封面解读封面展示了基于集成光波导光学相控阵在空间激光通讯鸿沟应用的身分和特质。图中为二维相扫集成光学相控阵的中枢构成，从左至右交替为调制器、级联分光区、相移器阵列和二维天线阵列。详备画出了集成光波导相控阵列很是辐射偏转景况，意在凸起光学相控阵的二维大角度扫描和同期多波束的特质。辐射光束中包含了阵面标的空间多个不同维度的指向，适值不错辐射到不同轨说念面的卫星末端，自恃一双多同期通讯传输数据信息流的进犯需求。从光学相控阵技巧瞻望激光通讯的发展趋势作家 | 宋义伟, 胡景森, 李贝, 柏刚, 田永明, 张灿, 钱金杰. （特邀）[J]. 激光与光电子学发扬, 2024, 61(7): 0706003.参谋布景空间激光通讯技巧联络无线电通讯和光纤通讯的优点，以激光为载波进行通讯，具备抗骚动才智强、安全性高、通讯速率高级上风，在多个鸿沟有首要的计谋需求与应用价值。频年来，海外上照旧将空间激光通讯技巧应用于卫星互联网的诱骗中。诈欺卫星互联网系统，在地球的任何地点，东说念主们齐将能随时接入汇注；卫星承载的信息也不再是传统的遥感、探伤和导航定位信息，还能承载末端用户的多媒体信息，灵验提高了卫星举座的费效比。目下低轨平常应用的卫星激光通讯载荷接受机械扫描机制，只可完结星间点对点通讯，需要在单颗卫星上装置多个末端才能搭建通讯汇注，导致卫星体积增大，分量加多；在星间建链时，由于机械扫描系统结构限制，光束扫描速率慢，建链时常需要破耗较万古期，无法完结快速建链。跟着我国低轨互联网星座诱骗的加速，卫星激光通讯正朝着高速率、高鲁棒性网状网构建等标的发展，进犯需要通讯载荷在轻量化、高速率、微型化等方面取得打破。光学相控阵（OPA）技巧是微波相控阵技巧在光学频段的应用拓展，其通过更动和适度天线单元间的相对相位，完结定向辐射、波束扫描和多波束收发与适度；其兼具功耗低、集成度高、体积小、高反映、分量轻等优点，极大的减小通讯载荷的体积和分量，加速扫描速率，提高星间建链着力，安宁发展为非机械式适度的主流决议，在星间激光通讯鸿沟展现出了宽敞的应用远景。加速推动光学相控阵技巧发展，重心攻克以光学相控阵为处理决议的空间激光多波束通讯要害技巧，对我国激光通讯的跨越发展具有重要真义。技巧特质相较于传统光学指向调治机构技巧，光学相控阵具有以下三个技巧特质：01快速建链，快速组网光学相控阵通过电子编程阵势适度单元间的相对相位，完结波束指向的跳变和扫描。相较于机械扫描系统，电子编程阵势具有更高的反映速率，可完结多通说念间的快速切换和多目标之间的快速扫瞄，反映速率最高可达微秒量级。光学相控阵的快速波束指向才智可完结激光通讯链路的快速成立和切换，提高通讯汇注的可靠性和纯真性。02支握多链路并行通讯光学相控阵接受信号处理技巧不错造成多波束，完结一双多个目标的同期通讯。若出现链路中断，诈欺光学相控阵的同期多波束才智备份冗余链路，完结通讯回路的保护，确保通讯的及时性和汇注性。03轻量化与低资本传统光学指向调治机构技巧需要摆镜、转台等机械式旋转结构，增大系统体积与分量。新式光学相控阵技巧可接受单片集成的微纳工艺制备，使光学指向调治机构减小了数个数目级，并为大限制加工、坐蓐、测试和使用提供了可能。发展近况国表里针对光学相控阵的参谋和探索，主要分为液晶光学相控阵、MEMS光学相控阵和光波导光学相控阵三种技巧体制。01液晶光学相控阵液晶光学相控阵(LC-OPA)具有分辨率高、可编程适度、随意纯真等凸起特质，在小视场高精度光束偏转适度鸿沟具有极其平常的应用远景。国表里对液晶光学相控阵光束偏转的参谋起步较早，目下聚集于完结大角度光束扫描和跟瞄系统的策画。通过级联液晶光学相控阵和其他光学元件，不错完结30°以上的大角度偏转；诈欺液晶光学相控阵的多波束才智，参谋东说念主员策画出了多波束跟瞄考证系统，可完结10 μrad级的跟瞄精度。图1展示了诈欺LC-OPA完结的一双二目标通讯跟瞄。图1 双末端通讯推行。(a)双末端追踪推行系统;(b)双末端追踪推行远场光斑图液晶光学相控阵发展较早，技巧相对老练，然则扫描范围小，何况反映较慢，限制了其在激光通讯等扫描速率条目比拟高的场地应用，而且液晶无法与激光通讯常用光电元件如光放大器、激光器、探伤器等进行进一步集成，限制了其在系统集成上的应用。02MEMS光学相控阵MEMS微振镜基开心趣是诈欺静电力草率电磁力使得微型反射镜发生偏转，由此使得入射到镜面上的光束发生偏折。将MEMS和相控阵技巧联络，通过微结构的位移变化完结相位调制，从而达到光束偏转适度。图2为诈欺MEMS光学相控阵策画的空间通讯系统。图2 基于MEMS微镜阵列的激光通讯系统基于MEMS器件的光学相控阵具有扫描速率快、能耗低的特质，然则扫描角度小，同期其力学性能差，限制了其在卫星激光通讯鸿沟应用。03集成光波导相控阵跟着半导体工艺的卓越，集成光波导光学相控阵在近十几年得到了快速发展。图3为集成光波导光学相控阵的旨趣图。集成光波导光学相控阵通过适度各相移器的外加电/热场对光束施加相位蔓延，最终得到相位按照一定例律分散的出射光束，完结光束扫描。其具有反映速率快、适度电压低、扫描角度大等特质，还不错通过阵列复用和子孔径辞别等技巧技能，完结多波束适度。图3 集成光波导光学相控阵旨趣图频年来，由于旨趣和工艺技巧限制，二维辐射阵列天线数目很难作念多，天线间距很难作念小，暂时还无法完结大阵列的二维光学相控阵。目下主流的集成光波导光学相控阵时常为一维相控阵，接受联络波长调谐与相位调谐的阵势完结二维扫描。图4为目下阵元数最多，工艺最为复杂的硅基光学相控阵什物后果。图4 8192通说念光学相控阵。(a)接受倒装CMOS的OPA光子集成电路;(b)芯片封装完成后的像片诈欺波长调谐偏转角会受到光源可调谐波长范围的影响，当光源无法完结宽波段调谐时，OPA的扫描角度则受到了敛迹。频年，由于工艺和相位校准算法的卓越，竣工依靠相位调谐完结大角度二维扫描的集成光波导相控阵运行崭露头角，展现出了较好的发展远景。图5为一种竣工依靠相位调谐的二维集成光波导相控阵，该二维相控阵仅依靠相位调谐完结了为20°×20°的扫描视场。图5 2D光学相控阵什物图。(a) 封装芯片的显微图像；(b) 输出天线阵列的放大图像；(c) 天线单元的SEM图像相较于LC-OPA和MEMS-OPA，集成光波导OPA集成度更高，特质愈加全面和平衡，可拓展性更强，在空间光通讯中具备更大的应用后劲。2023年，航天八院宋义伟团队长入外部的上风单元，开展硅基光波导OPA天线的优化策画，完结了512阵列限制的OPA，压缩激光束散角小于0.1°，通过改变天线阵列中每个阵元的相位，完结扫描范围大于45°、切换速率高达kHz量级的定向辐射，并基于此OPA天线构建了空间光通讯系统，最终完成10 Gbps传输信号的无误码传输。集成光波导光学相控阵接受了芯片集成工艺，因此其尺寸小，十分适合器件微型化需求。其光束偏转角度也很大，具有较高的反映速率，但由于光束分束和光波导传输中的损耗，集成光波导相控阵的插入损耗较高，辐射功率受限。此外，多波束适度和高精度扫描也对适度算法有一定的条目，渐趋成为目下的参谋热门。归来与瞻望光学相控阵技巧在空间激光通讯鸿沟具有广泛的应用远景，其技巧特征自恃星间激光通讯将来轻量化、低资本和高可靠光束扫描的需求，处理了传统激光通讯末端系统复杂、集成度低、依赖与机械部件开通精度的问题，为将来组网星座高速通讯和高精度时频同步应用提供有劲复古。瞻望将来，加速二维集成光学相控阵技巧攻关和鼓吹光学相控阵系统的集成化将为光学相控阵技巧的在轨应用提供助力，并为无线光通讯汇注带来颠覆性变革。团队先容团队认真东说念主宋义伟，参谋员，上海航天技巧参谋院激光探伤技巧研发中心主任，航天科技集团后生拔尖东说念主才，上海航天技巧参谋院卫星激光通讯技巧带头东说念主，永恒从事轻细光信号探伤、高精度激光跟瞄技巧参谋与应用等责任。2011年毕业于哈尔滨工业大学，得回博士学位，参与研制了我国初次星地激光通讯技俩研制。2013年参加上海航天技巧参谋院责任，2020年指导激光通讯团队完成新技巧进修卫星激光通讯在轨考证，完结国内初次低轨星间激光通讯在轨考证，创造了国内星间激光通讯速率最高、体积最小、分量最轻等多项第一，填补了国内低轨星间激光通讯技巧空缺；该激光通讯团队一直悉力于于微型化、高速率、低资本卫星激光通讯末端研制和联系技巧研发，先后承担了多项国度级、上海市、集团级的卫星激光通讯型号居品研制和预研技俩攻关，完结了卫星激光通讯末端居品的模块化、系列化、批量化策画和坐蓐，为卫星激光通讯发展孝顺了力量。