要能快速調整位置、精準指向的反射鏡來保障衛星通信。

近日，中國科(kē)學(xué)院上海微係統與信息技術研究所成功研製了一款高性能的MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微電子機械係統）快反鏡。這麵鏡子隻有一枚硬幣大小，鏡子的角度可在1毫秒（1/1000秒）內快速調整到指定角度，能夠在-40℃至100℃的溫度下工作，可以抵禦嚴酷的太空環境。

這一快反鏡精度高，體積小，使得衛星能夠精準將激光投射到上千公裏外的(de)目(mù)標(biāo)衛(wèi)星(xīng)上(shàng)，在(zài)星(xīng)間(jiān)激(jī)光(guāng)通(tōng)信(xìn)領(lǐng)域有(yǒu)巨大的應用潛力。

封裝後的MEMS快反鏡樣品

（圖片來源：參考文獻[4])

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，比如汽車的發動機、蒸汽時代的火車頭。而MEMS則要(yào)小(xiǎo)巧(qiǎo)很(hěn)多(duō)。

如(rú)果(guǒ)你(nǐ)此(cǐ)刻(kè)正(zhèng)用(yòng)手(shǒu)機(jī)閱(yuè)讀(dú)這(zhè)篇(piān)文章(zhāng)，那(nà)麽(me)你(nǐ)掌(zhǎng)心(xīn)的(de)手(shǒu)機(jī)中(zhōng)便(biàn)含(hán)有(yǒu)好(hǎo)幾(jǐ)個(gè)MEMS器(qì)件(jiàn)。現(xiàn)代(dài)的(de)手機具備計步功能，能記錄糖心免费视频每(měi)天(tiān)的(de)運(yùn)動(dòng)情(qíng)況(kuàng)，這(zhè)依(yī)賴(lài)於(yú)手(shǒu)機(jī)中(zhōng)的(de)MEMS加(jiā)速(sù)度(dù)計(jì)（一(yī)種(zhǒng)用(yòng)於(yú)測(cè)量(liàng)物(wù)體(tǐ)加(jiā)速(sù)度(dù)、振(zhèn)動(dòng)、傾(qīng)斜(xié)或(huò)運(yùn)動(dòng)狀(zhuàng)態(tài)的(de)傳(chuán)感(gǎn)器(qì)），它(tā)能(néng)感(gǎn)知(zhī)手(shǒu)機(jī)的(de)運(yùn)動(dòng)速(sù)度(dù)。而(ér)手(shǒu)機(jī)的(de)指(zhǐ)南(nán)針(zhēn)功(gōng)能(néng)，內(nèi)部(bù)並(bìng)沒(méi)有(yǒu)一(yī)碗(wǎn)水(shuǐ)加(jiā)個(gè)小(xiǎo)鐵(tiě)片(piàn)那(nà)種(zhǒng)傳(chuán)統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而(ér)是(shì)有(yǒu)一(yī)個(gè)MEMS陀(tuó)螺(luó)儀(yí)器(qì)件(jiàn)，能(néng)夠(gòu)感(gǎn)知(zhī)手(shǒu)機(jī)的(de)方(fāng)位(wèi)。

MEMS是(shì)使(shǐ)用(yòng)半(bàn)導(dǎo)體(tǐ)工(gōng)藝(yì)製(zhì)成(chéng)的(de)，一(yī)般(bān)MEMS器(qì)件(jiàn)大(dà)小(xiǎo)隻(zhǐ)有(yǒu)幾(jǐ)十(shí)到(dào)幾(jǐ)百(bǎi)微(wēi)米(mǐ)。例(lì)如(rú)微(wēi)型(xíng)的(de)鎖(suǒ)止(zhǐ)結(jié)構(gòu)，半(bàn)導(dǎo)體(tǐ)工(gōng)藝(yì)能(néng)夠(gòu)製(zhì)作(zuò)微(wēi)小(xiǎo)的(de)結(jié)構(gòu)，利(lì)用(yòng)該(gāi)工(gōng)藝(yì)製(zhì)作(zuò)的(de)機(jī)械(xiè)結(jié)構(gòu)非(fēi)常(cháng)精(jīng)細(xì)，常(cháng)規(guī)的(de)加(jiā)工(gōng)方(fāng)法(fǎ)無(wú)法(fǎ)加(jiā)工(gōng)這(zhè)麽(me)小(xiǎo)的(de)齒(chǐ)輪(lún)。在(zài)製(zhì)造(zào)存(cún)儲(chǔ)數(shù)據(jù)所(suǒ)用(yòng)的(de)內(nèi)存(cún)芯(xīn)片(piàn)的(de)同(tóng)時(shí)，加(jiā)工一個鎖止機構，隻有輸入特定的電信號，鎖止機構才能被打開，保護芯片中的數據安全。

微(wēi)型(xíng)的(de)鎖(suǒ)止(zhǐ)結(jié)構(gòu)，齒(chǐ)輪(lún)直(zhí)徑約(yuē)為(wèi)0.2毫(háo)米(mǐ)

（圖(tú)片(piàn)來(lái)源(yuán)：參(cān)考(kǎo)文獻(xiàn)[3])

而(ér)星(xīng)間(jiān)激(jī)光(guāng)通(tōng)信(xìn)使(shǐ)用(yòng)的(de)MEMS快(kuài)反(fǎn)鏡，則是MEMS器件中的“龐然大物”。其鏡麵越大，可以反射激光的區域也就越大(dà)。然(rán)而(ér)，鏡(jìng)麵(miàn)增(zēng)大(dà)的(de)同(tóng)時(shí)也(yě)不(bù)可(kě)避(bì)免(miǎn)地(de)使(shǐ)其(qí)重(zhòng)量(liàng)增(zēng)加(jiā)，要(yào)想(xiǎng)精(jīng)確(què)且(qiě)快(kuài)速(sù)地(de)驅(qū)動(dòng)一(yī)個(gè)大(dà)鏡(jìng)片(piàn)，難(nán)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快反鏡則包含鏡麵尺寸大、封裝體積小兩個特點，可以實現更精確的激光光束閉環控製。

硬幣大小快反鏡的製作工藝

那麽，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？鏡麵以及夾持鏡麵運動的機構分開製造，然後鍵合在一起。為了提高鏡片的擺動速度， 反射鏡背麵設計成蜂窩結構，相比於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)

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

為什麽需要激光通信？

航天技術發展迅速，遠在太空的衛星已深度融入糖心免费视频的生活：開車需要北鬥衛星提供導航；天氣預報離不開氣象衛星提供數據；即便在無信號的野外，部分手機還能利用衛星通信來與外界聯係。一些衛星企業正通過發射成千上萬(wàn)顆(kē)衛星將地球“包裹起來”，這些衛星遍布全球，組成了“衛星互聯網”。不論你在飛機上、沙漠中、大海的中央，都能夠利用衛星互聯網接入網絡。

在龐大的衛星群中，除了與地麵站通信外，衛星之間也需要互相“傳話”，傳遞信息。然而，手機接收到的無線電信號在一定範圍內可被任意接收，通信信息有可能被記錄並破譯。

這時候，激光通信就派上用場了——相比傳統的無線電通信，激光通信的保密性更高。這是因為激光的發散範圍小，指向性極強。雖然這一特性給對準係統帶來了極大的挑戰，卻同時造就了其保密性極高的優勢。

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

激光通信示意圖

（圖片來源：作者自製）

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

隨著科技的發展，人們研製的機器結構愈加複雜精巧，古代有能工巧匠在方寸核桃上雕刻出舟船，現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]薑會林,安岩,張雅琳,等.空間激光通信現狀、發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 , et al.“A high-performance 10mm diameter MEMS fast steering mirror with integrated piezoresistive angle sensors for laser inter-satellite links.” Microsystems & Nanoengineering.