3分でわかる空間光通信によるビーム偏向技術

ビーム偏向技術は自由空間レーザー通信の重要な要素であり、その性能は自由空間レーザー通信が高速で安定した通信のニーズを満たすことができるかどうかを決定します。 ビーム偏向技術は、機械的ビーム偏向技術と非機械的ビーム偏向技術の 2 つのカテゴリに分類できます。 その中で、機械的ビーム偏向技術には、走査検流計、高速制御ミラー、およびマイクロ電気機械システム可変ミラーが含まれます。 非機械的ビーム偏向技術には、音響光学偏向技術、液晶材料に基づく偏向技術、および電気光学偏向技術が含まれる。

各種ビーム偏向技術の特徴と宇宙光通信分野への応用展望を見てみましょう。

1.走査検流計

最も成熟した機械式ビーム偏向デバイスは走査検流計です。図 1 に示すように、これは本質的にはミリ秒/サブミリ秒のステップ応答時間とマイクロラジアンの指示精度を備えた光反射器です。

図1 走査検流計の概略図

検流計走査システムは、構造が単純で、サイズが小さく、走査精度が高く、速度が速く、比較的低コストです。 ただし、動作範囲の制限、糸巻き型歪み、検流計の摩耗などの問題があります。 このデバイスは、偏向角の点で優れた性能基準に達しています。 例えば、アメリカのTHORLABS社が発売したXG210シリーズの走査検流計は、最大±20度の偏向角を持っています。 現在、国内外の研究者は、スキャン速度を向上させ、フェムト秒レーザーパルスや多次元検流計構造などの方法を使用してその性能を向上させることに取り組んでいます。

しかし、2次元ガルバノメータや高次元ガルバノメータ走査技術の場合、システム構造がより複雑になり、実際のアプリケーションでは方向誤差が発生し、誤差を修正するための適切な補正方法が必要になります。 将来的には、残留誤差の抑制を目的とした可変構造制御技術や太細2レベル複合軸制御技術の活用も検討していきます。 これらは良好な宇宙環境と短い作業サイクルを備えた衛星群に適用でき、最大の効率で高精度の追跡とスキャンを実現できます。 また、レーザー通信におけるレーザーの出力は一般に非常に高いため、表面の損傷を軽減するために反射率の高いガルバノミラーの材料を選択することも将来的に解決すべき問題です。

2.高速ステアリングミラー

高速ステアリング ミラー (FSM) には 2 つの構造があります (図 2 を参照)。1 つは XY 軸フレーム構造で、シャフト システム構造とも呼ばれます。 もう 1 つは柔軟な軸構造であり、これが現在の FSM の主な開発方向です。

図2 (a)高速ステアリングミラーのXY軸フレーム構造図。 (b) ファストステアリングミラーのフレキシブル軸構造図

高速制御ミラーには、高い位置決め精度、高い角度分解能、速い応答速度、およびコンパクトなサイズという利点があります。 さまざまな光学機械システムで広く使用されており、柔軟な支持構造により機械的摩擦も軽減されますが、実際のアプリケーションでは大きな慣性フレーム構造と組み合わせることで、一定の光軸誤差が発生します。

現在、この分野における国内の研究は高速反射鏡の構造シミュレーションやシステム制御が中心であり、新しい反射鏡の開発は遅れています。 これは、継続的な反復検証の必要性と高額な研究開発コストにも関係しています。 したがって、システム内の特定のパラメータを調整することで物理検証をシミュレーションできるように共同シミュレーション システムを開発し、それによって開発サイクルを大幅に短縮し、高性能の高速ミラー パラメータをより迅速に見つけ、最適化効率を向上させることが検討される必要があります。未来。

一方で、宇宙環境に存在する熱擾乱や基本振動は、高精度ビームを照射する際に光軸歪みやジッターを引き起こす原因となります。 現在、マイケルソン干渉計と高速制御ミラーからなるビームを使用する方法が既存である。 光軸誤差を補正するポインティングアライメントシステム。 ただし、この方法では、動的な測定誤差を処理す​​る精度が低くなります。 動的測定誤差の精度を高めてリアルタイムに誤差を補正することは、今後解決すべき課題である。

3.MEMSデフォーマブルミラー

MEMS-DM（Micro-Electro-Mechanical System-Deformable Mirror）には、電気熱駆動、圧電駆動、静電駆動、電磁駆動などさまざまな方式があります。 静電駆動は構造が単純であるため、応答速度が速く、高周波信号にも対応できるという利点があるため、主に静電力によって駆動され、平坦なコンデンサの形で実装されることがほとんどです。 。 その構造を図 3 に示します。

図3 MEMS可変形状ミラー駆動構造図

微小電気機械システムの変形可能ミラーは、高いユニット密度、短い応答時間、低消費電力、低コスト、集積回路との良好な互換性という利点があり、イメージング分野でより広く使用されています。 ただし、スキャン速度が遅く、光エネルギーの利用率も低くなります。 、迷光が増えるなどの問題。 近年、研究者は、波面ストロークを増加させ、より高いフレームレートを得るために、可変形状ミラー用のユニットアクチュエータをより多く開発し始めています。 同時に、より多くのアクチュエーターを備えた変形可能ミラーは、より大きな機械的ストレスにつながるため、より軽量で低硬度のベース材料を選択することが前進する方法です。

4.音響・光偏向技術

音響光学偏向技術は、高周波電気信号を超音波に変換し、トランスデューサを介して作動媒体に送信して回折格子を形成します。図 4 に示すように、回折格子は光波回折を使用してビームを偏向します。効果は音響光学領域の長さに応じてラマン回折とブラッグ回折に分けられます。 ラマン回折は光の利用効率が低く、ブラッグ回折は回折効率が高いため、一般的にはブラッグ回折が使用されます。

図4 音響偏向と光偏向の原理図

音響光学偏向装置は、小型、軽量、低駆動力、高い回折効率という利点を持っています。 同時に、音響光学偏向技術は、リアルタイム並列処理能力、広い時間帯域幅、コンピュータとの容易な互換性、および自動制御も備えています。 しかし、次のような欠点もあります。回折光のほとんどが一次回折光であるため、音響光学偏向装置には大きな偏向範囲での明らかな欠点があり、偏向精度が低く、微調整が困難です。ビームの強度が低く、解像度が低い。 、高速スキャン中に「チャープ効果」が表示されます。

超音波トラッキングや単結晶の多重周波数などの方法を使用することにより、実効帯域幅を増加して低解像度の問題を解決できます。 「チャープ効果」については、偏向器の後にシリンドリカルレンズを追加して、その影響を排除できます。 現在、入射音響波の周波数について多くの研究が行われており、超音波入射時の音響光学偏向器の回折効率と周波数応答性能を向上させるために、さまざまな実験的改善方法が実施されていますが、その性能は偏向角の増加についてはほとんど分析されていません。

将来的には、音響波の入射方向を変えて偏向走査角を拡大する制御可能な音響波ベクトル技術が考えられる。 帯域幅性能、帯電防止能力、熱安定性など、音響光学偏向器の偏向性能を示す他の指標も、現在研究の対象となっています。

5.LCD偏向技術

液晶材料に基づくビーム偏向技術には、主に、液晶フェーズド アレイ、液晶マイクロレンズ アレイ、液晶偏光回折格子が含まれます。

液晶光フェーズド アレイ (LCOPA) テクノロジーとは、電極を介して液晶分子に電圧を印加することを指します。 液晶分子は電子的に制御された複屈折効果を持っているため、印加電圧によってさまざまな状態の液晶分子の偏向度が制御され、それによってビーム波に影響を与えます。 図5に示すように、ビーム走査を実現するために前段で位相変調の役割を果たします。

図5 液晶フェーズドアレイ偏向の原理図

LCOPA は高出力、低電圧駆動という利点があり、機械的慣性がなく、機敏に高精度のビーム偏向を実現できます。 ただし、応答時間が長い、動作スペクトル幅が短いなどの欠点があります。 さらに、偏向角が小さいと LCOPA の適用範囲も制限されるため、より大きな偏向角を実現するには角度増幅デバイスが必要になります。 しかしながら、角度増幅装置の有効口径やウォークアウェイ角などの要因により、角度増幅装置がより高い角度倍率を達成することは現在困難である。 同時に、液晶フェーズド アレイは動作中に複数の回折次数を持ち、非線形相関効果の影響と相まって、LCOPA の偏向効率が低下します。

液晶マイクロレンズアレイ（LCMLA）は、図6に示すように3つのレンズアレイで構成されています。LCOPAと比較して、LCMLAは偏向角が大きく、光学反射ゾーンの影響を受けないため、偏向効率が高くなります。 液晶材料内の LC 分子配列の変化時間の影響を受けるため、LCMLA で必要な光路差は LCOPA よりも長くなります。 LCMLA は小さいほど厚みを小さくできるため、LCOPA よりも応答時間が短くなります。 ただし、連続ビーム偏向走査を実現するには、LCMLA をいくつかの微角度偏向デバイスと組み合わせて使用​​する必要があり、アプリケーションの実装が複雑になります。 また、LCMLA は多層レンズアレイで構成されており、システムの安定性は LCOPA に比べて劣ります。 LCMLA は、放出される光の主な大きな回折次数を変更することでビームの偏向を実現します。 マイクロレンズアレイの空間的コヒーレンスはその解像度に影響を与えるため、マイクロレンズのサイズの誤差を非常に小さくする必要があり、これは解決すべき大きな問題です。

図6 液晶マイクロレンズアレイの模式図

液晶偏光回折格子 (LCPG) の原理は、入射光が偏光子を通過して左回りの光と右回りの光を形成し、その後 LCPG を通過して光ビームを 2 つの異なる方向に偏向させることです。 偏向光路を図 7 に示します。LCPG は電界エッジ効果の影響を受けず、高解像度、プログラマブル制御、軽量性、柔軟性を備えています。 LCPGは等価1/2波長板の光路差を生じさせるだけでよく、必要な液晶層の厚さが薄いため応答時間が短くなります。 高速であり、位相リセットによる光戻りの影響がありません。 さらに、広帯域動作も実現できます。 しかし、単一の LCPG では、複数の角度と広い視野のインデックス要件を同時に達成することは困難であり、多層 LCPG には準備プロセスとシステムの安定性に対する高い要件があります。

図7 液晶偏光回折格子の模式図

従来の LCOPA は軽量で柔軟性があり、小さな角度範囲で微細なたわみを実現できます。 システムの複雑さは比較的単純で、準備プロセスは比較的成熟しています。 ただし、位相リセットによる光学的リターンゾーンの影響を受け、偏向効率、応答時間、その他の指標に明らかな欠陥があります。 、継続的な改善と開発がまだ必要です。 LCMLA と LCPG は光学リターンゾーンの影響を受けず、偏向効率が大幅に向上しました。 ただし、どちらもビームの準連続偏向走査を実現するために微角偏向装置を装備する必要があり、最大偏向角を達成するために両方とも多段を使用します。 直列構造では、システムが長すぎて安定性が比較的低くなります。 LCOPAやLCMLAと比較して、LCPGは大きな偏向角と高い偏向効率という特徴を備えているだけでなく、広いスペクトル動作という独特の利点もありますが、大きな角度間隔でのみビーム偏向走査を実現できます。 現在、液晶偏向技術は非機械的偏向として最も広く研究されていますが、非偏光条件下で大きな角度と高効率を達成するには大きな制限があります。 この問題を解決するには、デバイスのアーキテクチャと材料の種類を考慮する必要があります。 液晶偏光回折格子デバイスを使用する場合、大きな角度偏向で連続的な角度偏向を達成することは困難です。 これらは将来的に解決しなければならない問題です。

6.電気光学偏向技術

電気光学偏向技術は、図8に示すように、ビーム伝播方向に対して垂直な屈折率勾配によって生じる偏向を利用することで実現されます。他の技術と比較して、電気光学結晶に基づくビーム偏向器は、任意の偏向が可能であるという利点があります。広角、小型、応答速度が速く、高感度であるが、解像度が低いという問題がある。

図8 電気光学偏向の原理図

近年、ニオブ酸リチウムやチタン酸バリウムなど、二次的な電気光学効果を有する電気光学材料が国内外で報告されています。線形電気光学効果を有する結晶に比べ、応答性などの性能に優れています。速度と偏向電圧。 その中でもKTNクリスタルが最も代表的です。

KTN 結晶は、現在知られている最も大きな二次電気光学効果を持つ結晶です。 高い誘電率、低い誘電損失、明らかな強誘電性、優れた非線形光学特性などの優れた特性を持っています。 ビーム偏向の分野で非常に幅広い用途があります。 見通し。 現在、日本のNTT会社や米国のペンシルバニア大学などの外国企業をはじめ、国内のハルビン工業大学、南開大学、山東省科学院などもKTNのたわみ特性について多くの研究を行っている。結晶。

NTT 会社とペンシルベニア大学は主に空間電荷注入に基づく KTN 結晶ビーム偏向技術を研究しました。 山東省科学院は主に、KTN 結晶の組成勾配によって引き起こされるビーム偏向技術を研究しました。 ハルビン工業大学などは主にKTN結晶ビーム偏向器の電極を研究した。 構造や動作温度などの工学的問題が研究されました。

現在、次の問題が存在します。結晶成長において高い光学的均一性を達成し、実用的な用途のニーズを満たすことが困難です。 キュリー温度に近い用途では、正確な温度制御方法が必要です。 空間電荷の注入メカニズムとキュリー温度での極性については疑問があります。 ナノ領域やビーム偏向の制御メカニズムなどの科学的問題については、さらなる研究が必要です。

各偏向技術の長所と短所をより直観的に示すために、表 1 に示すように比較分析を実行しました。

表1 ビーム偏向技術の比較

まとめ

一般的に使用される機械式マイクロ電気機械可変ミラー、高速反射ミラー、および走査検流計は、機械的手段を通じて放射される光軸の方向を変更します。 その精度はマイクロラジアンに達し、偏向角は数十ラジアンに達することがあります。 医療やその他の分野での幅広い応用の可能性があります。 。 しかし、構造が複雑、サイズが大きい、エネルギー消費が大きいなどの問題があります。 補償光学系はサイズが大きいため、国内外のMEMS可変ミラーは主にイメージング分野で使用されています。 ビーム偏向の分野では、小規模な宇宙環境のニーズを満たすことが困難です。 化学化と軽量化という高い要求に応えます。

音響光学偏向装置は広い動作帯域幅を持っていますが、マイクロラジアンの偏向精度を満たすことが難しく、入射光の波長、角度、エネルギーに対する高い要件があり、大きなエネルギー損失を消費します。

液晶フェーズドアレイやマイクロレンズアレイなどの方式は、消費電力や駆動電圧が低いものの、応答速度が遅く、角度偏向が不連続で、偏向角が大きいものの、大きな角度での偏向効率が低いため、要求を満たすことが困難です。広い帯域幅の伝送。

他の技術と比較して、電気光学結晶に基づくビーム偏向器は、任意の偏向角、小型サイズ、速い応答速度、および高感度という利点を持っています。 高速光偏向技術の先端技術の一つを実現するのに最適であると考えられています。 さまざまな種類の電気光学材料の中でも、KTN 結晶をベースとした電気光学偏向器は、大偏向角、速い応答速度、高い偏向効率、高い偏向精度、広帯域動作などの利点を有しており、より大きな可能性を秘めています。宇宙光通信などの分野で応用され、世界中で研究のホットスポットとなっています。 一方では、その後の作業では、均一な組成と規則的な形状を備えた高品質の結晶を成長させるために、KTN 結晶の成長特性と成長条件を分析および研究する必要があります。 一方で、KTN 結晶の微視的なたわみメカニズムを徐々に研究する必要があり、これは非常に重要です。 実用的な意義。