太空雷射通訊光軸控制技術 ― 壓電致動器與FSM應用
僅1 µrad的角度誤差，就可能造成10公里外的雷射光束偏移約1公分。
隨著低軌衛星（LEO）通訊技術快速發展，太空雷射通訊逐漸成為新一代高速資料傳輸的重要技術。然而，雷射光束具有高度指向性，即使是極微小的角度偏差，也可能影響遠距離通訊的穩定性。
因此，如何透過高精度光軸控制機構，即時補償振動、溫度變化及外部環境造成的光束偏移，已成為太空雷射通訊系統設計的重要課題。
CONTENTS 文章大綱
近年來，隨著低軌通訊衛星（Low Earth Orbit, LEO）規模持續擴大，太空中所處理的資料量也快速增加。
傳統無線電通訊（Radio Frequency, RF）逐漸面臨頻寬及傳輸容量的限制，而太空雷射通訊（Space Laser Communication）具備高速、大容量傳輸的優勢，同時有利於通訊設備的小型化與降低功耗。
透過雷射光束直接建立衛星間的通訊鏈路，可提升更高效率的通訊網路，因此被視為下一代衛星通訊的重要技術之一。
在雷射光通訊中，必須將雷射光精準指向遠距離的通訊對象。相較於RF通訊的電波，雷射光具有更高的指向性，且光束發散角相對較小，因此需要高精度控制發射端與接收端的對準。
隨著通訊距離增加，即使只有極小的角度誤差，經過10 km的距離後，也可能造成明顯的光束偏移。只要光束產生些微偏移，就可能使接收光量大幅下降，進而導致通訊速度降低，甚至造成通訊中斷。為維持穩定的通訊品質，高精度的光軸控制技術至關重要。
以下以 10 公里傳輸距離為例：
| 角度誤差 | 偏移量 |  |
| 10 mrad (0.57度) | 100 m | |
| 1 mrad (0.057度) | 10 m | |
| 10 µrad (0.00057度) | 100 mm | |
| 1 µrad (0.000057度) | 10 mm |
實際運作環境中還可能受到以下因素影響：「機械振動」、「環境變化」、「大氣擾動」等因素，而產生細微的偏移。
因此，需要透過高速、高精度修正微小角度偏差的光軸控制機構 — FSM（Fast Steering Mirror，高速轉向反射鏡），以維持光束對準精度及通訊品質。
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 大氣擾動
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 擾動補償
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在太空雷射通訊應用中，光軸控制機構必須具備「高速響應」、「高解析度」和「穩定的重複定位」，才能確保雷射光束精準對準目標，維持通訊品質。
尤其在長距離且需要高解析度控制的應用中，採用「壓電致動器（Piezo Actuator／壓電元件）」的FSM控制機構相當適合。
主要特點包括：
- 高速響應：控制頻寬可達數百Hz至數kHz等級，適合快速修正光軸偏移。
- 高解析度： 可實現奈米弧度至微弧度等級的精細角度控制。
- 無摩擦、無背隙：採用彈性鉸鏈機構，無摩擦與背隙問題。
- 小型輕量化：有助於整合至空間受限、對重量敏感的光學系統。
在實現高速、高精度的微小定位控制方面，壓電致動器具有明顯優勢；然而，若應用需要較大的移動行程或角度調整範圍，則較適合採用馬達驅動。
- 壓電驅動：高速響應、高解析度、微小角度及精密定位控制
- 馬達驅動：大範圍移動、較大角度調整
此外，雖然壓電平台具備高速響應與高解析度的優勢，但也會受到所搭載反射鏡的重量與慣性影響。若要實現高速且穩定的光軸控制，除了致動器本身的性能外，也需要依據需求規格，將反射鏡的輕量化與小型化納入設計考量。
- 設備內部空間有限，標準品無法直接安裝。
- 現有產品無法符合所需的反射鏡尺寸或有效孔徑。
- 響應速度或角度調整範圍不足。
- 高速驅動時，擔心發熱影響系統穩定性。
- 標準產品無法滿足特殊規格，需評估客製化設計。
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THK PRECISION 具備超過 25 年的精密定位技術經驗，可從設備開發初期提供技術諮詢，並依實際應用需求討論標準品或客製化方案。
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我們不以既有產品規格作為選型的唯一依據，而是從了解客戶的實際應用需求與技術限制開始，評估最合適的光軸控制方案。
建議先確認以下關鍵條件：
- 反射鏡尺寸與重量： 預計搭載的反射鏡的尺寸、重量等規格。
- 所需角度調整範圍： 光軸控制所需的偏轉角度及動作範圍。
- 動作頻率與響應速度： 系統所需的控制頻率、響應速度等動態性能要求。
透過上述條件的整理與評估，我們將進一步確認現有標準產品是否能滿足需求、是否需要客製化設計，以及技術上的可行性，提供您符合實際應用條件的解決方案。
單軸回轉型 PT1C
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PT1C60-800SL 型 最大偏轉角：800″（3.9 mrad） 解析度：0.05″（0.24 µrad） 共振周波數：640 Hz（無負載時） 內建位移感測器：電容式
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單軸傾角型 PT1G
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PT1G100-300SL 型 最大偏轉角：300″（1.5 mrad） 解析度：0.02″（0.10 µrad） 共振周波數：260 Hz（無負載時） 內建位移感測器：電容式
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雙軸傾角（＋Z軸）型 PT3V
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PT3V80F-400SL 型 最大傾斜角：±400″（±1.9 mrad） 升降（Z）：100 µm 解析度：傾斜 0.02″（0.10 µrad）、升降（Z）2 nm 共振周波數：270 Hz（無負載時） 內建位移感測器：電容式
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單軸／雙軸傾角型・光學反射鏡對準
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PT2M60-240SL 型 最大偏轉角（θx、θy）：240″（1.2 mrad） 解析度：0.05″（0.24 µrad） 解析度：傾斜 0.02″（0.10 µrad）、升降（Z）2 nm 共振周波數：760 Hz（無負載時） 內建位移感測器：電容式
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壓電控制器
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類比控制器
壓電控制器整合了控制電路、驅動器及位移感測器放大器，可直接連接壓電定位平台，進行閉迴路控制（Closed-loop Control）。 |
透過位移感測器即時回饋位置資訊，控制器能持續修正壓電元件因遲滯效應（Hysteresis）及蠕變現象（Creep）所產生的位移誤差，實現高精度且穩定的定位控制。
此外，在高速驅動或微小振動、擾動補償等應用中，系統通常更重視響應速度，因此也可關閉回授控制（Servo OFF）的方式，以滿足高速動態控制需求。
壓電驅動器
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適用於開迴路控制（Open-loop Control），或控制器內建驅動器的輸出電流不足時，可搭配外接式驅動器，提供壓電定位平台所需的驅動能力。 |
※ 壓電致動器在一般定位操作時，通常幾乎不需要電流；當系統需要更高的驅動頻率或響應速度時，可能需要搭配具備較高輸出電流能力的外接式壓電驅動器，以滿足高速動態控制需求。
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當單軸所需的角度調整範圍約為±1°時，可選用壓電馬達驅動型旋轉定位滑台。
不過，由於其動作速度相對較慢，對於需要高速響應與即時光軸修正的太空雷射通訊應用，可能較不適合。
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因此，若應用需求以高速、微小角度修正為主，建議優先評估壓電致動器驅動的快速反射鏡（FSM）；若需要較大角度的精密調整，則可考慮壓電馬達驅動型旋轉定位平台。
Q1.目前尚未確定完整規格，可以先進行技術評估嗎？
A. 可以。即使設備仍處於概念設計階段，也能先針對所需性能、安裝空間及其他限制條件進行討論，評估技術可行性。
Q2. 只有 1 台的試作需求，也可以諮詢嗎？
A. 可以。THK PRECISION 具備單件客製化的相關經驗，可依實際規格與需求評估開發可行性。
Q3. 除了太空雷射通訊，還能應用於哪些領域？
A. 除了太空雷射通訊，我們也能針對其他精密控制應用進行技術討論，包括：
· 高精度定位與微小角度控制
· 反射鏡角度調整及光軸控制
· 高速掃描機構
· 光學系統精密對位與調整機構
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2026.10.20