可重构SiC光栅集成PDMS：面向大气光通信网络的便携式多点传输新方法

《Light-Science & Applications》：Reconfigurable SiC gratings in PDMS: a portable approach for atmospheric optical communication networks

为解决自由空间光通信(FSOC)系统在微平台应用中存在的笨重机械转向装置限制节点容量与动态适应性的难题，研究人员开展了基于飞秒激光诱导碳化硅沉淀的可重构SiC光栅研究。该研究通过将SiC光栅直接制备于拉伸性PDMS薄膜内部，实现了91.9%的高透光率、百毫弧度级动态光束偏转能力，并在225米户外实验中成功构建了10 Gbps的1对7（一维）和1对9（二维）通信链路。此项工作为无人机、微卫星等空间微平台构建长距离、多节点、大容量的FSOC网络奠定了技术基础。

　　

随着空间信息网络的快速发展，自由空间光通信(FSOC)凭借其高带宽、强抗干扰性和保密性优势，成为空天地一体化网络的核心传输技术。然而传统FSOC系统采用点对点通信模式，每个节点需配备多套光学发射器，依赖笨重的机械转台和精密控制镜片进行光束偏转，导致系统重量达数公斤甚至数十公斤。这种架构严重制约了在微卫星、无人机等低负载平台上的应用可行性。虽然近年来微机电系统(MEMS)和液晶器件努力实现小型化，但复杂控制系统仍难以满足多节点动态通信的实时性要求。

为解决这一瓶颈，长春理工大学马万卓团队在《Light: Science & Applications》发表研究成果，提出了一种基于可重构碳化硅(SiC)光栅的便携式点对多点FSOC新方案。该研究通过飞秒激光直写技术在聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜内部制备SiC光栅，利用其独特的机械可调特性实现动态多光束分束与偏转，为空间微平台构建轻量化、高容量的通信网络提供了创新路径。

关键技术方法主要包括：1）通过飞秒激光诱导PDMS热解形成SiC微栅格结构（脉冲能量0.5 μJ，扫描速度5 mm/s）；2）采用分子动力学模拟验证激光加热过程中Si-C键形成机制；3）设计方形拉伸装置实现光栅周期从10 μm至13.8 μm的可逆调控；4）在225米实际大气信道下进行1D/2D多点通信实验，使用10 Gbps伪随机二进制序列(PRBS)信号评估系统性能。

设计原理

研究团队构建了基于可重构光栅的点对多点FSOC系统架构。通过将单路激光束动态分束为多路衍射光束，实现了1D线性阵列（1对3通信）和2D平面阵列（1对9通信）的灵活配置。有限元分析表明，传统表面光栅在拉伸时因条纹与基底弹性模量不匹配易产生结构畸变，而内部光栅采用方形拉伸方式可保持平面结构完整性，有效抑制光束失真。

可重构SiC光栅制备

利用飞秒激光在PDMS内部诱导碳化沉淀形成SiC光栅，峰值功率密度达2.84×10¹² W/cm²。分子动力学模拟显示激光加热使PDMS解离后重新形成Si-C晶体。制备的光栅尺寸为1 cm×1 cm×0.08 cm，重量仅0.4 g，在1550 nm波长透光率达91.9%。扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征证实光栅周期10 μm，SiC晶格间距0.244 nm，元素分析显示激光处理区硅含量提升至76.6%。

光束偏转特性

通过机械拉伸实现光束动态控制，1D系统满足衍射方程dsinθ=mλ，在38%拉伸率下±5级衍射角达299 mrad。二维级联系统由两个正交光栅构成，可独立控制X/Y方向偏转（最大偏转角47.8 mrad）。衍射光束M²因子始终低于1.35，显著优于表面光栅（M²>1.5），且衍射效率与激光偏振态无关。

点对多点FSOC系统构建

在模拟大气信道中测试不同湍流强度（大气相干长度r₀=0.66-30 cm）下的传输性能。当接收功率为-18 dBm时，-3级光束误码率(BER)为9.2×10^-8，信噪比(SNR)达12.06 dB。二维系统在r₀=0.66 cm条件下，（+1,+1）级光束BER为7.3×10^-7，证实高阶光束具备大气湍流抵抗能力。

户外大气FSOC实验

225米实际链路测试中，通过调节光栅拉伸率（0-37.8%）实现1D系统7节点、2D系统9节点的动态连接。在37.8%拉伸率下，-3级光束BER为5.83×10^-7，（+1,+1）级光束BER为2.24×10^-7。系统成功传输936 MB视频数据，各衍射阶次音画质量一致，验证了实际应用可靠性。

该研究通过材料创新与结构设计，解决了可重构光栅在大气信道传输中的光束畸变难题。内部SiC光栅结合方形拉伸方法，在保持91.9%高透光率的同时实现百毫弧度级动态偏转，其0.4 g的轻量化特性显著优于传统机械转向系统。户外实验证明该系统可支持Gbps级多节点通信，为微卫星星座、无人机群等场景提供了便携式FSOC网络解决方案，将传统传输距离提升两个数量级。未来通过优化光栅设计与结合自适应光学技术，有望进一步拓展其在长距离空天地通信网络中的应用潜力。