Saznajte više o tehnologiji skretanja snopa koja se temelji na svemirskoj optičkoj komunikaciji u 3 minute

Tehnologija skretanja snopa ključna je komponenta laserske komunikacije u slobodnom prostoru, a njezina izvedba određuje hoće li laserska komunikacija u slobodnom prostoru zadovoljiti potrebe brze i stabilne komunikacije. Tehnologija skretanja grede može se podijeliti u dvije kategorije: tehnologija mehaničkog skretanja snopa i tehnologija nemehaničkog skretanja snopa. Među njima, tehnologije mehaničkog otklona snopa uključuju skenirajuće galvanometre, brza kontrolna zrcala i deformabilna zrcala mikro-elektromehaničkog sustava; nemehaničke tehnologije otklona zrake uključuju akusto-optičku tehnologiju otklona, ​​tehnologiju otklona temeljenu na materijalima s tekućim kristalima i elektrooptičku tehnologiju otklona.

Pogledajmo karakteristike različitih tehnologija otklona snopa i mogućnosti njihove primjene u području svemirskih optičkih komunikacija.

1.Skenirajući galvanometar

Najzreliji mehanički uređaj za skretanje zrake je skenirajući galvanometar, koji je u biti svjetlosni reflektor s vremenom odziva koraka od milisekundi/sub-milisekundi i preciznošću usmjeravanja od mikroradijana, kao što je prikazano na slici 1.

Slika 1. Shematski dijagram pretražnog galvanometra

Sustav za skeniranje galvanometra ima jednostavnu strukturu, malu veličinu, visoku točnost skeniranja, veliku brzinu i relativno nisku cijenu. Međutim, ima problema kao što su ograničeni radni raspon, izobličenje jastuka i istrošenost galvanometra. Ovaj je uređaj postigao izvrsne standarde performansi u pogledu kuta otklona. Na primjer, skenirajući galvanometar serije XG210 koji je lansirala američka tvrtka THORLABS ima kut otklona do ±20 stupnjeva. Trenutno, istraživači u zemlji i inozemstvu rade na povećanju brzine skeniranja i koriste metode kao što su femtosekundni laserski impulsi i višedimenzionalne strukture galvanometra kako bi poboljšali njegovu izvedbu.

Međutim, za dvodimenzionalne galvanometre i višedimenzionalne tehnologije skeniranja galvanometara, struktura sustava je složenija, a pogreške orijentacije će se pojaviti u praktičnim primjenama, a potrebne su dobre metode korekcije za ispravljanje pogrešaka. U budućnosti možemo razmotriti korištenje tehnologije kontrole varijabilne strukture i tehnologije kontrole debele i tanke kompozitne osi na dvije razine kako bismo pomogli u suzbijanju zaostalih pogrešaka. Mogu se primijeniti u satelitskim konstelacijama s dobrim svemirskim okruženjima i kratkim radnim ciklusima kako bi se postiglo visokoprecizno praćenje i skeniranje uz maksimalnu učinkovitost. Osim toga, snaga lasera u laserskim komunikacijama općenito je vrlo velika, pa je odabir materijala za zrcala galvanometra s većom refleksivnošću kako bi se smanjila površinska oštećenja također problem koji treba riješiti u budućnosti.

2. Ogledala za brzo upravljanje

Postoje dvije strukture za zrcala za brzo upravljanje, FSM (kao što je prikazano na slici 2): jedna je struktura okvira osi XY, koja se naziva i struktura sustava vratila; drugi je fleksibilna osovinska struktura, koja je trenutačno glavni smjer razvoja FSM-a.

Slika 2 (a) dijagram strukture okvira osi XY zrcala za brzo upravljanje; (b) Dijagram strukture fleksibilne osi zrcala za brzo upravljanje

Ogledalo s brzom kontrolom ima prednosti visoke točnosti pozicioniranja, visoke kutne rezolucije, brze reakcije i kompaktne veličine. Naširoko se koristi u raznim optomehaničkim sustavima, a fleksibilna potporna struktura također smanjuje mehaničko trenje, ali u praktičnim primjenama zahtijeva U kombinaciji s velikom strukturom inercijskog okvira, to će dovesti do određene pogreške optičke osi.

Trenutačno, s jedne strane, domaća istraživanja u ovom području uglavnom su usmjerena na strukturnu simulaciju i upravljanje sustavom brzih reflektora, a napredak u razvoju novih reflektora je spor. To je također povezano s potrebom za kontinuiranom iterativnom provjerom i visokim troškovima istraživanja i razvoja. Stoga je razvoj zajedničkog simulacijskog sustava tako da se fizička provjera može simulirati podešavanjem određenih parametara u sustavu, čime se uvelike skraćuje razvojni ciklus, brže pronalaze visokoučinkoviti brzi zrcalni parametri i poboljšava učinkovitost optimizacije nešto što treba istražiti u budućnost.

S druge strane, toplinske smetnje i temeljne vibracije koje postoje u svemirskom okruženju uzrokovat će izobličenje optičke osi i podrhtavanje pri usmjeravanju visokopreciznih zraka. Trenutačno postojeća metoda je korištenje zrake koja se sastoji od Michelsonovog interferometra i brzog kontrolnog zrcala. Sustav usmjeravanja usmjerivača za kompenzaciju problema pogreške optičke osi. Međutim, ova metoda ima nisku točnost u rukovanju dinamičkim pogreškama mjerenja. Povećanje točnosti dinamičkih pogrešaka mjerenja radi kompenzacije pogrešaka u stvarnom vremenu problem je koji bi se trebao riješiti u budućnosti.

3.MEMS deformabilno ogledalo

Mikro-elektro-mehanički sustav deformabilnog zrcala (MEMS-DM) ima različite vrste kao što su elektrotermički pogon, piezoelektrični pogon, elektrostatički pogon i elektromagnetski pogon. S obzirom na to da elektrostatički pogon ima jednostavnu strukturu, prednosti su mu brzi odziv i sposobnost rada pod visokofrekventnim signalima, pa se uglavnom pokreće elektrostatičkom silom, a većinom je implementiran u obliku ravnih kondenzatora . Njegova struktura prikazana je na slici 3.

Slika 3. MEMS dijagram strukture pogona deformabilnog zrcala

Deformabilna zrcala mikroelektromehaničkog sustava imaju prednosti velike gustoće jedinica, kratkog vremena odziva, male potrošnje energije, niske cijene i dobre kompatibilnosti s integriranim krugom te se šire koriste u području snimanja; međutim, oni također imaju malu brzinu skeniranja i nisku iskorištenost svjetlosne energije. , problemi kao što je više zalutalog svjetla. Posljednjih godina istraživači su počeli razvijati više jediničnih pokretača za deformabilna zrcala kako bi povećali hod valne fronte i dobili veću brzinu kadrova; u isto vrijeme, deformabilna zrcala s više pokretača dovest će do većeg mehaničkog naprezanja, tako da je odabir lakših osnovnih materijala manje tvrdoće put naprijed.

4. Akustična i svjetlosna tehnologija otklona

Tehnologija akustooptičke deflekcije pretvara visokofrekventne električne signale u ultrazvučne valove i prenosi ih na radni medij kroz pretvornik kako bi se formirala rešetka, koja koristi difrakciju svjetlosnog vala da skrene zraku, kao što je prikazano na slici 4. Akustooptička difrakcija učinak se dijeli na Ramanesovu difrakciju i Braggovu difrakciju prema duljini akustooptičkog područja. Budući da Ramanesova difrakcija ima nisku učinkovitost iskorištenja svjetla, a Braggova difrakcija ima visoku učinkovitost ogiba, općenito se koristi Braggova difrakcija.

Slika 4. Principijelni dijagram akustičnog i svjetlosnog otklona

Akusto-optički otklonski uređaji imaju prednosti male veličine, male težine, male pogonske snage i visoke učinkovitosti difrakcije. U isto vrijeme, akusto-optička tehnologija otklona također ima mogućnosti paralelne obrade u stvarnom vremenu, veliku vremensku propusnost, laku kompatibilnost s računalima i automatsku kontrolu. Međutim, postoje i sljedeći nedostaci: većina difraktiranog svjetla je difraktirano svjetlo prvog reda, što rezultira očitim nedostatkom akusto-optičkog otklonskog uređaja u rasponu otklona velikog kuta, niske točnosti otklona, ​​poteškoća u postizanju fine kontrole snopa i niske rezolucije. , tijekom skeniranja velikom brzinom pojavit će se "efekt cvrkutanja".

Korištenjem metoda kao što su ultrazvučno praćenje i monokristalna multi-frekvencija, učinkovita širina pojasa može se povećati kako bi se riješio problem niske rezolucije. Za "chirp efekt", nakon deflektora se može dodati cilindrična leća kako bi se eliminirao njegov utjecaj. Trenutačno postoje mnoge studije o učestalosti upadnih akustičnih valova i provedene su različite metode eksperimentalnog poboljšanja kako bi se poboljšala učinkovitost difrakcije i performanse frekvencijskog odziva akusto-optičkog deflektora pod upadom ultrazvučnih valova, ali performanse povećanja kuta otklona rijetko je analiziran.

U budućnosti se može razmotriti upravljiva tehnologija vektora akustičnog vala za promjenu smjera upada akustičnog vala kako bi se proširio njegov kut skeniranja otklona. Ostali pokazatelji performansi otklona akusto-optičkih deflektora, uključujući performanse širine pojasa, antistatičke sposobnosti i toplinsku stabilnost, također su trenutna žarišta istraživanja.

5.LCD tehnologija otklona

Tehnologije otklona snopa temeljene na materijalima s tekućim kristalima uglavnom uključuju: fazne nizove tekućih kristala, nizove mikroleća tekućeg kristala i polarizacijske rešetke tekućeg kristala.

Liquid Crystal Optical Phased Array (LCOPA) tehnologija odnosi se na primjenu napona na molekule tekućeg kristala kroz elektrode. Budući da molekule tekućeg kristala imaju elektronički kontrolirani efekt dvoloma, primijenjeni napon kontrolira stupanj otklona molekula tekućeg kristala u različitim stanjima, čime utječe na val zrake. On igra ulogu fazne modulacije ispred kako bi se ostvarilo skeniranje snopa, kao što je prikazano na slici 5.

Slika 5. Principijelni dijagram otklona faznog niza tekućeg kristala

LCOPA ima prednosti pogona velike snage i niskog napona i može postići visokoprecizno skretanje zrake spretnošću i bez mehaničke inercije. Međutim, ima nedostatke kao što su dugo vrijeme odziva i kratka širina radnog spektra. Osim toga, mali kut otklona također ograničava raspon primjene LCOPA-e, što zahtijeva uređaj za pojačavanje kuta kako bi se postigao veći kut otklona. Međutim, zbog čimbenika kao što su efektivni otvor blende i kut odlaska uređaja za kutno pojačanje, trenutno je teško za uređaj za kutno pojačanje postići veće kutno povećanje. U isto vrijeme, fazni niz tekućih kristala imat će više redova ogiba tijekom rada, a zajedno s utjecajem nelinearnih korelacijskih učinaka, učinkovitost otklona LCOPA-e bit će smanjena.

Liquid Crystal Micro-lens Array (LCMLA) sastoji se od 3 niza leća, kao što je prikazano na slici 6. U usporedbi s LCOPA, LCMLA ima veći kut otklona i na njega ne utječe zona optičkog povrata, tako da je učinkovitost otklona veća; pod utjecajem vremena promjene molekularnog rasporeda LC u materijalu tekućeg kristala, razlika optičkog puta koju zahtijeva LCMLA duža je od one za LCOPA. Mala, debljina se može smanjiti, tako da LCMLA ima kraće vrijeme odziva od LCOPA. Međutim, da bi se postiglo kontinuirano skeniranje otklona snopa, LCMLA se mora koristiti u kombinaciji s nekim uređajima za otklon finog kuta, što povećava složenost implementacije aplikacije. Štoviše, LCMLA se sastoji od višeslojnog niza leća, a stabilnost sustava lošija je od LCOPA. LCMLA postiže skretanje snopa promjenom glavnog reda velike difrakcije emitirane svjetlosti. Prostorna koherencija niza mikroleća utječe na njegovu rezoluciju, što zahtijeva vrlo malu pogrešku u veličini mikroleće, što je veliki problem koji treba riješiti.

Slika 6. Shematski dijagram niza mikroleća tekućeg kristala

Načelo polarizacijske rešetke tekućeg kristala (LCPG) je da upadno svjetlo prolazi kroz polarizator da bi formiralo lijevo i desno svjetlo, a zatim prolazi kroz LCPG da skrene svjetlosni snop u dva različita smjera. Put otklona svjetlosti prikazan je na slici 7. LCPG nije pod utjecajem rubnog učinka električnog polja i ima visoku rezoluciju, programabilnu kontrolu, lakoću i fleksibilnost. LCPG treba samo generirati optičku razliku putanje ekvivalentne poluvalne ploče, a potrebna debljina sloja tekućeg kristala je tanja, čime je njegovo vrijeme odziva kraće. Brz je i nema utjecaja optičkog povrata uzrokovanog resetiranjem faze. Osim toga, također može postići rad širokog spektra. Međutim, teško je za jedan LCPG postići zahtjeve indeksa više kutova i velikog vidnog polja u isto vrijeme, a višeslojni LCPG ima visoke zahtjeve u pogledu procesa pripreme i stabilnosti sustava.

Slika 7. Shematski dijagram polarizacijske rešetke tekućeg kristala

Tradicionalni LCOPA je lagan i fleksibilan i može postići fino otklon unutar malog raspona kutova. Složenost sustava je relativno jednostavna, a proces pripreme relativno zreo. Međutim, na njega utječe zona optičkog povratka uzrokovana resetiranjem faze, a očiti su nedostaci u učinkovitosti otklona, ​​vremenu odziva i drugim pokazateljima. , i dalje zahtijeva kontinuirano poboljšanje i razvoj. LCMLA i LCPG nisu pod utjecajem optičke povratne zone i znatno su poboljšali učinkovitost otklona. Međutim, oba moraju biti opremljena uređajima za otklon s finim kutom kako bi se postiglo kvazi-kontinuirano skeniranje otklona zrake, i oba koriste više stupnjeva za postizanje maksimalnog kuta otklona. Struktura serije dovest će do sustava koji je predug i ima relativno lošu stabilnost. U usporedbi s LCOPA i LCMLA, LCPG ne samo da ima karakteristike velikog kuta otklona i visoke učinkovitosti otklona, ​​već ima i jedinstvenu prednost rada širokog spektra, ali može postići samo skeniranje otklona snopa s velikim kutnim intervalom. Trenutačno se tehnologija otklona od tekućih kristala najviše proučava u nemehaničkom otklonu, ali postoje značajna ograničenja u postizanju velikih kutova i visoke učinkovitosti u uvjetima nepolariziranog svjetla. Kako bi se riješio ovaj problem, može se razmotriti arhitektura uređaja i vrsta materijala; kada se koriste uređaji s polarizirajućom rešetkom s tekućim kristalima, teško je postići kontinuirano otklon kuta pri velikim otklonima kuta. To su problemi koje treba rješavati u budućnosti.

6.Tehnologija elektrooptičkog otklona

Tehnologija elektrooptičkog otklona ostvaruje se korištenjem otklona generiranog gradijentom indeksa loma okomito na smjer širenja zrake, kao što je prikazano na slici 8. U usporedbi s drugim tehnologijama, deflektori zraka temeljeni na elektrooptičkim kristalima imaju prednosti proizvoljnog otklona kut, mala veličina, brz odziv i visoka osjetljivost, ali imaju problem niske rezolucije.

Slika 8. Principijelni dijagram elektrooptičkog otklona

Posljednjih godina u zemlji i inozemstvu zabilježeni su elektrooptički materijali sa sekundarnim elektrooptičkim učincima, kao što su litijev niobat, barijev titanat itd. U usporedbi s kristalima s linearnim elektrooptičkim učincima, oni su superiorniji u performansama kao što je odziv brzina i napon otklona. Među njima su KTN kristali najreprezentativniji.

KTN kristal je trenutno poznati kristal s najvećim sekundarnim elektrooptičkim učinkom. Ima izvanredne karakteristike kao što su velika dielektrična konstanta, mali dielektrični gubitak, očita feroelektričnost i izvrsna nelinearna optička svojstva. Ima vrlo širok raspon primjena u području skretanja greda. perspektiva. Trenutačno su strane tvrtke poput japanske NTT Company i Sveučilišta Pennsylvania u Sjedinjenim Državama, kao i domaće Harbin Institute of Technology, Nankai University i Shandong Academy of Sciences, provele mnogo istraživanja o karakteristikama otklona KTN-a. kristali.

Tvrtka NTT i Sveučilište u Pennsylvaniji uglavnom su proučavali tehnologiju otklona KTN kristalne zrake koja se temelji na ubrizgavanju prostornog naboja; Akademija znanosti Shandong uglavnom je proučavala tehnologiju otklona zrake izazvanu gradijentom sastava KTN kristala; Harbin Institute of Technology i drugi uglavnom su proučavali elektrode KTN kristalnih deflektora zraka. Proučavana su inženjerska pitanja kao što su struktura i radna temperatura.

Trenutačno postoje sljedeći problemi: teško je postići visoku optičku uniformnost u rastu kristala i zadovoljiti potrebe praktičnih primjena; primjene blizu Curiejeve temperature zahtijevaju precizne metode kontrole temperature; postoje pitanja o mehanizmu ubrizgavanja prostornog naboja i polaritet na Curievoj temperaturi. Znanstvena pitanja kao što su nano-područje i kontrolni mehanizam otklona zrake zahtijevaju daljnja istraživanja.

Kako bi se intuitivnije prikazale prednosti i nedostaci svake tehnologije otklona, ​​provedena je komparativna analiza, kao što je prikazano u tablici 1.

Tablica 1. Usporedba tehnologija otklona greda

Sažetak

Uobičajeno korištena mehanička mikro-elektromehanička deformabilna zrcala, zrcala za brzu refleksiju i skenirajući galvanometri mijenjaju smjer emitirane optičke osi mehaničkim sredstvima. Njihova točnost može doseći mikroradijane, a kut otklona može doseći desetke radijana. Imaju široku primjenu u medicini i drugim područjima. . Međutim, postoje problemi kao što su složena struktura, glomazna veličina i velika potrošnja energije. Zbog velike veličine adaptivnih optičkih sustava, MEMS deformabilna zrcala u zemlji i inozemstvu uglavnom se koriste u području snimanja. U području otklona snopa, teško je zadovoljiti potrebe malih svemirskih okruženja. zadovoljiti visoke zahtjeve kemijske i lagane.

Akustooptička otklonska oprema ima veliki radni pojas, ali je teško zadovoljiti točnost otklona mikroradijana, a ima visoke zahtjeve na valnu duljinu, kut i energiju upadne svjetlosti i troši velike gubitke energije.

Metode kao što su fazni nizovi tekućih kristala i nizovi mikroleća imaju nisku potrošnju energije i nizak pogonski napon, ali imaju sporu brzinu odziva, diskontinuirani kutni otklon, velike kutove otklona, ​​ali nisku učinkovitost otklona pri velikim kutovima, što otežava ispunjavanje zahtjeva zadatka prijenos velike propusnosti.

U usporedbi s drugim tehnologijama, deflektori snopa temeljeni na elektrooptičkim kristalima imaju prednosti proizvoljnog kuta otklona, ​​male veličine, brze reakcije i visoke osjetljivosti. Smatraju se najprikladnijima za realizaciju jednog od vodećih smjerova tehnologije otklona svjetlosti velike brzine. Među raznim vrstama elektrooptičkih materijala, elektrooptički deflektori temeljeni na KTN kristalima imaju prednosti velikog kuta otklona, ​​brze brzine odziva, visoke učinkovitosti otklona, ​​visoke točnosti otklona, ​​širokopojasnog rada itd., i imaju veći potencijal u primjenama u poljima kao što su svemirske optičke komunikacije, postajući istraživačke žarišne točke diljem svijeta. S jedne strane, kasniji rad mora analizirati i proučavati karakteristike rasta i uvjete KTN kristala kako bi se uzgojili visokokvalitetni kristali ujednačenog sastava i pravilnog oblika; s druge strane, moramo postupno proučavati mikroskopski mehanizam otklona KTN kristala, što je vrlo važno. praktični značaj.