למד על טכנולוגיית הסטת אלומה המבוססת על תקשורת אופטית בחלל תוך 3 דקות

טכנולוגיית הסטת אלומה היא מרכיב מרכזי בתקשורת לייזר בחלל פנוי, והביצועים שלה קובעים אם תקשורת לייזר בחלל פנוי יכולה לענות על צורכי תקשורת מהירים ויציבים. ניתן לחלק את טכנולוגיית הסטת קרן לשתי קטגוריות: טכנולוגיית הסטת קרן מכנית וטכנולוגיית הסטת קרן לא מכנית. ביניהם, טכנולוגיות הסטת אלומה מכאניות כוללות סריקת גלוונומטרים, מראות בקרה מהירות ומראות מעוותות למערכת מיקרו-אלקטרו-מכאנית; טכנולוגיות הסטת אלומה שאינן מכניות כוללות טכנולוגיית סטייה אקוסטית-אופטית, טכנולוגיית סטייה המבוססת על חומרים גבישיים נוזליים וטכנולוגיית סטייה אלקטרו-אופטית.

בואו נסתכל על המאפיינים של טכנולוגיות הסטת אלומה שונות וסיכויי היישום שלהן בתחום התקשורת האופטית בחלל.

1. סריקה גלוונומטר

התקן הסטת האלומה המכני הבוגר ביותר הוא גלוונומטר סורק, שהוא בעצם מחזיר אור עם זמן תגובה של מילי-שניות/תת-מילי-שניות ודיוק הצבעה של מיקרו-רדיאנים, כפי שמוצג באיור 1.

איור 1 תרשים סכמטי של גלוונומטר סורק

למערכת סריקת הגלוונומטר מבנה פשוט, גודל קטן, דיוק סריקה גבוה, מהירות מהירה ועלות נמוכה יחסית. עם זאת, יש לו בעיות כמו טווח עבודה מוגבל, עיוות של כרית סיכה ובלאי גלוונומטר. מכשיר זה הגיע לסטנדרטים מעולים של ביצועים מבחינת זווית הסטייה. לדוגמה, לגלונומטר הסריקה מסדרת XG210 שהשיקה חברת THORLABS האמריקאית יש זווית סטייה של עד ±20 מעלות. נכון לעכשיו, חוקרים מבית ומחוץ עובדים על הגברת מהירות הסריקה ומשתמשים בשיטות כמו פעימות לייזר פמטו-שנייה ומבני גלוונומטר רב-ממדיים כדי לשפר את ביצועיו.

עם זאת, עבור טכנולוגיות סריקת גלוונומטרים דו מימדיים וטכנולוגיות סריקה של גלוונומטרים גבוהים יותר, מבנה המערכת מורכב יותר, וטעויות התמצאות יתרחשו ביישומים מעשיים, ונדרשות שיטות תיקון טובות לתיקון השגיאות. בעתיד, נוכל לשקול שימוש בטכנולוגיית בקרת מבנה משתנה ובטכנולוגיית בקרת צירים מורכבים דו-מפלסים עבה ודקה כדי לסייע בדיכוי שגיאות שיוריות. ניתן ליישם אותם בקבוצות לווייניות עם סביבות חלל טובות ומחזורי עבודה קצרים כדי להשיג מעקב וסריקה ברמת דיוק גבוהה ביעילות מרבית. בנוסף, עוצמת הלייזרים בתקשורת לייזר היא בדרך כלל גבוהה מאוד, ולכן גם בחירה בחומרי מראות גלוונומטרים בעלי רפלקטיביות גבוהה יותר להפחתת נזקי פני השטח היא בעיה שצריכה להיפתר בעתיד.

2. מראות היגוי מהירים

ישנם שני מבנים עבור מראות היגוי מהירים, FSM (כמתואר באיור 2): האחד הוא מבנה המסגרת של ציר XY, הנקרא גם מבנה מערכת הפיר; השני הוא מבנה הציר הגמיש, שהוא כיוון הפיתוח העיקרי של FSM כיום.

איור 2 (א) דיאגרמת מבנה מסגרת ציר XY של מראות ההיגוי המהירים; (ב) דיאגרמת מבנה ציר גמיש של מראות ההיגוי המהיר

למראה הבקרה המהירה יש את היתרונות של דיוק מיקום גבוה, רזולוציה זוויתית גבוהה, מהירות תגובה מהירה וגודל קומפקטי. הוא נמצא בשימוש נרחב במגוון מערכות אופטו-מכאניות, ומבנה התמיכה הגמיש גם מפחית חיכוך מכני, אך ביישומים מעשיים הוא דורש בשילוב עם מבנה מסגרת האינרציה הגדולה, זה יוביל לשגיאה מסוימת בציר האופטי.

כיום, מחד גיסא, המחקר המקומי בתחום זה מתמקד בעיקר בסימולציה מבנית ובקרת מערכת של מחזירי אור מהירים, וההתקדמות בפיתוח מחזירי אור חדשים איטית. זה קשור גם לצורך באימות איטרטיבי מתמשך ועלויות מחקר ופיתוח גבוהות. לכן, פיתוח מערכת הדמיה משותפת כך שניתן יהיה לדמות אימות פיזי על ידי התאמת פרמטרים מסוימים במערכת, ובכך לקצר מאוד את מחזור הפיתוח, למצוא פרמטרי מראה מהירים בעלי ביצועים גבוהים יותר מהר יותר, ושיפור יעילות האופטימיזציה זה משהו שצריך לחקור ב העתיד.

מצד שני, הפרעות תרמיות ורעידות בסיסיות הקיימות בסביבת החלל יגרמו לעיוות ציר אופטי וריצוד בעת הפניית אלומות ברמת דיוק גבוהה. נכון להיום, השיטה הקיימת היא שימוש בקרן המורכבת מאינטרפרומטר מיכלסון ומראת שליטה מהירה. מערכת יישור הצבע כדי לפצות על הבעיה של שגיאת ציר אופטי. עם זאת, לשיטה זו יש דיוק נמוך בטיפול בשגיאות מדידה דינמיות. שיפור הדיוק של שגיאות מדידה דינמיות כדי לפצות על שגיאות בזמן אמת היא בעיה שאמורה להיפתר בעתיד.

3. MEMS מראה מעוותת

למראה מיקרו-אלקטרו-מכנית (MEMS-DM) יש סוגים שונים כגון כונן אלקטרו-תרמי, כונן פיזואלקטרי, הנעה אלקטרוסטטית והנעה אלקטרומגנטית. לאור העובדה שלכונן אלקטרוסטטי יש מבנה פשוט, יש לו את היתרונות של מהירות תגובה מהירה והיכולת לעבוד תחת אותות בתדר גבוה, ולכן הוא מונע בעיקר על ידי כוח אלקטרוסטטי, והוא מיושם בעיקר בצורה של קבלים שטוחים . המבנה שלו מוצג באיור 3.

איור 3 תרשים מבנה כונן מראה מעוות MEMS

למראות מעוותות של מערכת מיקרו-אלקטרו-מכאנית יש את היתרונות של צפיפות יחידה גבוהה, זמן תגובה קצר, צריכת חשמל נמוכה, עלות נמוכה ותאימות טובה למעגלים משולבים, והן נמצאות בשימוש נרחב יותר בתחום ההדמיה; עם זאת, יש להם גם מהירות סריקה איטית וניצול אנרגיית אור נמוך. , בעיות כמו יותר אור תועה. בשנים האחרונות, חוקרים החלו לפתח יותר מפעילי יחידות עבור מראות הניתנות לשינוי על מנת להגביר את מהלך חזית הגל ולהשיג קצב פריימים גבוה יותר; יחד עם זאת, מראות ניתנות לעיוות עם יותר מפעילים יובילו ללחץ מכני גדול יותר, כך שבחירה בחומרי בסיס קלים יותר וקשיות נמוכה יותר היא הדרך קדימה.

4. טכנולוגיית סטייה אקוסטית וקלה

טכנולוגיית הסטייה אקוסטית-אופטית ממירה אותות חשמליים בתדר גבוה לגלים קוליים ומשדרת אותם למדיום העבודה דרך מתמר ליצירת סורג, המשתמש בדיפרקציה של גלי אור כדי להסיט את האלומה, כפי שמוצג באיור 4. העקיפה האקוסטו-אופטית האפקט מתחלק לדיפרקציית Ramanes ודיפרקציית Bragg לפי אורך השטח האקוסטו-אופטי. מכיוון שלעקיף Ramnes יש יעילות ניצול אור נמוכה ולעקיף Bragg יש יעילות עקיפה גבוהה, בדרך כלל משתמשים בדיפרקציה של Bragg.

איור 4 תרשים עקרוני של סטייה אקוסטית ואור

להתקני הסטה אקוסטו-אופטיים יש את היתרונות של גודל קטן, משקל קל, כוח נסיעה נמוך ויעילות עקיפה גבוהה. יחד עם זאת, לטכנולוגיית הסטייה אקוסטית-אופטית יש גם יכולות עיבוד מקבילי בזמן אמת, רוחב פס גדול של זמן, תאימות קלה למחשבים ובקרה אוטומטית. עם זאת, ישנם גם החסרונות הבאים: רוב האור המבוקע הוא אור מבוקע מסדר ראשון, מה שגורם לכך שלמכשיר ההסטה האקוסטו-אופטי יש חסרונות ברורים בטווח הסטייה של הזווית הגדולה, דיוק הסטייה נמוך, קושי בהשגת שליטה עדינה של האלומה, וברזולוציה נמוכה. , "אפקט ציוץ" יופיע בסריקה במהירות גבוהה.

על ידי שימוש בשיטות כגון מעקב קולי ורב-תדר גביש יחיד, ניתן להגדיל את רוחב הפס האפקטיבי כדי לפתור את בעיית הרזולוציה הנמוכה. ל"אפקט הציוץ", ניתן להוסיף עדשה גלילית אחרי המסיט כדי לבטל את השפעתו. נכון לעכשיו, ישנם מחקרים רבים על תדירות הגלים האקוסטיים המתרחשים, ושיטות שונות של שיפור ניסיוני בוצעו כדי לשפר את יעילות הדיפרקציה ותגובת התדרים של מסיט האקוסטו-אופטי תחת שכיחות של גלים קוליים, אך הביצועים של הגדלת זווית הסטייה נותחה רק לעתים נדירות.

בעתיד, ניתן לשקול טכנולוגיית וקטור גל אקוסטית הניתנת לשליטה כדי לשנות את כיוון האירוע של הגל האקוסטי כדי להרחיב את זווית הסריקה של ההטיה שלו. אינדיקטורים אחרים לביצועי הסטייה של מסיטים אקוסטו-אופטיים, כולל ביצועי רוחב פס, יכולת אנטי-סטטית ויציבות תרמית, הם גם נקודות חמות מחקריות עדכניות.

5.טכנולוגיית הסטת LCD

טכנולוגיות הסטת אלומה המבוססות על חומרים גבישים נוזליים כוללות בעיקר: מערכים של גבישים נוזליים, מערכי מיקרו עדשות גביש נוזלי ורשתות מקטבות גבישים נוזליים.

טכנולוגיית Liquid Crystal Optical Phased Array (LCOPA) מתייחסת להפעלת מתח על מולקולות גביש נוזלי דרך אלקטרודות. מכיוון שלמולקולות גביש נוזלי יש אפקט של שבירה דו-פעמית מבוקרת אלקטרונית, המתח המופעל שולט במידת הסטייה של מולקולות גביש נוזלי במצבים שונים, ובכך משפיע על גל האלומה. הוא ממלא את התפקיד של אפנון פאזה מלפנים כדי לממש סריקת קרן, כפי שמוצג באיור 5.

איור 5 תרשים עקרוני של סטיית מערך של גביש נוזלי בשלבים

ל-LCOPA יש את היתרונות של נהיגה במתח גבוה ובמתח נמוך, ויכולה להשיג הסטת אלומה ברמת דיוק גבוהה עם מיומנות וללא אינרציה מכנית. עם זאת, יש לו חסרונות כמו זמן תגובה ארוך ורוחב ספקטרום פעולה קצר. בנוסף, זווית ההטיה הקטנה מגבילה גם את טווח היישום של LCOPA, הדורש התקן הגברה זווית כדי להשיג זווית סטייה גדולה יותר. עם זאת, בשל גורמים כמו הצמצם האפקטיבי וזווית ההליכה של מכשיר ההגברה הזווית, קשה כיום למכשיר ההגברה הזווית להשיג הגדלה גבוהה יותר של זווית. במקביל, למערך השלבים של גביש נוזלי יהיו סדרי עקיפה מרובים במהלך הפעולה, ובשילוב עם ההשפעה של השפעות מתאם לא ליניאריות, יעילות הסטייה של LCOPA תופחת.

מערך מיקרו עדשות קריסטל נוזלי (LCMLA) מורכב מ-3 מערכי עדשות, כפי שמוצג באיור 6. בהשוואה ל-LCOPA, ל-LCMLA יש זווית סטייה גדולה יותר ואינו מושפע מאזור ההחזרה האופטי, כך שיעילות הסטייה גבוהה יותר; מושפע מזמן השינוי של הסידור המולקולרי LC בחומר הגביש הנוזלי, הפרש הנתיב האופטי הנדרש על ידי LCMLA ארוך יותר מזה של LCOPA. קטן, העובי יכול להיעשות קטן יותר, כך של-LCMLA יש זמן תגובה קטן יותר מאשר ל-LCOPA. עם זאת, כדי להשיג סריקה מתמשכת של הטיית אלומה, יש להשתמש ב-LCMLA בשילוב עם כמה התקני הטיה עם זווית עדינה, מה שמגביר את המורכבות של יישום היישום. יתרה מכך, LCMLA מורכב ממערך עדשות רב-שכבתי, ויציבות המערכת גרועה יותר מאשר LCOPA. LCMLA משיג סטיית אלומה על ידי שינוי סדר העקיפה הגדול העיקרי של האור הנפלט. הקוהרנטיות המרחבית של מערך המיקרו-עדשות משפיעה על הרזולוציה שלו, מה שמצריך שגיאה קטנה מאוד בגודל המיקרו-עדשה, וזו בעיה מרכזית שצריך לפתור.

איור 6 תרשים סכמטי של מערך עדשות מיקרו-גביש נוזלי

העיקרון של רשת קיטוב קריסטל נוזלי (LCPG) הוא שהאור הנכנס עובר דרך המקטב ליצירת אור שמאלי ואור ימני, ולאחר מכן עובר דרך ה-LCPG כדי להסיט את אלומת האור לשני כיוונים שונים. נתיב האור ההסטה מוצג באיור 7. LCPG אינו מושפע מאפקט קצה השדה החשמלי ויש לו רזולוציה גבוהה, שליטה ניתנת לתכנות, קלילות וגמישות. LCPG צריך ליצור רק את הפרש הנתיב האופטי של לוחית חצי הגל המקבילה, והעובי הנדרש של שכבת הגביש הנוזלי דק יותר, ובכך מקצר את זמן התגובה שלה. זה מהיר ואין לו השפעה של החזר אופטי הנגרמת על ידי איפוס פאזה. בנוסף, זה יכול גם להשיג פעולה בספקטרום רחב. עם זאת, קשה ל-LCPG בודד להשיג את דרישות האינדקס של מספר זוויות ושדה ראיה גדול בו-זמנית, ול-LCPG רב-שכבתי דרישות גבוהות על תהליך ההכנה ויציבות המערכת.

איור 7 תרשים סכמטי של סורג קיטוב גביש נוזלי

ה-LCOPA המסורתי הוא קל וגמיש ויכול להשיג סטיה עדינה בטווח זווית קטן. מורכבות המערכת פשוטה יחסית ותהליך ההכנה בוגר יחסית. עם זאת, הוא מושפע מאזור ההחזרה האופטי הנגרם מאיפוס פאזה, ויש ליקויים ברורים ביעילות ההסטה, בזמן התגובה ובאינדיקטורים אחרים. , עדיין זקוק לשיפור ופיתוח מתמשכים. LCMLA ו-LCPG אינם מושפעים מאזור ההחזרה האופטי ושיפרו מאוד את יעילות ההסטה. עם זאת, שניהם צריכים להיות מצוידים בהתקני סטייה עדינה כדי להשיג סריקת סטייה מעין רציפה של הקרן, ושניהם משתמשים בריבוי שלבים כדי להשיג את זווית ההטיה המקסימלית. מבנה הסדרה יוביל למערכת ארוכה מדי ובעלת יציבות גרועה יחסית. בהשוואה ל-LCOPA ו-LCMLA, ל-LCPG יש לא רק את המאפיינים של זווית סטייה גדולה ויעילות סטייה גבוהה, אלא יש לו גם את היתרון הייחודי של פעולת ספקטרום רחב, אלא שהוא יכול להשיג רק סריקת סטיית אלומה עם מרווח זוויתי גדול. נכון להיום, טכנולוגיית הסטייה של גבישים נוזליים היא הנחקרת ביותר בסטייה לא מכנית, אך קיימות מגבלות משמעותיות בהשגת זוויות גדולות ויעילות גבוהה בתנאי אור לא מקוטבים. כדי לפתור בעיה זו, ניתן לשקול את ארכיטקטורת המכשיר וסוג החומר; בעת שימוש במכשירי סורג מקטבים גבישים נוזליים, קשה להשיג סטיה מתמשכת של זווית בהטיות זווית גדולה. אלו בעיות שצריכות להיפתר בעתיד.

6. טכנולוגיית סטיה אלקטרו-אופטית

טכנולוגיית הסטייה אלקטרו-אופטית מתממשת על ידי ניצול הסטייה שנוצרת על ידי שיפוע מקדם השבירה בניצב לכיוון התפשטות האלומה, כפי שמוצג באיור 8. בהשוואה לטכנולוגיות אחרות, למסייטי אלומה המבוססים על גבישים אלקטרו-אופטיים יש את היתרונות של סטייה שרירותית זווית, גודל קטן, מהירות תגובה מהירה ורגישות גבוהה, אבל יש להם בעיה של רזולוציה נמוכה.

איור 8 תרשים עקרוני של סטייה אלקטרו-אופטית

בשנים האחרונות דווח על חומרים אלקטרו-אופטיים בעלי השפעות אלקטרו-אופטיות משניות בבית ומחוצה לה, כגון ליתיום ניובאט, בריום טיטנאט וכו'. בהשוואה לגבישים בעלי אפקטים אלקטרו-אופטיים ליניאריים, הם עדיפים בביצועים כגון תגובה. מהירות ומתח סטייה. ביניהם, גבישי KTN המייצגים ביותר.

גביש KTN הוא הגביש הידוע כיום עם האפקט האלקטרו-אופטי המשני הגדול ביותר. יש לו מאפיינים יוצאי דופן כגון קבוע דיאלקטרי גדול, אובדן דיאלקטרי נמוך, פרו-אלקטריות ברורה ותכונות אופטיות לא ליניאריות מצוינות. יש לו מגוון רחב מאוד של יישומים בתחום הסטת אלומה. פרוספקט. נכון לעכשיו, חברות זרות כמו חברת NTT של יפן ואוניברסיטת פנסילבניה בארצות הברית, כמו גם המכון הטכנולוגי של חרבין המקומי, אוניברסיטת ננקאי והאקדמיה למדעים של שאנדונג, ערכו מחקר רב על מאפייני הסטייה של KTN קריסטלים.

חברת NTT ואוניברסיטת פנסילבניה למדו בעיקר את טכנולוגיית הסטת אלומת קריסטל של KTN המבוססת על הזרקת מטען בחלל; האקדמיה למדעים של שאנדונג חקרה בעיקר את טכנולוגיית הסטת האלומה המושרה על ידי שיפוע ההרכב של גביש KTN; המכון הטכנולוגי של חרבין ואחרים חקרו בעיקר את האלקטרודות של מסיטי אלומת קריסטל KTN. נחקרו סוגיות הנדסיות כמו מבנה וטמפרטורת הפעלה.

הבעיות הבאות קיימות כיום: קשה להשיג אחידות אופטית גבוהה בצמיחת גבישים ולענות על הצרכים של יישומים מעשיים; יישומים ליד טמפרטורת Curie דורשים שיטות בקרת טמפרטורה מדויקות; יש שאלות לגבי מנגנון הזרקת מטען החלל והקוטביות בטמפרטורת קירי. נושאים מדעיים כמו אזור הננו ומנגנון הבקרה של הסטת אלומה דורשים מחקר נוסף.

על מנת להציג בצורה אינטואיטיבית יותר את היתרונות והחסרונות של כל טכנולוגיית סטיה, נערך ניתוח השוואתי, כפי שמוצג בטבלה 1.

טבלה 1 השוואה בין טכנולוגיות הסטת אלומה

סיכום

מראות מכניות מיקרו-אלקטרו-מכאניות הנפוצות בשימוש, מראות השתקפות מהירות ומדדי גלוונומטר סורקים משנים את כיוון הציר האופטי הנפלט באמצעים מכניים. הדיוק שלהם יכול להגיע למיקרו-רדיאנים וזווית ההטיה יכולה להגיע לעשרות רדיאנים. יש להם סיכויי יישום רחבים ברפואה ובתחומים אחרים. . עם זאת, ישנן בעיות כמו מבנה מורכב, גודל מגושם וצריכת אנרגיה גבוהה. בשל גודלן הגדול של מערכות אופטיות אדפטיביות, מראות מעוותות MEMS בבית ובחו"ל משמשות בעיקר בתחום ההדמיה. בתחום הסטת האלומה, קשה לענות על הצרכים של סביבות בקנה מידה קטן. כדי לעמוד בדרישות הגבוהות של כימיזציה וקל משקל.

לציוד הסטה אקוסטו-אופטי יש רוחב פס עבודה גדול, אך קשה לעמוד בדיוק ההטיה של מיקרו-רדיאנים, ויש לו דרישות גבוהות באורך הגל, הזווית והאנרגיה של האור הנכנס וצורך הפסדי אנרגיה גדולים.

לשיטות כגון מערכי גביש נוזליים ומערכי מיקרועדשות יש צריכת חשמל נמוכה ומתח נהיגה נמוך, אך יש להם מהירות תגובה איטית, סטייה זוויתית בלתי רציפה, זוויות סטייה גדולות אך יעילות סטייה נמוכה בזוויות גדולות, מה שמקשה לעמוד בדרישות המשימה של שידור ברוחב פס גדול.

בהשוואה לטכנולוגיות אחרות, למסיטי אלומה המבוססים על גבישים אלקטרו-אופטיים יש את היתרונות של זווית סטייה שרירותית, גודל קטן, מהירות תגובה מהירה ורגישות גבוהה. הם נחשבים למתאימים ביותר למימוש אחד הכיוונים המובילים של טכנולוגיית סטיית האור המהירה. בין סוגים שונים של חומרים אלקטרו-אופטיים, למפנים אלקטרו-אופטיים המבוססים על גבישי KTN יש יתרונות של סטיה בזווית גדולה, מהירות תגובה מהירה, יעילות סטייה גבוהה, דיוק סטייה גבוה, פעולה ברוחב פס וכו', ובעלי פוטנציאל גדול יותר. ביישומים בתחומים כמו תקשורת אופטית בחלל, והפכו למוקדי מחקר ברחבי העולם. מצד אחד, העבודה שלאחר מכן חייבת לנתח וללמוד את מאפייני הגדילה ותנאי הצמיחה של גבישי KTN לגידול גבישים איכותיים בעלי הרכב אחיד וצורה קבועה; מצד שני, עלינו ללמוד בהדרגה את מנגנון ההטיה המיקרוסקופי של גבישי KTN, וזה חשוב מאוד. משמעות מעשית.