Získajte informácie o technológii vychyľovania lúča založenej na vesmírnej optickej komunikácii za 3 minúty

Technológia vychyľovania lúča je kľúčovým komponentom laserovej komunikácie vo voľnom priestore a jej výkon určuje, či laserová komunikácia vo voľnom priestore dokáže uspokojiť potreby rýchlej a stabilnej komunikácie. Technológia vychyľovania lúča sa dá rozdeliť do dvoch kategórií: technológia mechanického vychyľovania lúča a technológia nemechanického vychyľovania lúča. Medzi nimi technológie mechanického vychyľovania lúča zahŕňajú skenovacie galvanometre, rýchle riadiace zrkadlá a deformovateľné zrkadlá s mikroelektromechanickým systémom; nemechanické technológie vychyľovania lúča zahŕňajú technológiu akusticko-optického vychyľovania, technológiu vychyľovania založenú na materiáloch s tekutými kryštálmi a technológiu elektrooptického vychyľovania.

Pozrime sa na charakteristiky rôznych technológií vychyľovania lúčov a ich aplikačné perspektívy v oblasti vesmírnej optickej komunikácie.

1.Snímací galvanometer

Najvyspelejším mechanickým zariadením na vychyľovanie lúča je skenovací galvanometer, ktorý je v podstate svetelným reflektorom s dobou odozvy krokov milisekúnd/submilisekundy a presnosťou nasmerovania mikroradiánov, ako je znázornené na obrázku 1.

Obrázok 1 Schematický diagram skenovacieho galvanometra

Skenovací systém galvanometra má jednoduchú štruktúru, malú veľkosť, vysokú presnosť skenovania, vysokú rýchlosť a relatívne nízke náklady. Má však problémy, ako je obmedzený pracovný rozsah, poduškovité skreslenie a opotrebovanie galvanometra. Toto zariadenie dosiahlo vynikajúce výkonové štandardy z hľadiska uhla vychýlenia. Napríklad skenovací galvanometer série XG210 od americkej spoločnosti THORLABS má uhol vychýlenia až ±20 stupňov. V súčasnosti výskumníci doma aj v zahraničí pracujú na zvyšovaní rýchlosti skenovania a využívajú metódy, ako sú pulzy femtosekundového lasera a viacrozmerné štruktúry galvanometra na zlepšenie jeho výkonu.

Avšak pre dvojrozmerné galvanometre a technológie skenovania galvanometrov s vyšším rozmerom je štruktúra systému zložitejšia a v praktických aplikáciách sa vyskytnú chyby orientácie a na opravu chýb sú potrebné dobré korekčné metódy. V budúcnosti môžeme zvážiť použitie technológie riadenia s premenlivou štruktúrou a technológie riadenia hrubých a tenkých dvojúrovňových kompozitných osí na pomoc pri potláčaní zvyškových chýb. Môžu byť použité v satelitných konšteláciách s dobrým vesmírnym prostredím a krátkymi pracovnými cyklami na dosiahnutie vysoko presného sledovania a skenovania s maximálnou účinnosťou. Okrem toho je výkon laserov v laserových komunikáciách vo všeobecnosti veľmi vysoký, takže výber materiálov zrkadiel galvanometrov s vyššou odrazivosťou na zníženie poškodenia povrchu je tiež problémom, ktorý je potrebné v budúcnosti vyriešiť.

2. Zrkadlá s rýchlym riadením

Existujú dve štruktúry pre zrkadlá s rýchlym riadením, FSM (ako je znázornené na obrázku 2): jednou z nich je rámová konštrukcia osi XY, nazývaná aj štruktúra hriadeľového systému; druhým je flexibilná osová štruktúra, ktorá je v súčasnosti hlavným vývojovým smerom FSM.

Obrázok 2 (a) Schéma rámovej štruktúry osi XY rýchloriadených zrkadiel; (b) Schéma flexibilnej osovej štruktúry rýchlo riadených zrkadiel

Rýchle ovládacie zrkadlo má výhody vysokej presnosti polohovania, vysokého uhlového rozlíšenia, rýchlej odozvy a kompaktných rozmerov. Je široko používaný v rôznych optomechanických systémoch a flexibilná nosná konštrukcia tiež znižuje mechanické trenie, ale v praktických aplikáciách to vyžaduje V kombinácii s veľkou zotrvačnou rámovou štruktúrou to povedie k určitej chybe optickej osi.

V súčasnosti sa na jednej strane domáci výskum v tejto oblasti zameriava najmä na štrukturálnu simuláciu a systémové riadenie rýchlych reflektorov a pokrok vo vývoji nových reflektorov je pomalý. S tým súvisí aj potreba neustáleho opakovaného overovania a vysoké náklady na výskum a vývoj. Preto vývoj spoločného simulačného systému tak, aby bolo možné simulovať fyzické overenie úpravou určitých parametrov v systéme, čím sa výrazne skráti vývojový cyklus, rýchlejšie nájdenie vysokovýkonných parametrov rýchleho zrkadla a zlepšenie účinnosti optimalizácie je niečo, čo je potrebné preskúmať v budúcnosť.

Na druhej strane tepelné poruchy a základné vibrácie existujúce vo vesmírnom prostredí spôsobia skreslenie optickej osi a jitter pri nasmerovaní vysoko presných lúčov. V súčasnosti existujúca metóda využíva lúč zložený z Michelsonovho interferometra a rýchleho riadiaceho zrkadla. Ukazovací systém zarovnania na kompenzáciu problému chyby optickej osi. Táto metóda má však nízku presnosť pri riešení dynamických chýb merania. Zvýšenie presnosti dynamických chýb merania na kompenzáciu chýb v reálnom čase je problém, ktorý by sa mal v budúcnosti vyriešiť.

3.MEMS deformovateľné zrkadlo

Micro-Electro-Mechanical System-Deformable Mirror (MEMS-DM) má rôzne typy ako elektrotermický pohon, piezoelektrický pohon, elektrostatický pohon a elektromagnetický pohon. Vzhľadom na to, že elektrostatický pohon má jednoduchú štruktúru, má výhody rýchlej odozvy a schopnosti pracovať pod vysokofrekvenčnými signálmi, takže je väčšinou poháňaný elektrostatickou silou a je väčšinou implementovaný vo forme plochých kondenzátorov. . Jeho štruktúra je znázornená na obrázku 3.

Obrázok 3 Schéma štruktúry pohonu deformovateľného zrkadla MEMS

Deformovateľné zrkadlá mikroelektromechanického systému majú výhody vysokej hustoty jednotiek, krátkej doby odozvy, nízkej spotreby energie, nízkej ceny a dobrej kompatibility s integrovanými obvodmi a sú širšie používané v oblasti zobrazovania; majú však aj pomalú rýchlosť skenovania a nízku spotrebu svetelnej energie. problémy, ako je viac rozptýleného svetla. V posledných rokoch výskumníci začali vyvíjať viac jednotkových ovládačov pre deformovateľné zrkadlá, aby zvýšili zdvih čela vlny a získali vyššiu snímkovú frekvenciu; zároveň deformovateľné zrkadlá s väčším počtom ovládačov povedú k väčšiemu mechanickému namáhaniu, takže výber ľahších základných materiálov s nižšou tvrdosťou je cestou vpred.

4. Technológia akustickej a svetelnej odchýlky

Akustooptická technológia vychyľovania konvertuje vysokofrekvenčné elektrické signály na ultrazvukové vlny a prenáša ich do pracovného média cez prevodník na vytvorenie mriežky, ktorá využíva difrakciu svetelných vĺn na vychýlenie lúča, ako je znázornené na obrázku 4. Akustooptická difrakcia Podľa dĺžky akusticko-optickej oblasti sa efekt delí na Ramanesovu difrakciu a Braggovu difrakciu. Pretože Ramanesova difrakcia má nízku účinnosť využitia svetla a Braggova difrakcia má vysokú difrakčnú účinnosť, všeobecne sa používa Braggova difrakcia.

Obrázok 4 Principiálna schéma akustickej a svetelnej výchylky

Akustooptické vychyľovacie zariadenia majú výhody malých rozmerov, nízkej hmotnosti, nízkej hnacej sily a vysokej difrakčnej účinnosti. Súčasne má akusticko-optická technológia vychyľovania aj možnosti paralelného spracovania v reálnom čase, veľkú šírku pásma, jednoduchú kompatibilitu s počítačmi a automatické ovládanie. Existujú však aj tieto nedostatky: väčšina difraktovaného svetla je difraktované svetlo prvého rádu, čo vedie k tomu, že akusticko-optické vychyľovacie zariadenie má zjavné nedostatky vo veľkom rozsahu vychyľovania, nízku presnosť vychyľovania, ťažkosti s dosiahnutím jemnej kontroly lúča a nízke rozlíšenie. , pri vysokorýchlostnom skenovaní sa objaví „efekt cvrlikania“.

Použitím metód, ako je ultrazvukové sledovanie a monokryštálová multifrekvenčná, možno zväčšiť efektívnu šírku pásma, aby sa vyriešil problém s nízkym rozlíšením. Pre „cvrlikací efekt“ možno za deflektor pridať cylindrickú šošovku, aby sa eliminoval jeho vplyv. V súčasnosti existuje veľa štúdií o frekvencii dopadajúcich akustických vĺn a vykonali sa rôzne metódy experimentálneho zlepšenia na zlepšenie difrakčnej účinnosti a výkonu frekvenčnej odozvy akusticko-optického deflektora pri dopade ultrazvukových vĺn, ale výkon zväčšenie uhla vychýlenia sa len zriedka analyzovalo.

V budúcnosti možno uvažovať o technológii ovládateľného vektora akustických vĺn na zmenu smeru dopadu akustickej vlny, aby sa rozšíril jej uhol snímania vychýlenia. Ďalšie ukazovatele výkonu akusticko-optických deflektorov, vrátane výkonu šírky pásma, antistatickej schopnosti a tepelnej stability, sú tiež aktuálnymi oblasťami výskumu.

5.LCD technológia vychyľovania

Technológie vychyľovania lúča založené na materiáloch z tekutých kryštálov zahŕňajú najmä: fázové polia z tekutých kryštálov, polia mikrošošoviek z tekutých kryštálov a polarizačné mriežky z tekutých kryštálov.

Technológia LCOPA (Liquid Crystal Optical Phased Array) sa týka aplikovania napätia na molekuly tekutých kryštálov prostredníctvom elektród. Pretože molekuly tekutých kryštálov majú elektronicky riadený dvojlomový efekt, aplikované napätie riadi stupeň vychýlenia molekúl tekutých kryštálov v rôznych stavoch, čím ovplyvňuje vlnu lúča. Zohráva úlohu fázovej modulácie vpredu na realizáciu skenovania lúča, ako je znázornené na obrázku 5.

Obrázok 5 Schéma princípu vychýlenia fázového poľa tekutých kryštálov

LCOPA má výhody vysokého výkonu a nízkeho napätia a môže dosiahnuť vysoko presné vychýlenie lúča s obratnosťou a bez mechanickej zotrvačnosti. Má však nedostatky, ako je dlhá doba odozvy a krátka šírka operačného spektra. Okrem toho malý uhol vychýlenia tiež obmedzuje rozsah použitia LCOPA, ktorý vyžaduje zariadenie na zosilnenie uhla na dosiahnutie väčšieho uhla vychýlenia. Avšak v dôsledku faktorov, ako je efektívny otvor a uhol rozchodu zariadenia na zosilnenie uhla, je v súčasnosti pre zariadenie na zosilnenie uhla ťažké dosiahnuť vyššie zväčšenie uhla. Súčasne bude mať fázované pole tekutých kryštálov počas prevádzky viacero difrakčných rádov a v spojení s vplyvom nelineárnych korelačných efektov sa účinnosť vychýlenia LCOPA zníži.

Pole mikrošošoviek z tekutých kryštálov (LCMLA) pozostáva z 3 polí šošoviek, ako je znázornené na obrázku 6. V porovnaní s LCOPA má LCMLA väčší uhol vychýlenia a nie je ovplyvnený zónou optického návratu, takže účinnosť vychýlenia je vyššia; ovplyvnený časom zmeny usporiadania molekúl LC v materiáli tekutých kryštálov, rozdiel v optickej dráhe požadovaný LCMLA je dlhší ako rozdiel v LCOPA. Malý, hrúbka sa dá zmenšiť, takže LCMLA má kratší čas odozvy ako LCOPA. Aby sa však dosiahlo kontinuálne skenovanie vychyľovania lúča, je potrebné použiť LCMLA v kombinácii s niektorými zariadeniami na vychyľovanie jemného uhla, čo zvyšuje zložitosť implementácie aplikácie. Okrem toho sa LCMLA skladá z viacvrstvového poľa šošoviek a stabilita systému je horšia ako u LCOPA. LCMLA dosahuje vychýlenie lúča zmenou hlavného veľkého difrakčného poriadku emitovaného svetla. Priestorová koherencia poľa mikrošošoviek ovplyvňuje jeho rozlíšenie, čo si vyžaduje veľmi malú chybu vo veľkosti mikrošošoviek, čo je hlavný problém, ktorý je potrebné vyriešiť.

Obrázok 6 Schematický diagram poľa mikrošošoviek z tekutých kryštálov

Princíp polarizačnej mriežky z tekutých kryštálov (LCPG) spočíva v tom, že dopadajúce svetlo prechádza polarizátorom za vzniku ľavotočivého a pravotočivého svetla a potom prechádza cez LCPG, aby odklonilo svetelný lúč do dvoch rôznych smerov. Vychyľovacia dráha svetla je znázornená na obrázku 7. LCPG nie je ovplyvnený okrajovým efektom elektrického poľa a má vysoké rozlíšenie, programovateľné ovládanie, ľahkosť a flexibilitu. LCPG potrebuje iba generovať rozdiel optickej dráhy ekvivalentnej polvlnovej platne a požadovaná hrúbka vrstvy tekutých kryštálov je tenšia, čím sa skracuje doba odozvy. Je rýchly a nemá vplyv na optický návrat spôsobený resetovaním fázy. Okrem toho môže dosiahnuť aj širokospektrálnu prevádzku. Pre jeden LCPG je však ťažké dosiahnuť požiadavky na index z viacerých uhlov a súčasne veľkého zorného poľa a viacvrstvový LCPG má vysoké požiadavky na proces prípravy a stabilitu systému.

Obrázok 7 Schematický diagram polarizačnej mriežky z tekutých kryštálov

Tradičná LCOPA je ľahká a flexibilná a dokáže dosiahnuť jemné vychýlenie v malom rozsahu uhla. Systémová zložitosť je pomerne jednoduchá a proces prípravy pomerne vyspelý. Je však ovplyvnená optickou vratnou zónou spôsobenou fázovým resetom a existujú zjavné nedostatky v účinnosti vychýlenia, dobe odozvy a iných indikátoroch. , stále potrebuje neustále zlepšovanie a rozvoj. LCMLA a LCPG nie sú ovplyvnené optickou spätnou zónou a výrazne zlepšili účinnosť vychýlenia. Obidve však musia byť vybavené zariadeniami na jemné vychyľovanie, aby sa dosiahlo kvázi-kontinuálne snímanie vychýlenia lúča, a obe používajú viacstupňové na dosiahnutie maximálneho uhla vychýlenia. Štruktúra série povedie k systému, ktorý je príliš dlhý a má relatívne slabú stabilitu. V porovnaní s LCOPA a LCMLA má LCPG nielen charakteristiky veľkého uhla vychýlenia a vysokej účinnosti vychýlenia, ale má aj jedinečnú výhodu širokospektrálnej prevádzky, ale dokáže dosiahnuť skenovanie vychýlenia lúča iba s veľkým uhlovým intervalom. V súčasnosti je technológia vychyľovania tekutých kryštálov najviac študovaná v oblasti nemechanického vychýlenia, existujú však značné obmedzenia pri dosahovaní veľkých uhlov a vysokej účinnosti v podmienkach nepolarizovaného svetla. Na vyriešenie tohto problému je možné zvážiť architektúru zariadenia a typ materiálu; pri použití zariadení s polarizačnou mriežkou z tekutých kryštálov je ťažké dosiahnuť kontinuálne vychýlenie uhla pri veľkých uhlových vychýleniach. Toto sú problémy, ktoré treba v budúcnosti vyriešiť.

6.Elektro-optická technológia vychyľovania

Technológia elektrooptického vychyľovania sa realizuje využívaním vychýlenia generovaného gradientom indexu lomu kolmo na smer šírenia lúča, ako je znázornené na obrázku 8. V porovnaní s inými technológiami majú deflektory lúča na báze elektrooptických kryštálov výhody ľubovoľného vychýlenia. uhol, malá veľkosť, rýchla odozva a vysoká citlivosť, ale majú problém s nízkym rozlíšením.

Obrázok 8 Principiálny diagram elektrooptickej výchylky

V posledných rokoch boli doma aj v zahraničí hlásené elektrooptické materiály so sekundárnymi elektrooptickými efektmi, ako je niobát lítny, titaničitan bárnatý atď. rýchlosť a vychyľovacie napätie. Medzi nimi najreprezentatívnejšie kryštály KTN.

Kryštál KTN je v súčasnosti známy kryštál s najväčším sekundárnym elektrooptickým efektom. Má vynikajúce vlastnosti, ako je veľká dielektrická konštanta, nízke dielektrické straty, zjavná feroelektrina a vynikajúce nelineárne optické vlastnosti. Má veľmi široké uplatnenie v oblasti vychyľovania lúča. vyhliadka. V súčasnosti zahraničné spoločnosti, ako napríklad japonská spoločnosť NTT Company a University of Pennsylvania v Spojených štátoch, ako aj domáci Harbin Institute of Technology, Univerzita Nankai a Shandong Academy of Sciences vykonali veľa výskumov o charakteristikách vychýlenia KTN. kryštály.

NTT Company a University of Pennsylvania študovali hlavne technológiu vychyľovania lúča kryštálov KTN založenú na vstrekovaní vesmírneho náboja; Shandongská akadémia vied študovala hlavne technológiu vychyľovania lúča vyvolanú gradientom zloženia kryštálu KTN; Harbin Institute of Technology a ďalší študovali hlavne elektródy deflektorov kryštálových lúčov KTN. Študovali sa technické problémy, ako je štruktúra a prevádzková teplota.

V súčasnosti existujú nasledujúce problémy: je ťažké dosiahnuť vysokú optickú jednotnosť rastu kryštálov a splniť potreby praktických aplikácií; aplikácie v blízkosti Curieovej teploty vyžadujú presné metódy regulácie teploty; existujú otázky týkajúce sa mechanizmu vstrekovania vesmírneho náboja a polarity pri Curieovej teplote. Vedecké otázky, ako je nanoregión a mechanizmus kontroly vychyľovania lúča, si vyžadujú ďalší výskum.

Aby bolo možné intuitívnejšie zobraziť výhody a nevýhody každej technológie vychýlenia, bola vykonaná porovnávacia analýza, ako je uvedené v tabuľke 1.

Tabuľka 1 Porovnanie technológií vychyľovania lúča

Zhrnutie

Bežne používané mechanické mikro-elektromechanické deformovateľné zrkadlá, rýchloodrazové zrkadlá a skenovacie galvanometre menia smer vyžarovanej optickej osi mechanickými prostriedkami. Ich presnosť môže dosiahnuť mikroradiánov a uhol vychýlenia môže dosiahnuť desiatky radiánov. Majú široké uplatnenie v medicíne a iných oblastiach. . Existujú však problémy, ako je zložitá štruktúra, objemné rozmery a vysoká spotreba energie. Vzhľadom na veľkú veľkosť adaptívnych optických systémov sa v oblasti zobrazovania používajú hlavne deformovateľné zrkadlá MEMS doma aj v zahraničí. V oblasti vychyľovania lúča je ťažké uspokojiť potreby malých vesmírnych prostredí. aby spĺňali vysoké požiadavky na chemizáciu a nízku hmotnosť.

Akustooptické vychyľovacie zariadenie má veľkú pracovnú šírku, ale je ťažké splniť presnosť vychyľovania mikroradiánov a má vysoké požiadavky na vlnovú dĺžku, uhol a energiu dopadajúceho svetla a spotrebúva veľké energetické straty.

Metódy, ako sú polia s fázovanými tekutými kryštálmi a polia mikrošošoviek, majú nízku spotrebu energie a nízke hnacie napätie, ale majú pomalú rýchlosť odozvy, nesúvislú uhlovú odchýlku, veľké uhly vychýlenia, ale nízku účinnosť vychýlenia pri veľkých uhloch, čo sťažuje splnenie požiadaviek úlohy širokopásmový prenos.

V porovnaní s inými technológiami majú deflektory lúčov na báze elektrooptických kryštálov výhody ľubovoľného uhla vychýlenia, malej veľkosti, rýchlej odozvy a vysokej citlivosti. Sú považované za najvhodnejšie na realizáciu jedného z popredných smerov technológie vysokorýchlostného vychyľovania svetla. Medzi rôznymi typmi elektrooptických materiálov majú elektrooptické deflektory založené na kryštáloch KTN výhody veľkého uhla vychýlenia, rýchlej rýchlosti odozvy, vysokej účinnosti vychýlenia, vysokej presnosti vychýlenia, širokopásmovej prevádzky atď., a majú väčší potenciál. v aplikáciách v oblastiach, ako je vesmírna optická komunikácia, čím sa stáva výskumným centrom po celom svete. Na jednej strane musí následná práca analyzovať a študovať rastové charakteristiky a podmienky kryštálov KTN, aby sa získali vysokokvalitné kryštály s jednotným zložením a pravidelným tvarom; na druhej strane musíme postupne študovať mikroskopický mechanizmus vychýlenia kryštálov KTN, čo je veľmi dôležité. praktický význam.