Saznajte više o tehnologiji skretanja zraka zasnovanoj na svemirskoj optičkoj komunikaciji za 3 minuta

Tehnologija skretanja zraka ključna je komponenta laserske komunikacije u slobodnom prostoru, a njena izvedba određuje da li laserske komunikacije u slobodnom prostoru mogu zadovoljiti brze i stabilne komunikacijske potrebe. Tehnologija skretanja snopa može se podijeliti u dvije kategorije: mehanička tehnologija skretanja snopa i nemehanička tehnologija skretanja snopa. Među njima, tehnologije mehaničkog skretanja snopa uključuju skenirajuće galvanometre, brza kontrolna ogledala i mikro-elektromehanička sistema deformabilna ogledala; nemehaničke tehnologije skretanja zraka uključuju tehnologiju akusto-optičkog skretanja, tehnologiju skretanja zasnovanu na materijalima od tekućih kristala i elektrooptičku tehnologiju skretanja.

Pogledajmo karakteristike različitih tehnologija skretanja zraka i mogućnosti njihove primjene u području svemirskih optičkih komunikacija.

1.Galvanometar za skeniranje

Najzreliji mehanički uređaj za skretanje snopa je skenirajući galvanometar, koji je u suštini reflektor svjetlosti s vremenom odziva od milisekundi/podmilisekundi i preciznošću usmjeravanja od mikroradijana, kao što je prikazano na slici 1.

Slika 1 Šematski dijagram skenirajućeg galvanometra

Sistem za skeniranje galvanometra ima jednostavnu strukturu, malu veličinu, visoku tačnost skeniranja, veliku brzinu i relativno nisku cijenu. Međutim, ima problema kao što su ograničen radni domet, izobličenje jastučića i trošenje galvanometra. Ovaj uređaj je postigao odlične standarde performansi u pogledu ugla skretanja. Na primjer, galvanometar za skeniranje serije XG210 koji je lansirala američka kompanija THORLABS ima ugao otklona do ±20 stepeni. Trenutno, istraživači u zemlji i inostranstvu rade na povećanju brzine skeniranja i koriste metode kao što su femtosekundni laserski impulsi i višedimenzionalne strukture galvanometra kako bi poboljšali njegove performanse.

Međutim, za dvodimenzionalne galvanometre i tehnologije skeniranja višedimenzionalnih galvanometara, struktura sistema je složenija, a greške u orijentaciji će se pojaviti u praktičnim aplikacijama, a potrebne su dobre metode korekcije da bi se greške ispravile. U budućnosti možemo razmisliti o korištenju tehnologije upravljanja varijabilnom strukturom i guste i tanke dvoslojne kompozitne tehnologije upravljanja osovinom kako bi se pomoglo u suzbijanju zaostalih grešaka. Mogu se primijeniti u satelitskim konstelacijama s dobrim svemirskim okruženjem i kratkim radnim ciklusima kako bi se postiglo visoko precizno praćenje i skeniranje uz maksimalnu efikasnost. Osim toga, snaga lasera u laserskim komunikacijama je općenito vrlo velika, tako da je odabir materijala za ogledalo galvanometara s većom refleksijom za smanjenje površinskih oštećenja također problem koji treba riješiti u budućnosti.

2.Fast Steering Mirrors

Postoje dvije strukture za Fast Steering Mirrors, FSM (kao što je prikazano na slici 2): jedna je struktura okvira ose XY, koja se također naziva struktura sistema osovine; druga je struktura fleksibilne osovine, koja je trenutno glavni razvojni pravac FSM-a.

Slika 2 (a) Dijagram strukture okvira osi XY brzih ogledala za upravljanje; (b) Dijagram strukture fleksibilne osovine brzih ogledala za upravljanje

Ogledalo za brzo upravljanje ima prednosti visoke preciznosti pozicioniranja, visoke ugaone rezolucije, velike brzine odziva i kompaktne veličine. Široko se koristi u raznim optomehaničkim sistemima, a fleksibilna potporna struktura također smanjuje mehaničko trenje, ali u praktičnim primjenama to zahtijeva U kombinaciji s velikom inercijskom strukturom okvira, to će dovesti do određene greške optičke ose.

Trenutno se, s jedne strane, domaća istraživanja u ovoj oblasti uglavnom fokusiraju na strukturnu simulaciju i sistemsko upravljanje brzim reflektorima, a napredak u razvoju novih reflektora je spor. Ovo je također povezano sa potrebom za kontinuiranom iterativnom verifikacijom i visokim troškovima istraživanja i razvoja. Stoga je razvoj zajedničkog simulacionog sistema tako da se fizička verifikacija može simulirati podešavanjem određenih parametara u sistemu, čime se uvelike skraćuje razvojni ciklus, brže pronalaze brzi parametri zrcala visokih performansi i poboljšava efikasnost optimizacije, nešto što treba istražiti u budućnost.

S druge strane, toplinski poremećaji i fundamentalne vibracije koje postoje u svemirskom okruženju uzrokovat će izobličenje optičke ose i podrhtavanje pri usmjeravanju visoko preciznih zraka. Trenutno, postojeća metoda je korištenje zraka sastavljenog od Michelsonovog interferometra i brzog kontrolnog ogledala. Sistem poravnanja pokazivača radi kompenzacije problema greške optičke ose. Međutim, ova metoda ima nisku tačnost u rukovanju greškama dinamičkog mjerenja. Povećanje tačnosti dinamičkih grešaka merenja radi kompenzacije grešaka u realnom vremenu je problem koji bi trebalo da se reši u budućnosti.

3.MEMS deformabilno ogledalo

Mikro-elektro-mehanički sistem-deformabilno ogledalo (MEMS-DM) ima različite tipove kao što su elektrotermalni pogon, piezoelektrični pogon, elektrostatički pogon i elektromagnetski pogon. S obzirom na to da elektrostatički pogon ima jednostavnu strukturu, ima prednosti velike brzine odziva i mogućnosti rada pod visokofrekventnim signalima, pa se uglavnom pokreće elektrostatičkom silom, a uglavnom je implementiran u obliku ravnih kondenzatora. . Njegova struktura je prikazana na slici 3.

Slika 3. Dijagram strukture pogona MEMS deformabilnog ogledala

Mikroelektromehanički sistem deformabilna ogledala imaju prednosti visoke gustine jedinice, kratkog vremena odziva, niske potrošnje energije, niske cijene i dobre kompatibilnosti integriranih kola, te se šire koriste u polju snimanja; međutim, oni također imaju sporu brzinu skeniranja i slabo korištenje svjetlosne energije. , problemi kao što je više rasute svjetlosti. Poslednjih godina, istraživači su počeli da razvijaju više jediničnih aktuatora za deformabilna ogledala kako bi povećali hod talasnog fronta i dobili veću brzinu kadrova; u isto vrijeme, deformabilna ogledala 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 skretanja

Tehnologija akustooptičkog skretanja pretvara električne signale visoke frekvencije u ultrazvučne valove i prenosi ih na radni medij kroz pretvarač kako bi se formirala rešetka, koja koristi difrakciju svjetlosnih valova za skretanje zraka, kao što je prikazano na slici 4. Akustooptička difrakcija efekt se dijeli na Ramanesovu difrakciju i Braggovu difrakciju prema dužini akustooptičkog područja. Budući da Ramanesova difrakcija ima nisku efikasnost korištenja svjetlosti, a Braggova difrakcija ima visoku efikasnost difrakcije, općenito se koristi Braggova difrakcija.

Slika 4 Principski dijagram akustičkog i svjetlosnog otklona

Akusto-optički uređaji za skretanje imaju prednosti male veličine, male težine, male pogonske snage i visoke efikasnosti difrakcije. Istovremeno, tehnologija akusto-optičkog otklona takođe ima mogućnosti paralelne obrade u realnom vremenu, veliki vremenski opseg, laku kompatibilnost sa računarima i automatsku kontrolu. Međutim, postoje i sljedeći nedostaci: većina difraktiranog svjetla je difraktirana svjetlost prvog reda, što rezultira da uređaj za akusto-optičko skretanje ima očigledne nedostatke u rasponu skretanja velikog ugla, nisku preciznost skretanja, teškoće u postizanju fine kontrole snopa i niske rezolucije. , "efekat cvrkuta" će se pojaviti pri skeniranju velikom brzinom.

Korištenjem metoda kao što su ultrazvučno praćenje i monokristalna multi-frekvencija, efektivni propusni opseg može se povećati kako bi se riješio problem niske rezolucije. Za „efekat cvrkuta“, cilindrično sočivo se može dodati iza deflektora kako bi se eliminisao njegov uticaj. Trenutno postoji mnogo studija o učestalosti upadnih akustičnih talasa, a sprovedene su različite metode eksperimentalnog poboljšanja kako bi se poboljšala efikasnost difrakcije i performanse frekvencijskog odziva akustooptičkog deflektora pod upadom ultrazvučnih talasa, ali performanse povećanje ugla otklona rijetko je analizirano.

U budućnosti se može smatrati da tehnologija vektora akustičnog talasa može da promeni smer upada akustičnog talasa kako bi se proširio ugao skeniranja njegovog otklona. Ostali pokazatelji performansi skretanja akusto-optičkih deflektora, uključujući performanse propusnog opsega, antistatičku sposobnost i termičku stabilnost, također su trenutna istraživanja.

5.LCD tehnologija otklona

Tehnologije skretanja snopa zasnovane na materijalima s tekućim kristalima uglavnom uključuju: fazne nizove s tekućim kristalima, nizove mikrosočiva s tekućim kristalima i polarizacijske rešetke s tekućim kristalima.

Liquid Crystal Optical Phased Array (LCOPA) tehnologija se odnosi na primjenu napona na molekule tekućih kristala putem elektroda. Pošto molekuli tečnih kristala imaju elektronski kontrolisan efekat dvostrukog prelamanja, primenjeni napon kontroliše stepen otklona molekula tečnih kristala u različitim stanjima, čime utiče na talas snopa. On igra ulogu fazne modulacije ispred da bi se ostvarilo skeniranje zraka, kao što je prikazano na slici 5.

Slika 5 Principski dijagram skretanja faznog niza tečnih kristala

LCOPA ima prednosti vožnje velike snage i niskog napona i može postići visoko precizno skretanje snopa sa spretnošću i bez mehaničke inercije. Međutim, ima nedostataka kao što su dugo vrijeme odziva i kratka širina radnog spektra. Pored toga, mali ugao otklona takođe ograničava opseg primene LCOPA, što zahteva uređaj za pojačanje ugla da bi se postigao veći ugao otklona. Međutim, zbog faktora kao što su efektivni otvor blende i ugao odlaska uređaja za ugaono pojačanje, trenutno je teško za uređaj za pojačanje ugla da postigne veće uvećanje ugla. Istovremeno, fazni niz tečnih kristala će imati višestruke redoslede difrakcije tokom rada, a zajedno sa uticajem nelinearnih korelacionih efekata, efikasnost skretanja LCOPA će biti smanjena.

Liquid Crystal Micro-lens Array (LCMLA) se sastoji od 3 niza sočiva, kao što je prikazano na slici 6. U poređenju sa LCOPA, LCMLA ima veći ugao otklona i na njega ne utiče zona optičkog povratka, tako da je efikasnost skretanja veća; pod utjecajem vremena promjene rasporeda LC molekula u materijalu tečnog kristala, razlika optičke putanje koju zahtijeva LCMLA je duža nego kod LCOPA. Mala, debljina se može smanjiti, tako da LCMLA ima manje vrijeme odziva od LCOPA. Međutim, da bi se postiglo kontinuirano skeniranje skretanja snopa, LCMLA se mora koristiti u kombinaciji s nekim uređajima za skretanje finog kuta, što povećava složenost implementacije aplikacije. Štaviše, LCMLA se sastoji od višeslojnog niza sočiva, a stabilnost sistema je lošija od LCOPA. LCMLA postiže skretanje zraka promjenom glavnog velikog reda difrakcije emitirane svjetlosti. Prostorna koherentnost niza mikrosočiva utiče na njegovu rezoluciju, što zahtijeva vrlo malu grešku u veličini mikrosočiva, što je veliki problem koji treba riješiti.

Slika 6 Šematski dijagram niza mikrosočiva tečnih kristala

Princip polarizacione rešetke tečnih kristala (LCPG) je da upadna svetlost prolazi kroz polarizator da bi formirala levo i desno svetlo, a zatim prolazi kroz LCPG da bi skrenula svetlosni snop u dva različita smera. Putanja svjetlosti skretanja prikazana je na slici 7. LCPG nije pod utjecajem efekta ruba električnog polja i ima visoku rezoluciju, programabilnu kontrolu, lakoću i fleksibilnost. LCPG samo treba da generiše optičku razliku putanje ekvivalentne polutalasne ploče, a potrebna debljina sloja tečnog kristala je tanja, što čini njegovo vreme odziva kraćim. Brz je i nema utjecaja optičkog povratka uzrokovanog resetiranjem faze. Osim toga, može postići i rad širokog spektra. Međutim, teško je za jedan LCPG istovremeno postići zahtjeve indeksa više uglova i velikog vidnog polja, a višeslojni LCPG ima visoke zahtjeve za proces pripreme i stabilnost sistema.

Slika 7 Šematski dijagram polarizacione rešetke tečnih kristala

Tradicionalni LCOPA je lagan i fleksibilan i može postići fini otklon unutar malog raspona uglova. Kompleksnost sistema je relativno jednostavna, a proces pripreme relativno zreo. Međutim, na njega utiče optička povratna zona uzrokovana resetovanjem faze, a očigledni su nedostaci u efikasnosti otklona, ​​vremenu odziva i drugim pokazateljima. , još uvijek treba kontinuirano usavršavanje i razvoj. Na LCMLA i LCPG ne utiče optička povratna zona i značajno su poboljšali efikasnost otklona. Međutim, oba moraju biti opremljena uređajima za skretanje pod finim kutom kako bi se postiglo kvazi-kontinuirano skeniranje skretanja snopa, a oba koriste više stupnjeva kako bi se postigao maksimalni ugao skretanja. Serijska struktura će dovesti do sistema koji je predugačak i ima relativno slabu stabilnost. U poređenju sa LCOPA i LCMLA, LCPG ne samo da ima karakteristike velikog ugla skretanja i visoke efikasnosti skretanja, već ima i jedinstvenu prednost širokog spektra rada, ali može postići skeniranje skretanja zraka samo sa velikim ugaonim intervalom. Trenutno, tehnologija skretanja tečnih kristala je najšire proučavana u nemehaničkom otklonu, ali postoje značajna ograničenja u postizanju velikih uglova i visoke efikasnosti u uslovima nepolarizovanog svetla. Da bi se riješio ovaj problem, može se uzeti u obzir arhitektura uređaja i vrsta materijala; kada se koriste uređaji s polarizacijskim rešetkama s tekućim kristalima, teško je postići kontinuirani ugaoni otklon pri velikim kutnim skretanjima. To su problemi koje je potrebno rješavati u budućnosti.

6.Elektro-optička tehnologija skretanja

Tehnologija elektrooptičkog skretanja ostvaruje se korištenjem otklona generiranog gradijentom indeksa loma okomito na smjer prostiranja snopa, kao što je prikazano na slici 8. U poređenju s drugim tehnologijama, deflektori snopa bazirani na elektrooptičkim kristalima imaju prednosti proizvoljnog skretanja ugao, mala veličina, brza brzina odziva i visoka osjetljivost, ali imaju problem niske rezolucije.

Slika 8 Principijelni dijagram elektrooptičkog otklona

Poslednjih godina, elektrooptički materijali sa sekundarnim elektrooptičkim efektima prijavljeni su u zemlji i inostranstvu, kao što su litijum niobat, barijum titanat, itd. U poređenju sa kristalima sa linearnim elektrooptičkim efektima, 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 sa najvećim sekundarnim elektro-optičkim efektom. Ima izvanredne karakteristike kao što su velika dielektrična konstanta, mali dielektrični gubici, očigledna feroelektričnost i odlična nelinearna optička svojstva. Ima vrlo širok spektar primjena u području skretanja zraka. prospect. Trenutno su strane kompanije kao što su japanska kompanija NTT i Univerzitet Pensilvanije u Sjedinjenim Državama, kao i domaći Harbin institut za tehnologiju, Univerzitet Nankai i akademija nauka Shandong, uradile mnoga istraživanja o karakteristikama skretanja KTN-a. kristali.

Kompanija NTT i Univerzitet Pensilvanije uglavnom su proučavali KTN tehnologiju skretanja kristalnog snopa zasnovanu na ubrizgavanju svemirskog naboja; Shandong akademija nauka uglavnom je proučavala tehnologiju skretanja zraka uzrokovanu gradijentom sastava KTN kristala; Tehnološki institut Harbin i drugi uglavnom su proučavali elektrode KTN kristalnih deflektora zraka. Proučavana su inženjerska pitanja kao što su struktura i radna temperatura.

Trenutno postoje sljedeći problemi: teško je postići visoku optičku uniformnost u rastu kristala i zadovoljiti potrebe praktične primjene; aplikacije blizu Curie temperature zahtijevaju precizne metode kontrole temperature; postoje pitanja o mehanizmu ubrizgavanja prostornog naboja i polarnosti na Curie temperaturi. Naučna pitanja kao što su nano-regija i kontrolni mehanizam skretanja zraka zahtijevaju daljnja istraživanja.

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

Tabela 1. Poređenje tehnologija skretanja zraka

Sažetak

Uobičajena mehanička mikro-elektromehanička deformabilna ogledala, ogledala za brzu refleksiju i skenirajući galvanometri mijenjaju smjer emitirane optičke ose mehaničkim sredstvima. Njihova preciznost može doseći mikroradijane, a ugao otklona može doseći desetine radijana. Imaju široku perspektivu primjene u medicini i drugim oblastima. . Međutim, postoje problemi kao što su složena struktura, glomazna veličina i velika potrošnja energije. Zbog velike veličine adaptivnih optičkih sistema, MEMS deformabilna ogledala u zemlji i inostranstvu se uglavnom koriste u oblasti snimanja. U polju skretanja zraka, teško je zadovoljiti potrebe malih svemirskih okruženja. da zadovolji visoke zahtjeve hemikalije i lagane.

Akusto-optička oprema za skretanje ima veliki radni propusni opseg, ali je teško zadovoljiti tačnost otklona mikroradijana, a ima visoke zahtjeve za talasnu dužinu, ugao i energiju upadne svjetlosti i troši velike gubitke energije.

Metode kao što su fazni nizovi s tekućim kristalima i nizovi mikroleća imaju nisku potrošnju energije i nizak napon pokretanja, ali imaju malu brzinu odziva, diskontinuirano ugaono skretanje, velike uglove skretanja, ali nisku efikasnost skretanja pri velikim uglovima, što otežava ispunjavanje zahtjeva zadatka prijenos velikog propusnog opsega.

U poređenju sa drugim tehnologijama, deflektori snopa bazirani na elektrooptičkim kristalima imaju prednosti proizvoljnog ugla otklona, ​​male veličine, velike brzine odziva i visoke osetljivosti. Smatraju se najpogodnijima za realizaciju jednog od vodećih pravaca tehnologije brze refleksije svjetlosti. Među različitim vrstama elektrooptičkih materijala, elektrooptički deflektori na bazi KTN kristala imaju prednosti velikog ugla otklona, ​​velike brzine odziva, visoke efikasnosti otklona, ​​visoke preciznosti skretanja, rada u širokom propusnom opsegu, itd., i imaju veći potencijal u aplikacijama u poljima kao što su svemirske optičke komunikacije, postajući žarište istraživanja širom svijeta. S jedne strane, kasniji rad mora analizirati i proučavati karakteristike rasta i uslove KTN kristala kako bi se dobili visokokvalitetni kristali ujednačenog sastava i pravilnog oblika; s druge strane, moramo postepeno proučavati mikroskopski mehanizam otklona KTN kristala, što je vrlo važno. praktični značaj.