在卫星激光通信系统中，光束控制精度决定了通信质量。如果把卫星激光通信系统视作遨游太空的“数字生命体”，那么控制激光的快速反射镜（以下简称快反镜）就是维持它运转的“精密心脏”。这颗“硅基心脏”精准调节激光束，可以确保星间通信的“生命信号”不中断。
近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所成功研制了一款集成角度传感器的高性能MEMS快反镜。它的镜面尺寸大、封装体积小，集成了高灵敏度角度传感器，具备良好的线性度、角分辨率、响应速度、重复定位精度和镜面动态形变，可以实现更精确的激光光束闭环控制，在激光卫星通信方面具有巨大的应用潜力。
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▲封装后的MEMS快反镜
01
超高性能指标满足星载应用
为了满足激光星间链路对高精度光束控制的需求，快反镜需要具备高指向精度、高工作带宽和高光学质量等一系列极限性能指标。
研究团队直面两大技术瓶颈：传统机械快反镜体积大、功耗高、存在迟滞，以及原有MEMS快反镜镜面小、带宽低、无集成角度传感器。
为此，研究团队在近五年间打造出航天级的高精度、高可靠MEMS快反镜。
研究团队采用双层异构集成技术，如同给器件装上“复合骨骼”，实现MEMS快反镜更高的填充因子和谐振频率。
同时采用晶圆级键合工艺，实现快反镜的高均一制备，器件具备高线性度、超高角度分辨率、快速阶跃响应以及高重复定位精度。
值得一提的是，该MEMS快反镜具备μrad（微弧度）量级的指向精度，最小能分辨0.3μrad的角度变化，相当于能分辨出1000公里外物体0.3米的位置变化。
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▲MEMS快反镜性能表征结果
02
受手机屏幕启发
灵敏度提升63%
团队从按压手机屏幕中获得灵感，利用硅压阻应变原理，在MEMS快反镜上集成了片上角度传感器。
通过结构创新设计，引入力学定向结构形成应力集中区域（SCR），将角度传感器灵敏度从3.3mV/(V·mrad)提升至5.4mV/(V·mrad)，增幅达63%，显著优化了光束控制的精确性。
这种设计就好像普通人忽然获得了超人的听力，能够发现那些以前被忽视的细节，清晰地听到远处细微的声音。
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▲压阻角度传感器的结构设计图
03
让卫星激光通信“毫发无损”
为了保证太空激光通信信号“毫发无损”，研究团队进行了理论计算、有限元仿真以及实验测试，首次针对10毫米大口径镜面动态变形开展“全维度体检”。
结果表明，在准静态驱动（500Hz@±2mrad），也就是500Hz（赫兹）的频率下，MEMS快反镜的角度精度能够达到±2mrad（毫弧度），最大动态表面形变仅2纳米。
这就相当于在足球场大小的镜面上，所有起伏不超过一根头发丝的直径，满足远距离卫星激光通信对镜面面型的严苛要求。
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▲镜面动态形变的表征
此次开发的MEMS快反镜优势显著，在航空航天领域具有重要的应用前景。
未来，研究团队将继续针对镜面尺寸、闭环控制以及器件可靠性进行优化研究。
来源：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
责任编辑：宋同舟