Conozca la tecnología de desviación del haz basada en la comunicación óptica espacial en 3 minutos

La tecnología de desviación del haz es un componente clave de las comunicaciones láser en el espacio libre y su rendimiento determina si las comunicaciones láser en el espacio libre pueden satisfacer las necesidades de comunicación rápidas y estables. La tecnología de deflexión del haz se puede dividir en dos categorías: tecnología de deflexión del haz mecánica y tecnología de deflexión del haz no mecánica. Entre ellas, las tecnologías de desviación mecánica del haz incluyen galvanómetros de barrido, espejos de control rápido y espejos deformables con sistemas microelectromecánicos; Las tecnologías de deflexión del haz no mecánicas incluyen la tecnología de deflexión acústica-óptica, la tecnología de deflexión basada en materiales de cristal líquido y la tecnología de deflexión electroóptica.

Echemos un vistazo a las características de varias tecnologías de desviación de haces y sus perspectivas de aplicación en el campo de las comunicaciones ópticas espaciales.

1. Galvanómetro de escaneo

El dispositivo mecánico de desviación de haz más maduro es un galvanómetro de barrido, que es esencialmente un reflector de luz con un tiempo de respuesta escalonada de milisegundos/submilisegundos y una precisión de puntería de microradianes, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1 Diagrama esquemático del galvanómetro de escaneo.

El sistema de escaneo del galvanómetro tiene una estructura simple, tamaño pequeño, alta precisión de escaneo, velocidad rápida y costo relativamente bajo. Sin embargo, tiene problemas como rango de trabajo limitado, distorsión en cojín y desgaste del galvanómetro. Este dispositivo ha alcanzado excelentes estándares de rendimiento en términos de ángulo de deflexión. Por ejemplo, el galvanómetro de barrido serie XG210 lanzado por la empresa estadounidense THORLABS tiene un ángulo de desviación de hasta ±20 grados. Actualmente, investigadores nacionales y extranjeros están trabajando para aumentar la velocidad de escaneo y utilizar métodos como pulsos láser de femtosegundos y estructuras de galvanómetro multidimensionales para mejorar su rendimiento.

Sin embargo, para los galvanómetros bidimensionales y las tecnologías de escaneo de galvanómetros de dimensiones superiores, la estructura del sistema es más compleja y se producirán errores de orientación en aplicaciones prácticas, y se requieren buenos métodos de corrección para corregir los errores. En el futuro, podemos considerar el uso de tecnología de control de estructura variable y tecnología de control de eje compuesto de dos niveles grueso y delgado para ayudar a suprimir errores residuales. Se pueden aplicar en constelaciones de satélites con buenos entornos espaciales y ciclos de trabajo cortos para lograr un seguimiento y escaneo de alta precisión con la máxima eficiencia. Además, la potencia de los láseres en las comunicaciones láser es generalmente muy alta, por lo que elegir materiales de espejo galvanómetro con mayor reflectividad para reducir el daño a la superficie también es un problema que debe resolverse en el futuro.

2.Espejos de dirección rápida

Hay dos estructuras para espejos de dirección rápida, FSM (como se muestra en la Figura 2): una es la estructura del marco del eje XY, también llamada estructura del sistema de eje; el otro es la estructura de ejes flexibles, que es la principal dirección de desarrollo de FSM en la actualidad.

Figura 2 (a) Diagrama de la estructura del marco del eje XY de los espejos de dirección rápida; (b) Diagrama de estructura de eje flexible de los espejos de dirección rápida

El espejo de control rápido tiene las ventajas de una alta precisión de posicionamiento, alta resolución angular, velocidad de respuesta rápida y tamaño compacto. Se usa ampliamente en una variedad de sistemas optomecánicos y la estructura de soporte flexible también reduce la fricción mecánica, pero en aplicaciones prácticas requiere Combinado con la gran estructura del marco de inercia, provocará un cierto error en el eje óptico.

En la actualidad, por un lado, la investigación nacional en este campo se centra principalmente en la simulación estructural y el control de sistemas de reflectores rápidos, y el progreso en el desarrollo de nuevos reflectores es lento. Esto también está relacionado con la necesidad de una verificación iterativa continua y los altos costos de investigación y desarrollo. Por lo tanto, desarrollar un sistema de simulación conjunto para que la verificación física pueda simularse ajustando ciertos parámetros en el sistema, acortando así en gran medida el ciclo de desarrollo, encontrando parámetros de espejo rápidos de alto rendimiento más rápido y mejorando la eficiencia de optimización es algo que debe explorarse en el futuro.

Por otro lado, las perturbaciones térmicas y las vibraciones fundamentales existentes en el entorno espacial provocarán distorsiones y fluctuaciones del eje óptico al apuntar haces de alta precisión. Actualmente, el método existente consiste en utilizar un haz compuesto por un interferómetro de Michelson y un espejo de control rápido. Sistema de alineación de apuntamiento para compensar el problema del error del eje óptico. Sin embargo, este método tiene poca precisión en el manejo de errores de medición dinámica. Mejorar la precisión de los errores de medición dinámica para compensar los errores en tiempo real es un problema que debería resolverse en el futuro.

3.Espejo deformable MEMS

El espejo deformable con sistema microelectromecánico (MEMS-DM) tiene varios tipos, como accionamiento electrotérmico, accionamiento piezoeléctrico, accionamiento electrostático y accionamiento electromagnético. En vista del hecho de que el accionamiento electrostático tiene una estructura simple, tiene las ventajas de una velocidad de respuesta rápida y la capacidad de funcionar bajo señales de alta frecuencia, por lo que es impulsado principalmente por fuerza electrostática y se implementa principalmente en forma de condensadores planos. . Su estructura se muestra en la Figura 3.

Figura 3 Diagrama de estructura de accionamiento del espejo deformable MEMS

Los espejos deformables del sistema microelectromecánico tienen las ventajas de una alta densidad unitaria, un tiempo de respuesta corto, un bajo consumo de energía, un bajo costo y una buena compatibilidad con los circuitos integrados, y se utilizan más ampliamente en el campo de las imágenes; sin embargo, también tienen una velocidad de escaneo lenta y un bajo uso de energía lumínica. , problemas como más luz parásita. En los últimos años, los investigadores han comenzado a desarrollar más actuadores unitarios para espejos deformables con el fin de aumentar el recorrido del frente de onda y obtener una mayor velocidad de fotogramas; al mismo tiempo, los espejos deformables con más actuadores provocarán una mayor tensión mecánica, por lo que elegir materiales base más ligeros y de menor dureza es el camino a seguir.

4.Tecnología de desviación de luz y acústica.

La tecnología de deflexión acústico-óptica convierte señales eléctricas de alta frecuencia en ondas ultrasónicas y las transmite al medio de trabajo a través de un transductor para formar una rejilla, que utiliza la difracción de ondas de luz para desviar el haz, como se muestra en la Figura 4. La difracción acústico-óptica El efecto se divide en difracción de Ramanes y difracción de Bragg según la longitud del área acústico-óptica. Dado que la difracción de Ramanes tiene una baja eficiencia de utilización de la luz y la difracción de Bragg tiene una alta eficiencia de difracción, generalmente se utiliza la difracción de Bragg.

Figura 4 Diagrama de principio de desviación acústica y luminosa.

Los dispositivos de desviación acústico-ópticos tienen las ventajas de tamaño pequeño, peso ligero, baja potencia motriz y alta eficiencia de difracción. Al mismo tiempo, la tecnología de desviación acústico-óptica también tiene capacidades de procesamiento paralelo en tiempo real, gran ancho de banda de tiempo, fácil compatibilidad con computadoras y control automático. Sin embargo, también existen las siguientes desventajas: la mayor parte de la luz difractada es luz difractada de primer orden, lo que hace que el dispositivo de desviación acústico-óptico tenga deficiencias obvias en el rango de desviación de gran ángulo, baja precisión de desviación y dificultad para lograr un control preciso. del haz y baja resolución. , aparecerá un "efecto chirrido" durante el escaneo a alta velocidad.

Mediante el uso de métodos como el seguimiento ultrasónico y la multifrecuencia de cristal único, se puede aumentar el ancho de banda efectivo para resolver el problema de la baja resolución. Para el "efecto chirrido", se puede agregar una lente cilíndrica después del deflector para eliminar su influencia. En la actualidad, existen muchos estudios sobre la frecuencia de las ondas acústicas incidentes y se han llevado a cabo diferentes métodos de mejora experimental para mejorar la eficiencia de difracción y el rendimiento de la respuesta de frecuencia del deflector acústico-óptico bajo la incidencia de ondas ultrasónicas, pero el rendimiento Rara vez se ha analizado la posibilidad de aumentar el ángulo de deflexión.

En el futuro, se podrá considerar la tecnología de vector de onda acústica controlable para cambiar la dirección de incidencia de la onda acústica para ampliar su ángulo de exploración de desviación. Otros indicadores del rendimiento de deflexión de los deflectores acústico-ópticos, incluido el rendimiento del ancho de banda, la capacidad antiestática y la estabilidad térmica, también son puntos críticos de investigación actuales.

5.Tecnología de desviación LCD

Las tecnologías de desviación de haz basadas en materiales de cristal líquido incluyen principalmente: matrices en fases de cristal líquido, matrices de microlentes de cristal líquido y rejillas polarizadoras de cristal líquido.

La tecnología Liquid Crystal Optical Phased Array (LCOPA) se refiere a la aplicación de voltaje a moléculas de cristal líquido a través de electrodos. Dado que las moléculas de cristal líquido tienen un efecto de birrefringencia controlado electrónicamente, el voltaje aplicado controla el grado de desviación de las moléculas de cristal líquido en diferentes estados, afectando así a la onda del haz. Desempeña el papel de modulación de fase en el frente para realizar el escaneo del haz, como se muestra en la Figura 5.

Figura 5 Diagrama de principio de la desviación del conjunto en fases de cristal líquido

LCOPA tiene las ventajas de una conducción de alta potencia y bajo voltaje, y puede lograr una desviación del haz de alta precisión con destreza y sin inercia mecánica. Sin embargo, tiene desventajas como un tiempo de respuesta prolongado y un ancho de espectro operativo corto. Además, el pequeño ángulo de deflexión también limita el rango de aplicación de LCOPA, que requiere un dispositivo de amplificación de ángulo para lograr un ángulo de deflexión mayor. Sin embargo, debido a factores tales como la apertura efectiva y el ángulo de alejamiento del dispositivo de amplificación de ángulo, actualmente es difícil para el dispositivo de amplificación de ángulo lograr una mayor ampliación de ángulo. Al mismo tiempo, la matriz en fases de cristal líquido tendrá múltiples órdenes de difracción durante la operación y, junto con la influencia de los efectos de correlación no lineal, se reducirá la eficiencia de deflexión de LCOPA.

El conjunto de microlentes de cristal líquido (LCMLA) consta de 3 conjuntos de lentes, como se muestra en la Figura 6. En comparación con LCOPA, LCMLA tiene un ángulo de deflexión mayor y no se ve afectado por la zona de retorno óptico, por lo que la eficiencia de deflexión es mayor; afectada por el tiempo de cambio de la disposición molecular LC en el material de cristal líquido, la diferencia de trayectoria óptica requerida por LCMLA es más larga que la de LCOPA. Pequeño, el espesor se puede reducir, por lo que LCMLA tiene un tiempo de respuesta menor que LCOPA. Sin embargo, para lograr un escaneo continuo de la desviación del haz, es necesario utilizar LCMLA en combinación con algunos dispositivos de desviación de ángulo fino, lo que aumenta la complejidad de la implementación de la aplicación. Además, LCMLA se compone de una matriz de lentes multicapa y la estabilidad del sistema es peor que la de LCOPA. LCMLA logra la desviación del haz cambiando el orden principal de difracción grande de la luz emitida. La coherencia espacial de la matriz de microlentes afecta su resolución, lo que requiere un error muy pequeño en el tamaño de las microlentes, lo cual es un problema importante que debe resolverse.

Figura 6 Diagrama esquemático de la matriz de microlentes de cristal líquido.

El principio de la rejilla de polarización de cristal líquido (LCPG) es que la luz incidente pasa a través del polarizador para formar luz izquierda y luz derecha, y luego pasa a través del LCPG para desviar el haz de luz en dos direcciones diferentes. La trayectoria de la luz de desviación se muestra en la Figura 7. El LCPG no se ve afectado por el efecto de borde del campo eléctrico y tiene alta resolución, control programable, ligereza y flexibilidad. LCPG solo necesita generar la diferencia de trayectoria óptica de la placa de media onda equivalente, y el espesor requerido de la capa de cristal líquido es más delgado, lo que acorta su tiempo de respuesta. Es rápido y no tiene el impacto del retorno óptico causado por el reinicio de fase. Además, también puede lograr un funcionamiento de amplio espectro. Sin embargo, es difícil para un solo LCPG alcanzar los requisitos de índice de múltiples ángulos y un gran campo de visión al mismo tiempo, y el LCPG multicapa tiene altos requisitos en cuanto al proceso de preparación y la estabilidad del sistema.

Figura 7 Diagrama esquemático de la rejilla de polarización de cristal líquido.

El LCOPA tradicional es ligero y flexible y puede lograr una deflexión fina dentro de un rango de ángulo pequeño. La complejidad del sistema es relativamente simple y el proceso de preparación es relativamente maduro. Sin embargo, se ve afectada por la zona de retorno óptico causada por el restablecimiento de fase y existen deficiencias obvias en la eficiencia de deflexión, el tiempo de respuesta y otros indicadores. , todavía necesita mejora y desarrollo continuos. LCMLA y LCPG no se ven afectados por la zona de retorno óptico y han mejorado enormemente la eficiencia de deflexión. Sin embargo, ambos deben estar equipados con dispositivos de deflexión de ángulo fino para lograr un escaneo de deflexión casi continuo del haz, y ambos utilizan etapas múltiples para lograr el ángulo de deflexión máximo. La estructura en serie dará lugar a un sistema demasiado largo y con una estabilidad relativamente pobre. En comparación con LCOPA y LCMLA, LCPG no solo tiene las características de un gran ángulo de deflexión y una alta eficiencia de deflexión, sino que también tiene la ventaja única de una operación de amplio espectro, pero solo puede lograr un escaneo de deflexión del haz con un gran intervalo angular. En la actualidad, la tecnología de deflexión de cristal líquido es la más estudiada en deflexión no mecánica, pero existen limitaciones significativas para lograr grandes ángulos y alta eficiencia en condiciones de luz no polarizada. Para solucionar este problema, se puede considerar la arquitectura del dispositivo y el tipo de material; Cuando se utilizan dispositivos de rejilla polarizadora de cristal líquido, es difícil lograr una desviación angular continua en deflexiones angulares grandes. Estos son problemas que deben resolverse en el futuro.

6.Tecnología de deflexión electroóptica

La tecnología de deflexión electroóptica se logra utilizando la deflexión generada por el gradiente del índice de refracción perpendicular a la dirección de propagación del haz, como se muestra en la Figura 8. En comparación con otras tecnologías, los deflectores de haz basados ​​en cristales electroópticos tienen las ventajas de una deflexión arbitraria. ángulo, tamaño pequeño, velocidad de respuesta rápida y alta sensibilidad, pero tienen el problema de la baja resolución.

Figura 8 Diagrama de principio de deflexión electroóptica.

En los últimos años, se han informado en el país y en el extranjero materiales electroópticos con efectos electroópticos secundarios, como niobato de litio, titanato de bario, etc. En comparación con los cristales con efectos electroópticos lineales, son superiores en rendimiento y respuesta. voltaje de velocidad y deflexión. Entre ellos, los cristales KTN son los más representativos.

El cristal KTN es el cristal conocido actualmente con el mayor efecto electroóptico secundario. Tiene características sobresalientes como gran constante dieléctrica, baja pérdida dieléctrica, ferroelectricidad obvia y excelentes propiedades ópticas no lineales. Tiene una gama muy amplia de aplicaciones en el campo de la desviación de haces. prospecto. En la actualidad, empresas extranjeras como la empresa japonesa NTT y la Universidad de Pensilvania en los Estados Unidos, así como el Instituto de Tecnología de Harbin, la Universidad de Nankai y la Academia de Ciencias de Shandong, han realizado muchas investigaciones sobre las características de deflexión de KTN. cristales.

NTT Company y la Universidad de Pensilvania estudiaron principalmente la tecnología de desviación del haz de cristal KTN basada en la inyección de carga espacial; La Academia de Ciencias de Shandong estudió principalmente la tecnología de desviación del haz inducida por el gradiente de composición del cristal KTN; El Instituto de Tecnología de Harbin y otros estudiaron principalmente los electrodos de los deflectores de haz de cristal KTN. Se estudiaron cuestiones de ingeniería como la estructura y la temperatura de funcionamiento.

Actualmente existen los siguientes problemas: es difícil lograr una alta uniformidad óptica en el crecimiento de los cristales y satisfacer las necesidades de las aplicaciones prácticas; las aplicaciones cercanas a la temperatura de Curie requieren métodos precisos de control de temperatura; Hay dudas sobre el mecanismo de inyección de carga espacial y la polaridad a la temperatura de Curie. Cuestiones científicas como la nanorregión y el mecanismo de control de la desviación del haz requieren más investigación.

Para mostrar de manera más intuitiva las ventajas y desventajas de cada tecnología de deflexión, se realizó un análisis comparativo, como se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1 Comparación de tecnologías de deflexión de vigas.

Resumen

Los espejos deformables microelectromecánicos mecánicos, los espejos de reflexión rápida y los galvanómetros de barrido de uso común cambian la dirección del eje óptico emitido a través de medios mecánicos. Su precisión puede alcanzar los microradianes y el ángulo de desviación puede alcanzar decenas de radianes. Tienen amplias perspectivas de aplicación en medicina y otros campos. . Sin embargo, existen problemas como una estructura compleja, un tamaño voluminoso y un alto consumo de energía. Debido al gran tamaño de los sistemas ópticos adaptativos, los espejos deformables MEMS nacionales y extranjeros se utilizan principalmente en el campo de las imágenes. En el campo de la desviación del haz, es difícil satisfacer las necesidades de entornos espaciales de pequeña escala. para cumplir con los altos requisitos de químicaización y peso ligero.

El equipo de deflexión acústico-óptico tiene un gran ancho de banda de trabajo, pero es difícil cumplir con la precisión de deflexión de los microradianes, tiene altos requisitos en cuanto a la longitud de onda, el ángulo y la energía de la luz incidente y consume grandes pérdidas de energía.

Los métodos como los conjuntos en fase de cristal líquido y los conjuntos de microlentes tienen un bajo consumo de energía y un bajo voltaje de activación, pero tienen una velocidad de respuesta lenta, una deflexión angular discontinua, grandes ángulos de deflexión pero una baja eficiencia de deflexión en ángulos grandes, lo que dificulta cumplir con los requisitos de la tarea de transmisión de gran ancho de banda.

En comparación con otras tecnologías, los deflectores de haz basados ​​en cristales electroópticos tienen las ventajas de un ángulo de deflexión arbitrario, tamaño pequeño, velocidad de respuesta rápida y alta sensibilidad. Se consideran los más adecuados para realizar una de las principales direcciones de la tecnología de desviación de luz de alta velocidad. Entre los diversos tipos de materiales electroópticos, los deflectores electroópticos basados ​​en cristales KTN tienen las ventajas de deflexión de gran ángulo, velocidad de respuesta rápida, alta eficiencia de deflexión, alta precisión de deflexión, operación con ancho de banda amplio, etc., y tienen un mayor potencial. en aplicaciones en campos como las comunicaciones ópticas espaciales, convirtiéndose en puntos de investigación en todo el mundo. Por un lado, el trabajo posterior deberá analizar y estudiar las características y condiciones de crecimiento de los cristales de KTN para cultivar cristales de alta calidad, con composición uniforme y forma regular; por otro lado, debemos estudiar poco a poco el mecanismo de desviación microscópica de los cristales de KTN, que es muy importante. significado práctico.