ما هو جيروسكوب الألياف الضوئية السيليكونية؟ إعادة تعريف الملاحة باستخدام جيروسكوبات الألياف الضوئية على مستوى الرقاقة

في مجال الملاحة بالقصور الذاتي، غالبًا ما يبدو أن الدقة والحجم في حالة تناقض. في حين أن الجيروسكوبات الضوئية الليفية التقليدية عالية الدقة (FOGs) تقدم أداءً استثنائيًا، فإن داراتها الضوئية المعقدة وتغليفها الدقيق يمثلان تحديات كبيرة للتطبيقات التي تتطلب تصغيرًا شديدًا وفعالية من حيث التكلفة. ومع ذلك، فإن ثورة تكنولوجية مدفوعة بالفوتونات السيليكونية تعمل بهدوء على تغيير هذا المشهد—يهدف الجيروسكوب الليفي الفوتوني السيليكوني، وهو مفهوم يبدو مستقبليًا، إلى تغليف أنظمة الملاحة البصرية بأكملها داخل شريحة واحدة.

من نظام سطح المكتب إلى شريحة طرف الإصبع: ثورة التصغير

لفهم الطبيعة التخريبية للجيروسكوب الفوتوني السيليكوني، يجب علينا أولاً فحص تصميم الجيروسكوب التقليدي.

لا تتكون جوهر الجيروسكوب الليفي البصري متوسط إلى عالي الدقة من ملف ألياف بصرية بطول كيلومتر واحد فحسب، بل يتكون أيضًا من شريحة بصرية متكاملة (دليل موجي على شكل حرف Y). عادة ما يتم تصنيع هذه الشريحة من نيوبات الليثيوم، وتدمج وظائف مهمة مثل تقسيم الضوء وتعديل الطور، وتعمل بمثابة "مركز مرور" للمسار البصري. ومع ذلك، فإنها تظل مكونًا منفصلاً بحجم الملليمتر يتطلب محاذاة دقيقة ولحامًا مع مصدر الضوء والكاشف والمقرن والمكونات الأخرى.

الفكرة الأساسية لتقنية الفوتونات السيليكونية هي دمج العديد من المكونات البصرية المنفصلة، بما في ذلك وظيفة الدليل الموجي على شكل حرف Y، على شريحة سيليكون واحدة باستخدام عمليات تصنيع أشباه الموصلات الناضجة.

تخيل هذا: العديد من "لبنات البناء" البصرية التي تتطلب في الأصل تجميعًا دقيقًا مصممة مباشرة كأدلة موجية على نطاق ميكرو-نانو، ومعدلات، ومقسمات حزمة، وكلها مصنعة في ركيزة سيليكون واحدة من خلال الطباعة الحجرية. تجتاز إشارات الضوء وتعالج داخل أدلة موجية سيليكونية على نطاق دون ميكرون، مما قد يقلل من حجم النظام ووزنه بمقدار حجم واحد مع تحسين كفاءة الإنتاج واتساقه بشكل كبير.

الشكل: مسار بصري منفصل معقد للجيروسكوب الليفي البصري التقليدي (يسار) مقابل. بنية تعتمد على الشريحة للجيروسكوب المدمج بالسيليكون (يمين)

2. لماذا السيليكون؟ تقليل أبعاد عملية CMOS

اختيار السيليكون متعمد، لأنه يوفر مزايا صناعية لا مثيل لها:

1. مزايا العملية: تتوافق الفوتونات السيليكونية بشكل كبير مع عمليات الدوائر المتكاملة CMOS التي قادت عصر المعلومات. وهذا يعني أنه يمكن الاستعانة بمصادر خارجية لتصنيع رقائق الفوتونات السيليكونية إلى مصانع أشباه الموصلات الراسخة عالميًا مثل TSMC و SMIC. بمجرد الانتهاء من التصميم، يمكن تحقيق إنتاج على مستوى الرقاقة على نطاق واسع وعالي الدقة، وهو أمر أساسي للانتقال إلى ما وراء إنتاج "ورشة العمل" البصرية التقليدية وتمكين تخفيضات التكلفة الهائلة.

2. تكامل فائق: يقل حجم الأدلة الموجية السيليكونية بمقدار درجتين من حيث الحجم عن حجم نوى الألياف البصرية، مما يتيح دمج الدوائر البصرية المعقدة على رقائق بحجم ظفر الإصبع. في المستقبل، قد يكون من الممكن تجميع مصادر الضوء والكاشفات الدقيقة على نفس الشريحة من خلال تقنية التكامل غير المتجانس، والتقدم نحو "نظام الكل في واحد على شريحة."

3. ميزات أداء جديدة: تظهر المواد السيليكونية تأثيرات حرارية بصرية واضحة (مع اختلافات كبيرة في معامل الانكسار المعتمد على درجة الحرارة). في حين أن هذا يمثل تحديات للاستقرار، فإنه يمكّن بشكل متناقض من تصنيع بسيط بشكل استثنائي لمعدلات الطور الحرارية البصرية عالية السرعة ومنخفضة الطاقة، مما يسهل تطوير أنظمة كشف الحلقة المغلقة المتقدمة.

الشكل: رقاقة فوتونية سيليكونية مصنعة باستخدام عملية CMOS (يسار) ومنظر مجهري لبنية الدليل الموجي السيليكوني (يمين)

ثالثًا. الظلام قبل الفجر: الذروة التقنية التي يجب معالجتها

في حين أن الرؤية جميلة، فإن الطريق إلى التصنيع الصناعي مليء بالأشواك. يواجه الجيروسكوب الفوتوني السيليكوني حاليًا العديد من التحديات الأساسية، وكلها تتقارب على هدف واحد: كيفية تحقيق تصغير شديد دون التضحية، أو حتى تعزيز، "روح" الجيروسكوب—دقتها واستقرارها.

التحدي 1: من الصعب "ترويض" الاستقطاب. تظهر الأدلة الموجية السيليكونية بطبيعتها اعتمادًا قويًا على الاستقطاب (الانكسار المزدوج)، في حين أن الجيروسكوب عالي الدقة يتطلب من المسار البصري الحفاظ على حالة استقطاب نقية ومستقرة للغاية. لا يزال تحقيق التحكم الفعال في الاستقطاب والترشيح على الرقائق يمثل التحدي الأساسي. حاليًا، يركز الباحثون على تصميم هياكل دليل موجي متخصصة أو تطوير معماريات جيروسكوب مستقلة عن الاستقطاب.

التحدي 2: فقدان الضوء المفرط "داخل/خارج". هذا هو عنق الزجاجة الأكثر إلحاحًا. يبلغ قطر المجال النمطي للألياف أحادية النمط حوالي 9 ميكرومتر، بينما يبلغ قياس الأدلة الموجية السيليكونية حوالي 0.5 ميكرومتر فقط. عند اقتران هذين النظامين، يشبه الأمر محاولة توجيه مياه النهر إلى أنبوب ضيق—مما يؤدي إلى فقدان اقتران كبير. يكمن الحل في تصميم "محولات مجال النمط" المتطورة، مثل الأدلة الموجية المخروطية المقلوبة أو مقرنات الشبكة، والتي تعمل كـ "قمع" للإشارة الضوئية.

الشكل: عدم تطابق حجم مجال النمط الشديد بين الألياف أحادية النمط والدليل الموجي السيليكوني يؤدي إلى فقدان اقتران كبير

التحدي 3: آثار جانبية حساسة لدرجة الحرارة. يعتبر المعامل الحراري العالي للسيليكون سيفًا ذا حدين. في حين أنه يبسط تصميم المعدل، فإنه يجعله أيضًا عرضة لتقلبات درجة الحرارة الخارجية، مما يجعله عرضة للضوضاء الطورية الناجمة عن الحرارة. يتطلب هذا تجهيز النظام بالتحكم الدقيق في درجة الحرارة أو خوارزميات التعويض المتقدمة في الوقت الفعلي.

التحدي 4: استكشاف مواد جديدة. لا تزال الخسارة والتأثيرات غير الخطية للأدلة الموجية المصنوعة من السيليكون النقي تمثل عقبات أمام تحقيق دقة أعلى. لذلك، تستكشف الصناعة أيضًا استخدام مواد مثل نتريد السيليكون أو ثاني أكسيد السيليكون كنوى دليل موجي، والتي تظهر خسارة أقل وتوافقًا أفضل مع الألياف البصرية، وإن كان ذلك مع زيادة تعقيد العملية.

رابعًا. المخطط المستقبلي: من المختبر إلى الكون الشاسع

على الرغم من التحديات العديدة، فقد أصبح مسار تطور الجيروسكوب الفوتوني السيليكوني واضحًا:

على المدى القصير (1-3 سنوات): التركيز على التطبيقات التكتيكية (استقرار التحيز الصفري 1-10°/ساعة). السوق المستهدف هو الطائرات بدون طيار الاستهلاكية والروبوتات والمركبات ذاتية القيادة والأجهزة المحمولة التي تتطلب بشكل عاجل حلولًا مصغرة ومنخفضة التكلفة. في هذا المستوى، سيتم إثبات مزايا الحجم والتكلفة للجيروسكوب الفوتوني السيليكوني أولاً، مع أداء كافٍ لتلبية المتطلبات.

على المدى المتوسط (3-10 سنوات): مع تقليل فقدان الاقتران وتكنولوجيا التحكم في الاستقطاب الناضجة، من المتوقع أن تصل الدقة إلى مستوى الملاحة بالقصور الذاتي. سيبدأ هذا التقدم في تآكل السوق متوسط المدى للجيروسكوبات التقليدية، مع تطبيقات في الملاحة الصناعية المتطورة والطائرات بدون طيار متوسطة الحجم والذخائر الموجهة بدقة.

الرؤية طويلة المدى: تحقيق "جيروسكوبات على الرقائق". من خلال دمج الليزرات والمضخمات وأجهزة الكشف من خلال تقنية التكامل غير المتجانس، وحتى استكشاف التصنيع المباشر لـ "الأدلة الموجية الحلزونية على الرقاقة" منخفضة الخسارة لتحل محل بعض ملفات الألياف البصرية، سيؤدي هذا إلى إحداث ثورة في شكل المستشعرات بالقصور الذاتي. سيوفر حلول الملاحة الذاتية المطلقة للأقمار الصناعية الصغيرة والملاحة في الجسم الحي وإنترنت الأشياء.

الشكل: خريطة طريق التطوير وسيناريوهات التطبيق المستقبلية لتقنية الجيروسكوب الفوتوني السيليكوني

الخلاصة: تحول نموذجي صامت

الجيروسكوب الليفي البصري السيليكوني ليس مجرد ترقية تكنولوجية معينة، ولكنه يمثل تحولًا نموذجيًا: فهو ينقل الملاحة بالقصور الذاتي من عصر البصريات الميكانيكية الدقيقة إلى عصر الإلكترونيات الضوئية المتكاملة بأشباه الموصلات. منافسوها ليسوا فقط الجيل السابق من الجيروسكوبات الليفية، ولكن أيضًا الجيروسكوبات MEMS والليزرية التي تتقدم بسرعة.

تكمن جوهر هذه المنافسة في تحقيق توازن متعدد الأبعاد بين الدقة والتكلفة والحجم واستهلاك الطاقة. بفضل قدرات التكامل الكامنة وإمكانات التصنيع، من المقرر أن يحدث الجيروسكوب الفوتوني السيليكوني تأثيرًا كبيرًا في سوق الدقة المتوسطة إلى المنخفضة على مدى العقد المقبل، وإعادة تعريف مشهد صناعة الملاحة.

سوف يتسارع عصر الذكاء المستقل حقًا عندما تصبح أنظمة الملاحة قابلة للتصنيع على نطاق واسع مثل الرقائق. هذه الرقصة الصامتة للضوء داخل أعماق الرقائق توجهنا بهدوء نحو هذا المستقبل.

يتخلص جهاز LKF--FS40 silicon photogyro من مبادئ تصميم الجيروسكوب الليفي البصري التقليدي من خلال اعتماد مسار بصري فوتوني سيليكوني متكامل. كجهاز استشعار معدل زاوي منخفض الدقة للتطبيقات التحكمية، فإنه يستخدم على نطاق واسع في أنظمة القياس والتحكم بالقصور الذاتي. بالاعتماد على تصميمات المنتجات الناضجة، يشتمل الجهاز على تحسينات هندسية متعددة للإنتاج الضخم، مما يوفر فعالية استثنائية من حيث التكلفة.