【导语】在科技日新月异的今天，从地面的4G、5G网络到万米高空的飞机通信，再到遥远的太空卫星互联，通信技术不断突破边界。卫星间的通信方式尤为独特——它们通过“打灯语”，即激光通信，来实现信息传递。而这一高精尖技术背后，离不开一个关键组件：高性能的MEMS快反镜。近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所成功研制出一款硬币大小的MEMS快反镜，它不仅能在极端环境下工作，还能精准地将激光投射到上千公里外的目标卫星上，为星间激光通信领域带来了革命性的进展。本文将带您深入了解这一科技奇迹背后的故事及其广泛应用。

出品：

作者：海里的咸鱼（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）

监制：中国科普博览

在地面，手机通信靠4G、5G网络；在万米高空巡航的飞机，通信靠高频无线电通信或卫星通信；那么，卫星之间通信靠什么呢？答案是依靠互相打“灯语”。卫星之间通过收发激光进行通信，由于激光束非常细，对准目标难度极高，因此需要能快速调整位置、精准指向的反射镜来保障卫星通信。

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高性能的MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微电子机械系统）快反镜。这面镜子只有一枚硬币大小，镜子的角度可在1毫秒（1/1000秒）内快速调整到指定角度，能够在-40℃至100℃的温度下工作，可以抵御严(yán)酷(kù)的太空环境。

这一快反镜精度高，体积小，使得卫星能够精准将激光投射到上千公里外的目标卫星上，在星间激光通信领域有巨大的应用潜力。

封装后的MEMS快反镜样品

（图片来源：参考文献[4])

MEMS——迷你精巧的机械

说到机械，大家一般首先会想起那种布满了金属器件的与各类管道的机器，比如汽车的发动机、蒸汽时代的火车头。而MEMS则要小巧很多。

如果你此刻正用手机阅读这篇文章，那么你掌心的手机中便含有好几个MEMS器件。现代的手机具备计步功能，能记录我们每天的运动情况，这依赖于手机中的MEMS加速度计（一种用于测量物体加速度、振动、倾斜或运动状态的传感器），它能感知手机的运动速度。而手机的(de)指南针功能，内部并没有一碗水加个小铁片那种传统结构，而是有一个MEMS陀螺仪器件，能够感知手机的方位。

MEMS是使用半导体工艺制成的，一般MEMS器件大小只有几十到几百微米。例如微型的锁止结构，半导体工艺能够制作微小的结构，利用该工艺制作的机械结构非常精细，常规的加工方法无法加工这么小的齿轮。在制造存储数据所用的内存芯片的同时，加工一个锁止机构，只有输入特定的电信号，锁止机构才能被打开，保护芯片中的数据安全。

微型的锁止结构，齿轮直径约为0.2毫米

（图片来源：参考文献[3])

而星间激光通信使用的MEMS快反镜，则是MEMS器件中的“庞然大物”。其镜面越大，可以反射激光的区域也就越大。然而，镜面增大的同时也不可避免地使其重量增加，要想精确且快速地驱动一个大镜片，难度比驱动小镜片高。这就像穿鞋散步，穿拖鞋走起来非常轻快，穿厚重的靴子走起来就比较笨重。

此次科研团队打造的MEMS快反镜则包含镜面尺寸大、封装体积小两个特点，可以实现更精确的激光光束闭环控制。

硬币大小快反镜的制作工艺

那么，这样一个兼具体积小和精度高特性的快反镜是如何被打造出来的呢？镜面以及夹持镜面运动的机构分开制造，然后键合在一起。为了提高镜片的摆动速度， 反射镜背面设计成蜂窝结构，相比于简单平板反射镜更加轻巧，同时摆动时的镜片的变形量还小。

采用蜂窝结构的反射镜，摆动时变形量为2.15纳米，是简单平板反射镜变形量的四分之一

（图源：参考文献4)

对应的支撑结构由硅、二氧化硅、钼、铝等多(duō)种(zhǒng)材(cái)料(liào)组合而成，保证结构强度以及摆动的精度。

为什(shén)么(me)需要激光通(tōng)信(xìn)？

航(háng)天(tiān)技术发展迅速，远在太空的卫星已深度融入我们的生活：开车需要北斗卫星提供导航；天气预报离不开气象卫星提供数据；即便在无信号的野外，部分手机还能利用卫星通信来与外界联系。一些卫星企业正通过发射成千上万颗卫星将地球“包裹起来”，这些卫星遍布全球，组成了“卫星互联网”。不论你在飞机上、沙漠中、大海的中央，都能够利用卫星互联网接入网络。

在庞大的卫星群中，除了与地面站通信外，卫星之间也需要互相“传话”，传递信息。然而，手机接收到的无线电信号在一定范围内可被任意接收，通信信息有可能被记录并破译。

这时候，激光通信就派上用场了——相比传统的无线电通信，激光通信的保密性更高。这是因为激光的发散范围小，指向性极(jí)强。虽然这一特性给对准系统带来了极大的挑战，却同时造就了其保密性极高的优势。

卫星之间利用激光互相“打灯语”进行信息传递，要求激光束必须稳定且精准地指向目标卫星，否则就会丢失信息。这对快反镜的要求非常高——卫星装备着激光器，它发出的激光依靠反射镜变换角度从而改变方向，跟踪瞄准卫星，确保通信链路稳定。这项重任落在了反射镜的精准控制能力上。

激光通信示意图

（图片来源：作者自制）

除了卫星之间互相使用激光进行通信外，卫星与地面之间也能进行激光通信。中国的“墨子号”量子科学实验卫星，能够实现距离长达上千公里的卫星与地面之间量子通信，这种将激光通信与量子密钥分发技术相结合的通信方式，是保密等级超高的空间通信技术。

随着科技的发展，人们研制的机器结构愈加复杂精巧，古代有能工巧匠在方寸核桃上雕刻出舟船，现(xiàn)如(rú)今(jīn)则(zé)有(yǒu)当(dāng)代(dài)科(kē)学(xué)家(jiā)让(ràng)反(fǎn)射(shè)镜(jìng)在(zài)浩(hào)瀚(hàn)太(tài)空(kōng)中(zhōng)精(jīng)准(zhǔn)摆(bǎi)动(dòng)。这(zhè)种(zhǒng)对(duì)极(jí)致(zhì)精(jīng)密(mì)的(de)追(zhuī)求(qiú)，正(zhèng)是(shì)科(kē)技(jì)发(fā)展(zhǎn)的(de)永(yǒng)恒(héng)主题(tí)。

参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)：

[1]陈(chén)文元(yuán).MEMS强(qiáng)链(liàn)及(jí)其(qí)应(yīng)用(yòng)[M].科(kē)学(xué)出(chū)版(bǎn)社(shè),2007.

[2]姜(jiāng)会林,安岩,张雅琳,等.空间激光通信现状、发展趋势及关键技术分析[J].飞行器测控学报, 2015, 34(3):11.DOI:10.7642/j.issn.1674-5620.2015-03-0207-11.

[3]林文浩,陈昱,夏曼,等.MEMS传感器技术发展及应用分析[J].电子元器件与信息技术, 2021, 5(7):2.DOI:10.19772/j.cnki.2096-4455.2021.7.006.

[4] Xue, Wenli , et al.“A high-performance 10mm diameter MEMS fast steering mirror with integrated piezoresistive angle sensors for laser inter-satellite links.” Microsystems & Nanoengineering.