Wat is Silicon Photonic FOG?

In het domein van de traagheidsnavigatie lijken nauwkeurigheid en grootte vaak tegenstrijdig.hun ingewikkelde optische circuits en zorgvuldige verpakking vormen een belangrijke uitdaging voor toepassingen die extreme miniaturisatie en kostenefficiëntie vereisenToch verandert een technologische revolutie, gedreven door siliciumfotonica, dit landschap stilletjes.—de siliciumfotonische glasvezel gyroscoop, een futuristisch klinkend concept, heeft tot doel om hele optische navigatiesystemen in één chip te verpakken.

Van desktop-systeem tot vingerpuntschip: een miniaturisatie-revolutie

Om de ontwrichtende aard van siliciumfotonische FOG te begrijpen, moeten we eerst het ontwerp van de conventionele FOG onderzoeken.

De kern van een glasvezelgyroscoop met een gemiddelde tot hoge precisie bestaat niet alleen uit een kilometerlange glasvezelspoel, maar ook uit een geïntegreerde optische chip (Y-golfgeleider).Meestal vervaardigd van lithiumniobate, deze chip integreert kritieke functies zoals lichtsplitsing en fase-modulatie, en dient als "verkeershub" van het optische pad.het blijft een discrete component op millimeter schaal die een precieze uitlijning en soldering met de lichtbron vereist, detector, koppeling en andere componenten.

Het kernconcept van siliciumfotonica is het integreren van meerdere discrete optische componenten, waaronder Y-golfgeleiderfunctionaliteit.met een vermogen van meer dan 50 W,.

Stel je dit voor: meerdere optische 'bouwstenen' die oorspronkelijk een precieze assemblage vereisten, zijn direct ontworpen als micro-nano-schaalgolfleiders, modulatoren en straalsplitters,met een gewicht van niet meer dan 10 kgLichtsignalen gaan door en worden verwerkt in siliciumgolfleiders op submicron schaal.het volume en het gewicht van het systeem met een orde van grootte kunnen verminderen en tegelijkertijd de productie-efficiëntie en -consistentie aanzienlijk verbeteren;.

Figuur: Complex discrete optisch pad van traditionele glasvezel gyroscoop (links) versus chip-gebaseerde architectuur van silicium-geïntegreerde FOG (rechts)

2De dimensievermindering van CMOS-proces

De keuze voor silicium is opzettelijk, omdat het ongeëvenaarde industriële voordelen biedt:

1Procesvoordelen: Silicon fotonica is zeer compatibel met de CMOS-integrated circuit processen die het informatietijdperk hebben aangedreven.Dit betekent dat de productie van silicium fotonica chips kan worden uitbesteed aan wereldwijd gevestigde halfgeleider gieterijen zoals TSMC en SMICZodra het ontwerp is afgerond, kan grootschalige, hoogprecieze productie op waferniveau worden bereikt.Dit is de sleutel tot het verplaatsen van de traditionele optische "handgemaakte werkplaats" productie en het mogelijk maken van exponentiële kostenverlagingen.

2Ultrahoge integratie: de grootte van siliciumgolfleiders is twee ordes kleiner dan die van optische vezelkernen,met een vermogen van meer dan 50 W,In de toekomst kan het zelfs mogelijk zijn om micro-lichtbronnen en detectoren op dezelfde chip te monteren door middel van hetero-integratietechnologie, waardoor er vooruitgang wordt geboekt in de richting van een "all-in-one systeem op een chip".

3. Nieuwe prestatiekenmerken: siliciummaterialen vertonen uitgesproken thermo-optische effecten (met significante temperatuur-afhankelijke variaties van de brekingsindex).Het maakt paradoxaal genoeg een uitzonderlijk eenvoudige fabricage mogelijk van hogesnelheids-, thermo-optische fase-modulatoren met een laag vermogen, die de ontwikkeling van geavanceerde detectiesystemen in gesloten kring vergemakkelijken.

Figuur: Silicon photonic chip wafer vervaardigd met behulp van CMOS proces (links) en microscopisch beeld van silicium golfgeleider structuur (rechts)

III. De duisternis voor de dageraad: de technische top die moet worden aangepakt

Hoewel de visie mooi is, is de weg naar industrialisatie vol doornen.Hoe kan je een extreme miniaturisatie bereiken zonder dat je je, of zelfs het versterken van de gyroscoop's 'ziel'—zijn nauwkeurigheid en stabiliteit.

Uitdaging 1: Polarisatie 'tamen' is moeilijk.Terwijl high-precision FOG vereist dat het optische pad een extreem zuivere en stabiele polarisatie staat te behoudenHet bereiken van efficiënte polarisatiecontrole en filtering op chips blijft de belangrijkste uitdaging.Onderzoekers richten zich op het ontwerpen van gespecialiseerde golfgeleiderstructuren of het ontwikkelen van polarisatie-onafhankelijke gyroscooparchitecturen.

Uitdaging 2: overmatig lichtverlies "in/uit". Dit blijft de meest dringende knelpunt.terwijl siliciumgolfleiders slechts ongeveer 0Als deze twee systemen gekoppeld zijn, is het net alsof je water van een rivier probeert te kanaliseren in een smalle buis.—De oplossing ligt in het ontwerpen van geavanceerde "modusveldomvormers", zoals omgekeerde kegelgolfleiders of roosterkoppelers.met een vermogen van niet meer dan 10 W. "

Figuur: Verschillen in grootte van het veld in ernstige modus tussen enkelmodusvezel en siliciumgolfgeleider resulteren in aanzienlijke koppeling verliezen

De hoge thermische coëfficiënt van silicium is een tweesnijdend zwaard.Het maakt de chip ook zeer gevoelig voor externe temperatuurschommelingen.Dit vereist dat het systeem is uitgerust met een precieze temperatuurregeling of geavanceerde realtime compensatie-algoritmen.

Uitdaging 4: Verkenning van nieuwe materialen: het verlies en de niet-lineaire effecten van zuivere siliciumgolfleiders blijven belemmeringen voor het bereiken van hogere precisie.De industrie onderzoekt ook het gebruik van materialen zoals siliciumnitried of siliciumdioxide als golfgeleiderkernen., die een lager verlies vertonen en een betere compatibiliteit met optische vezels vertonen, zij het met een dienovereenkomstig verhoogde procescomplexiteit.

IV. Toekomstige blauwdruk: van het laboratorium naar het uitgestrekte universum

Ondanks talrijke uitdagingen is het evolutiepad van siliciumfotonische FOG duidelijk geworden:

Kortetermijn (1-3 jaar): Concentratie op tactische toepassingen (stabiliteit zonder vooroordelen 1-10°De doelmarkt is drones, robots, autonome voertuigen en draagbare apparaten die dringend miniaturiseerde en goedkope oplossingen nodig hebben.de volume- en kostenvoordelen van siliciumfotonische FOG zullen eerst worden aangetoond, met een prestatie die voldoende is om aan de eisen te voldoen.

Middellange termijn (3-10 jaar): met verminderd koppelverlies en volwassen polarisatiebeheertechnologie zal de nauwkeurigheid naar verwachting het niveau van traagheidsnavigatie bereiken.Deze vooruitgang zal de middellange markt van traditionele FOG beginnen te ondermijnen., met toepassingen in high-end industriële navigatie, middelgrote drones en precisiegeleide munitie.

Langetermijnvisie: Het bereiken van "Gyroscopes on Chips". Door het integreren van lasers, versterkers en detectoren door middel van heterogene integratie technologie,en zelfs de directe fabricage van "on-chip spiraalgolfleiders" met lage verliezen verkennen om sommige glasvezel spoelen te vervangenHet zal de ultieme autonome navigatieoplossingen bieden voor microsatellieten, in vivo navigatie en het internet van alles.

Figuur: Ontwikkelingsroutekaart en toekomstige toepassingsscenario's van Silicon Photonic FOG-technologie

Conclusie: Een stille paradigmaverandering

De silicium-optische glasvezel gyroscoop is niet alleen een specifieke technologische upgrade, maar vertegenwoordigt een paradigmaverschuiving:Het is de overgang van traagheidsnavigatie van het tijdperk van de precision mechanische optica naar het tijdperk van de halfgeleider geïntegreerde opto-elektronica.De concurrenten zijn niet alleen de vorige generatie glasvezel gyroscopen, maar ook de snel vooruitstrevende MEMS gyroscopen en laser gyroscopen.

De essentie van deze concurrentie ligt in het bereiken van een multidimensionaal evenwicht tussen precisie, kosten, grootte en energieverbruik.,de silicon photonic FOG is klaar om in het komende decennium een aanzienlijke impact te hebben op de markt van midden- tot lage precisie, waardoor het landschap van de navigatie-industrie opnieuw wordt gedefinieerd.

Het tijdperk van werkelijk alomtegenwoordige autonome intelligentie zal versnellen wanneer navigatiesystemen net zo massaproductief worden als chips.Deze stille dans van licht in de diepten van chips leidt ons rustig naar die toekomst..

De LKF-FS40 siliciumfotogyro breekt af van de traditionele glasvezel-gyro-ontwerpprincipes door een geïntegreerd siliciumfotonisch optisch pad aan te nemen.Als een ideale laagprecise hoekfrequentiesensor voor besturingstoepassingenHet apparaat is gebaseerd op volwassen productontwerpen en bevat meerdere technische optimalisaties voor massaproductie.het leveren van uitzonderlijke kosteneffectiviteit.