基于级联液晶相位控制的非机械式光束跟踪技术用于太空激光通信

《Optics and Lasers in Engineering》：Non-mechanical beam tracking via cascaded liquid crystal phase control for space laser communication

　　

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  针对基于级联LC组件的空间激光通信系统，进行了全面的系统级工程评估。
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  仿真与实验表明，跟踪精度和液晶响应时间共同决定了通信性能。
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  该系统可实现2微弧度的静态指向精度，并能在10 Gbps的数据传输速率下实现无误差的光通信。

引言

在典型的空间激光通信系统中，指向、捕获和跟踪功能主要通过两轴机械万向节来实现[1,2]。尽管这类装置被广泛使用，但它们存在体积大、质量重、能耗高、转动惯性大以及难以支撑点对点通信架构等固有缺陷[3]。为克服这些局限，研究人员致力于开发非机械式的波束操控技术，包括基于旋转抛物面反射器的光学天线、双棱镜波束操控系统、基于微电机械系统的光学相控阵、集成在硅片中的相控阵以及液晶器件[[4], [5], [6], [7], [8]]。

在这些技术中，基于液晶的波束操控具有独特优势，因为它能够通过电控方式改变液晶分子的方向，从而精确调控光相位。这种可电编程的波前调制方式无需机械运动即可实现灵活的波束操控，进而带来结构紧凑、质量轻、能耗低以及系统架构简化的优点。正是这些特性，使得液晶技术成为未来空间激光通信终端中实现高精度非机械式指向、捕获和跟踪系统的理想候选方案。

液晶空间光调制器由像素阵列构成，每个像素都相当于一个可电调制的波片，能够实现0到2π范围的相位延迟。通过在阵列上施加空间变化的电压分布，就可以实现任意且可编程的波前形状调控[9]。液晶偏振光栅则利用周期性变化的分子排列模式，产生空间调制的偏振和相位响应，从而实现偏振选择性波束分束和大角度波束偏转[10]。由于液晶器件能够同时实现对相位和偏振的精准控制，因此它在激光雷达、相干波束合成、自适应光学、激光投影、光学镊子、光学开关以及自由空间光通信等诸多领域都备受关注[[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]]。

虽然先前的研究已经证明了液晶器件在实现大角度波束操控、高精度波束控制、点对多点通信以及目标跟踪方面的潜力[[20], [21], [22], [23], [24]]，但大多数研究仍仅限于器件层面的特性分析或开环概念验证。因此，在将液晶技术转化为实际的空间激光通信系统过程中，仍有若干关键挑战需要解决。首先，液晶分子本身的电光响应速度较慢，会在连续调整波束角度时引发瞬态相位畸变，而这种畸变对动态跟踪稳定性的影响尚未得到系统性的量化分析。其次，动态波束操控实验很少与高速通信链路结合进行，因此目前还不清楚相位切换带来的光功率波动是如何导致通信性能下降以及比特错误产生的。最后，目前能够同时整合级联液晶波束操控、光纤耦合以及闭环跟踪算法的系统性系统级演示还十分少见，这限制了人们在实际相对运动条件下对基于液晶的通信架构进行评估。

为弥补这些不足，我们针对采用级联液晶波束操控装置的闭环空间激光通信平台进行了全面的系统级研究。我们通过实验揭示了动态波束角度切换所引发的瞬态光功率波动，并阐明了液晶重新配置过程中相位分布随时间变化背后的机制。此外，我们还系统地量化了跟踪精度、光功率动态变化以及通信比特错误性能之间的关联。所开发的原型系统具备10°的连续波束操控范围，闭环静态指向精度可达2微弧度，同时能够在目标持续运动的情况下保持10 Gbps的无误差数据传输。通过构建涵盖液晶波束操控硬件、状态预测控制算法以及系统级通信验证的完整运行框架，本工作证明了全固态液晶架构在满足体积、重量和功耗约束的空间光通信终端中的应用可行性。

章节摘要

液晶组件的级联设计

如图1(a)所示，液晶波束操控系统主要由液晶空间光调制器和液晶偏振光栅组成。尽管这两种器件都是通过相位调制来发挥作用，但它们的波束操控特性存在显著差异。通过对液晶空间光调制器的像素施加空间变化的电压，就可以在整个光圈范围内生成可编程的线性相位分布，从而引导干涉光朝特定方向传播

实验装置

根据上述液晶器件的波束操控特性，我们采用了液晶空间光调制器与液晶偏振光栅级联的架构来构建指向、捕获和跟踪系统。液晶波束操控组件的关键参数总结见表1。

实验装置如图2所示，由发射端和接收端组成。在发射端，一束线偏振的1550纳米激光会经过任意波形发生器生成的10 Gbps伪随机二进制序列进行调制

静态指向

图4展示了当发射端沿圆形导轨移动时，液晶跟踪系统的波束操控性能。开环指向误差指的是单次波束操控后，操控后的波束与目标方向之间的角度偏差；而闭环跟踪误差则是指经过反馈稳定后的剩余偏差。

在实验中，波束最初被调整到与光纤耦合的最佳位置

结论

本研究展示了一种基于级联液晶波束操控组件的空间激光通信系统的系统级实现方案。通过研究液晶器件的动态切换行为，我们分析了瞬态相位畸变对光功率稳定性以及通信性能的影响。实验结果表明，该系统能够在10°的观测范围内实现连续波束跟踪，闭环静态指向精度可达2微弧度，同时还能支持

声明

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CRediT作者贡献说明

孙明阳：论文撰写——初稿撰写、验证、方法设计、研究实施、数据整理、概念构思。高多瑞：论文撰写——审阅与编辑、项目管理、资金筹集。何明泽：方法设计、研究实施、数据整理。邵文：方法设计、数据整理。姚斌：方法设计、数据整理。金虎民：研究实施。白兆峰：资源协调。王伟：项目管理、资金筹集。谢晓鹏：论文撰写——审阅与编辑、监督、项目整体统筹

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

资金支持：本项目得到了国家自然科学基金（62305378）、西安市自然科学基金（2025JH-ZRKX0576）以及国家超快光学科学和技术重点实验室自主研究基金（2025CKZZ01）的支持。

Mingyang Sun|Duorui Gao|Mingze He|Wen Shao|Bin Yao|Humin Jin|Zhaofeng Bai|Wei Wang|Xiaoping Xie