3分钟了解基于空间光通信的光束偏转技术

李富豪，赵继广，杜小平，张建伟，段永胜，陈攀

光束偏转技术是自由空间激光通信的关键组成部分，其性能决定了自由空间激光通信能否满足快速、稳定的通信需求。光束偏转技术具体可分为两大类：机械式光束偏转技术和非机械式光束偏转技术。其中，机械式光束偏转技术有扫描振镜、快速控制反射镜和微机电系统变形镜等类型；非机械式光束偏转技术包括声光偏转技术、基于液晶材料的偏转技术以及电光偏转技术。

下面我们一起来了解各类光束偏转技术的特点以及在空间光通信领域的应用前景。

图1 扫描振镜示意图

振镜式扫描系统结构简单、体积小、扫描精度高、速度快、成本相对较低，但存在工作范围有限、枕形失真、振镜磨损等问题。该器件已在偏转角度方面达到卓越的性能标准，例如美国THORLABS公司推出的XG210系列扫描振镜，其偏转角度可达±20°。目前，国内外的研究人员正在致力于提高扫描速度，采用飞秒激光脉冲和多维振镜结构等方法来提升其性能。

快速控制反射镜（Fast Steering Mirror, FSM）的结构有两种（如图2所示）：一种是X-Y轴框架结构，也叫做有轴系结构；另一种是柔性轴结构，它是目前FSM的主要发展方向。

图2 (a)快速控制反射镜X-Y轴框架结构图;(b)快速控制反射镜柔性轴结构图

快速控制反射镜具有定位精度高、角度分辨率高、响应速度快、体积小巧等优点，在多种光机电系统中应用广泛，而且柔性支撑结构也减小了机械摩擦，但在实际应用中需要与大惯量机架结构相结合，会导致一定的光轴误差。

目前，一方面国内该领域的研究主要集中在快速反射镜的结构仿真和系统控制上，在开发研制新型反射镜上进展缓慢，这也与其需要不断的迭代验证、研发成本高有关。因此，开发一种联合仿真系统，使得通过调整系统中的某些参数就可以模拟实物验证，从而大大缩短研制周期，更快找到高性能的快速反射镜参数，提高优化效率是未来需要探究的。

微机电系统变形镜（Micro-Electro-Mechanical System-Deformable Mirror，MEMS-DM）有电热型驱动、压电型驱动、静电型驱动以及电磁型驱动等多种类型，鉴于静电型驱动具有结构简单、响应速度快、能够在高频信号下工作等优点，因此多采用静电力驱动，且多以平板电容方式实现，其结构如图3所示。

图3 微机电系统变形镜驱动结构图

图4 声光偏转原理图

未来可考虑通过可控声波矢技术来改变声波入射方向，从而扩大其偏转扫描角度。关于声光偏转器偏转性能的其他指标，包括带宽性能、抗静电能力、热稳定能力，也是目前所关注的研究热点。

图5 液晶相控阵偏转原理图

LCOPA具有高功率、低电压驱动等优点，能够实现灵巧、无机械惯性的高精度光束偏转，但其存在响应时间过长、工作谱宽较短等缺点。另外，较小的偏转角也限制了LCOPA的应用范围，需要配合角度放大装置来实现更大的偏转角。但受角度放大装置有效孔径、走离角等因素制约，目前角度放大装置很难实现更高的角度放大倍数。同时，液晶相控阵在工作时会存在多级衍射级次，再加上非线性关联效应的影响，导致LCOPA的偏转效率降低。

液晶微透镜阵列（Liquid Crystal Micro-lens Array，LCMLA）由3个透镜阵列组成，如图6所示。LCMLA与LCOPA相比，具有更大的偏转角，并且无光学回程区的影响，偏转效率更高；受液晶材料内的LC分子排列变化时间的影响，LCMLA所需的光程差相较LCOPA更小，在厚度方面可以做的更小，因此LCMLA比LCOPA有着更小的响应时间。但LCMLA要实现光束连续偏转扫描，还需要和一些精细角度偏转器件结合使用，增加了应用实现的复杂度，而且LCMLA由多层透镜阵列组成，系统的稳定性要比LCOPA更差。LCMLA是通过改变出射光的主级大衍射级来实现光束偏转的，微透镜阵列的空间相干性影响其分辨率，这要求微透镜的尺寸有着极小的误差，是目前亟待解决的一大难题。

图6 液晶微透镜阵列原理图

液晶偏振光栅（Liquid Crystal Polarization Grating, LCPG）原理为入射光通过起偏器形成左旋光和右旋光，再经过其LCPG实现对两个不同方向的光束偏转，偏转光路如图7所示。LCPG未受电场边缘效应的影响，具有分辨率高、可编程控制、轻便灵活、LCPG只需产生等效半波片的光程差，所需的液晶层厚度更薄，从而使其响应时间更快，同时也没有相位回置造成的光学回程的影响，另外还可以实现宽光谱工作。但单个LCPG很难同时实现多角度和大视场的指标要求，而多层级联的LCPG对制备工艺以及系统稳定性要求很高。

图7 液晶偏振光栅原理图

图8 电光偏转原理图

近年来，国内外报道了具有二次电光效应的电光材料，如铌酸锂、钛酸钡等，相比线性电光效应的晶体，其在响应速度、偏转电压等性能方面更加优越，其中KTN晶体最具有代表性。

KTN晶体是现有已知具有最大二次电光效应的晶体，具有介电常数大、介质损耗低、铁电压电性明显和非线性光学性能优异等突出特点，在光束偏转领域有着非常广泛的应用前景。目前，国外日本 NTT公司、美国宾夕法尼亚大学，以及国内的哈尔滨工业大学、南开大学以及山东省科学院等对KTN晶体的偏转特性做了大量研究。

NTT公司和宾夕法尼亚大学主要研究了基于空间电荷注入的 KTN 晶体光束偏转技术；山东省科学院主要研究了KTN晶体的组分梯度诱导的光束偏转技术；哈尔滨工业大学等主要对  KTN晶体光束偏转器的电极结构、工作温度等工程问题进行了研究。

现存在以下问题：在晶体生长的方面难以实现高光学均匀性，难以满足实际应用需求；在居里温度附近应用需要具有精确的温度控制手段；对空间电荷注入机制、居里温度下的极性纳米区，对光束偏转的调控机理等科学问题尚需进一步研究。

为了更直观地展示各偏转技术的优劣，对其进行了比较分析，如表1所示。

表1 光束偏转技术对比

声光偏转器具较大的工作带宽，但难以满足微弧度量级的偏转精度，且对入射光波长、角度和能量均有较高要求能量损耗较大。

液晶相控阵、微透镜阵列等方法功耗小、驱动电压低，但其响应速度慢，非连续角偏转，偏转角度大但大角度时偏转效率低，难以实现大带宽传输的任务需求。

基于电光晶体的光束偏转器与其他技术相比具有任意偏转角、体积小、响应速度快、灵敏度高等优点，被认为最适合于实现高速光偏转技术的主导方向之一。而在各类电光材料中，基于KTN晶体的电光偏转器具有大角度偏转、快响应速度、高偏转效率、高偏转精度、宽带宽工作等优点，在空间光通信等领域应用更有潜力，成为世界各国的研究热点。之后的工作一方面要对KTN晶体的生长特性条件进行分析研究，生长出组分均匀、形状规则的高质量晶体；另一方面还要逐渐向KTN晶体微观偏转机理方面研究，这具有很重要的现实意义。