可重构SiC光栅突破空间微小平台激光通信组网瓶颈——长春理工大学姜会林院士团队联合 ...

导读

近日，长春理工大学姜会林院士团队联合吉林大学张永来教授团队，利用飞秒激光加工技术在PDMS内部制备了可重构SiC光栅，构建了级联SiC光栅发射单元，在225米的真实大气信道中实现了1对9的动态激光信息传输，大幅度降低了光学发射单元的体积重量。为空间微小平台的激光通信组网提供全新的解决方案，为构建智能化、轻量化、一体化空间信息网络提供重要支撑。

相关研究成果以“Reconfigurable SiC gratings in PDMS: A portable approach for atmospheric optical communication networks ”为题发表在国际顶尖光学期刊《Light：Science & Applications》。马万卓副教授和博士生付颜玮为共同第一作者，马万卓副教授、韩冬冬教授、董科研教授、张永来教授为共同通信作者。

行业背景

空间激光通信，是以激光作为信息载体，以自由空间作为传输介质，实现高速信息传输的新一代无线通信技术，具有带宽高、抗干扰、保密性好的特点。

空间激光通信组网，是指在卫星、飞机、飞艇、舰艇、地面基站等空间节点间建立的高速激光信息网络，是天空地海立体化信息网络的重要组成部分。

技术难点与挑战

目前在旋翼无人机、小型车辆和舰艇等低空微小平台间建立空间激光通信组网仍存在重要挑战：

其一，核心器件层面，为克服随机大气信道对激光光束畸变的影响，空间激光通信系统需要配备复杂的光学收发与光束控制结构，导致微小平台难以承载；

其二，传输方法层面，空间激光通信通常为点对点的工作模式，对于节点数为N的空间网络，为实现任意节点间的激光互传，每个节点需要搭载N-1个独立的激光通信终端，严重限制了空间节点数量。

团队开展的工作

近日，长春理工大学姜会林院士团队联合吉林大学张永来教授团队利用飞秒激光加工技术在PDMS内部制备了可重构SiC光栅，构建了级联SiC光栅发射单元，在225米的真实大气信道中实现了1对9的动态激光信息传输，大幅度降低了多节点激光发射器件的体积重量，有效增加空间组网节点数量。

图1. 基于可重构SiC光栅的大气激光通信组网示意图。

研究创新与亮点

4.1 可重构SiC光栅的制备

研究团队以PDMS薄膜为初始材料，通过将飞秒激光聚焦于薄膜内部，利用多光子吸收效应诱导PDMS向SiC的转化（图2），光栅在1.55μm波段呈现高透过率与高衍射效率，单光栅重量仅为0.4g。

图2. 可重构SiC光栅制备原理与表征（a）飞秒激光与PDMS作用原理（b）可重构SiC光栅实物（c）内部SiC栅线（d）SiC的TEM照片。

4.2 基于可重构SiC光栅的多光束调控

在上述基础上设计了基于可重构SiC光栅的多光束偏转系统，通过外部应力独立或协同调控正交级联分布的可重构SiC光栅，可分别实现多阶衍射光束的一维和二维偏转（图3a左），通过经典光栅方程可构建偏转角度与光栅周期形变的数值关系。

动态调控过程中高阶衍射光束通常会出现光束质量劣化，这主要是由可重构SiC光栅在应力驱动下的结构畸变造成的，团队通过设计方向同步拉伸方法及装置（图3a右），取代常规两侧拉伸机制，改善了薄膜的中心凹陷。调控过程中光栅的栅区呈现均匀形变（图3b），从而实现多光束的一维和二维偏转（图3c、d）。

图3. 基于可重构SiC光栅的多光束调控（a）多光束扫描实验系统（b）动态调控下可重构SiC光栅的显微图像（c）一维光束偏转特性（d）二维光束偏转特性。

4.3 大气信道一对多激光通信演示验证

进一步地，在真实大气信道中开展了一对多激光通信验证。选取长春理工大学科技大厦作为发射端，研究生楼作为接收端，实现了1对9的同时激光信息传输，单个节点传输速率为10 Gbps，通信距离为225米（图4a-f）。同时还具备动态通信能力，以±1阶光束为例，其在X和Y方向的动态范围均为0-47.8 mrad。除了传输PRBS测试信号外，还实时传输了视频文件，充分验证了该系统在真实大气信道中具备可靠的数据传输能力（图4g）。

图4. 大气信道中一对多激光通信（a）一维链路示意图（b）发射端（c）发射系统（d）一维链路接收端（e）二维链路示意图（f）二维链路接收端（g₁）传输视频截图（g₂）视频语音片段。

应用场景与未来展望

研究团队制备了面向大气激光通信组网的可重构SiC光栅，实现了多光束的低畸变动态偏转，并在真实大气信道中实现了1对9节点模式的激光传输。该核心器件及实验系统适用于无人蜂群、微小卫星、地面车辆等轻量化平台的激光通信组网。

未来可考虑采用集成电子学、化学驱动等多种非机械驱动方式提升光束调控精度，并通过配置伺服系统实现多光束的同时动态跟瞄。该技术或将在天空地海立体化网络建设中发挥重要作用。

论文信息

Ma, W., Fu, Y., Han, D. et al. Reconfigurable SiC gratings in PDMS: a portable approach for atmospheric optical communication networks. Light Sci Appl 14, 393 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41377-025-02060-0

编辑：丁帅

来源：Light新媒体

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