Qu'est-ce qu'un FOG photonique au silicium ? Redéfinir la navigation avec des gyroscopes à fibre optique à l'échelle d'une puce

Dans le domaine de la navigation par inertie, la précision et la taille semblent souvent être en contradiction.Leur circuit optique complexe et leur emballage méticuleux posent des défis importants pour les applications exigeant une miniaturisation extrême et une efficacité de coûtPourtant, une révolution technologique menée par la photonique du silicium transforme ce paysage.Je ne sais pas.Le gyroscope en fibre photonique au silicium, un concept à l'air futuriste, vise à encapsuler des systèmes de navigation optique entiers dans une seule puce.

Du système de bureau à la puce à doigts: une révolution de la miniaturisation

Pour saisir la nature perturbatrice de la FOG photonique au silicium, nous devons d'abord examiner la conception de la FOG conventionnelle.

Le noyau d'un gyroscope à fibre optique de moyenne à haute précision comprend non seulement une bobine de fibre optique d'un kilomètre de long, mais également une puce optique intégrée (guide d'onde Y).Généralement fabriqués à partir de niobate de lithium, cette puce intègre des fonctions critiques telles que la scission de la lumière et la modulation de phase, servant de " moyeu de trafic " du chemin optique.il reste un composant discret à l'échelle millimétrique qui nécessite un alignement et une soudure précis avec la source lumineuse, détecteur, coupleur et autres composants.

Le concept de base de la technologie de la photonique au silicium est d'intégrer plusieurs composants optiques discrets, y compris la fonctionnalité de guidage d'onde en Y,sur une seule plaque de silicium utilisant des procédés de fabrication de semi-conducteurs matures.

Imaginez ceci: de multiples "blocs de construction" optiques qui nécessitaient à l'origine un assemblage précis sont directement conçus comme des guides d'ondes à l'échelle micro-nanométrique, des modulateurs et des séparateurs de faisceaux,tous fabriqués dans un seul substrat en silicium par lithographieLes signaux lumineux traversent et traitent à l'intérieur de guides d'onde en silicium à l'échelle sub-micronique.réduire le volume et le poids du système d'un ordre de grandeur tout en améliorant considérablement l'efficacité et la cohérence de la production.

Figure: Sentier optique discret complexe du gyroscope à fibre optique traditionnel (à gauche) par rapport à l'architecture basée sur une puce de FOG intégré au silicium (à droite)

2Pourquoi le silicium? La réduction des dimensions du processus CMOS

Le choix du silicium est délibéré, car il offre des avantages industriels inégalés:

1- Avantages du procédé: la photonique au silicium est hautement compatible avec les processus de circuit intégré CMOS qui ont conduit à l'ère de l'information.Cela signifie que la fabrication de puces de photonique au silicium peut être externalisée à des fonderies de semi-conducteurs mondialement établies comme TSMC et SMICUne fois la conception finalisée, une production à grande échelle et de haute précision au niveau des plaquettes peut être réalisée.qui est la clé pour aller au-delà de la production traditionnelle d'optique "artisanal" et permettant des réductions exponentielles des coûts.

2Intégration ultra-haute: la taille des guides d'ondes en silicium est de deux ordres de grandeur inférieure à celle des noyaux de fibres optiques.permettant l'intégration de circuits optiques complexes sur des puces de la taille d'un ongleDans l'avenir, il pourrait même être possible d'assembler des sources de micro-lumière et des détecteurs sur la même puce grâce à la technologie d'hétéro-intégration, en progressant vers un "système tout-en-un sur une puce".

3. Nouvelles caractéristiques de performance: les matériaux en silicium présentent des effets thermo-optiques prononcés (avec des variations significatives de l'indice de réfraction dépendant de la température).Paradoxalement, il permet une fabrication exceptionnellement simple de véhicules à grande vitesse, modulateurs de phase thermo-optiques à faible puissance, facilitant le développement de systèmes de détection de boucle fermée avancés.

Figure: Wafer à puce photonique au silicium fabriqué à l'aide du procédé CMOS (à gauche) et vue microscopique de la structure des guides d'onde au silicium (à droite)

III. L'obscurité avant l'aube: le sommet technique à relever

Si la vision est belle, la voie de l'industrialisation est pleine d'épines.comment obtenir une miniaturisation extrême sans sacrifier, ou même améliorer, l'âme du gyroscopeJe ne sais pas.sa précision et sa stabilité.

Les guides d'ondes au silicium présentent par nature une forte dépendance à la polarisation (birefringence),alors que la FOG de haute précision nécessite que la trajectoire optique maintienne un état de polarisation extrêmement pur et stableLa réalisation d'un contrôle efficace de la polarisation et du filtrage sur les puces reste le principal défi.Les chercheurs se concentrent sur la conception de structures spécialisées de guides d'ondes ou le développement d'architectures gyroscopiques indépendantes de la polarisation.

Défi 2: perte excessive de lumière "in/out". Ceci reste le goulot d'étranglement le plus pressant.alors que les guides d'ondes en silicium ne mesurent qu'environ 0Lorsque ces deux systèmes sont couplés, c'est comme essayer de canaliser l'eau d'une rivière dans un tuyau étroitJe ne sais pas.La solution réside dans la conception de "convertisseurs de champ de mode" sophistiqués, tels que des guides d'onde à cône inversé ou des accoupleurs à grille,qui agissent comme entonnoirs de signaux optiques. "

Figure: Le décalage de la taille du champ en mode sévère entre la fibre mono-mode et le guide d'onde en silicium entraîne une perte d'accouplement significative

Le coefficient thermique élevé du silicium est une épée à double tranchant.Il rend également la puce très sensible aux fluctuations de température externePour ce faire, le système doit être équipé d'un contrôle de température de précision ou d'algorithmes de compensation en temps réel avancés.

Défi 4: Exploration de nouveaux matériaux: la perte et les effets non linéaires des guides d'ondes en silicium pur restent des obstacles à la réalisation d'une plus grande précision.L'industrie explore également l'utilisation de matériaux tels que le nitrure de silicium ou le dioxyde de silicium comme noyaux de guides d'ondes., qui présentent une perte plus faible et une meilleure compatibilité avec les fibres optiques, bien qu'avec une complexité de processus correspondamment accrue.

IV. Le projet de l'avenir: du laboratoire à l'immense univers

Malgré de nombreux défis, le chemin d'évolution du FOG photonique au silicium est devenu clair:

À court terme (1-3 ans): axé sur les applications tactiques (stabilité zéro biais 1-10- Je ne sais pas.Le marché cible est constitué de drones de consommation, de robots, de véhicules autonomes et d'appareils portables nécessitant d'urgence des solutions miniaturisées et peu coûteuses.les avantages en termes de volume et de coût des FOG photoniques au silicium seront d'abord démontrés, avec des performances suffisantes pour répondre aux exigences.

À moyen terme (3-10 ans): avec une perte d'accouplement réduite et une technologie de contrôle de polarisation mature, la précision devrait atteindre le niveau de navigation par inertie.Cette avancée va commencer à éroder le marché de la gamme moyenne des FOG traditionnels., avec des applications dans la navigation industrielle haut de gamme, les drones de taille moyenne et les munitions à guidage de précision.

Vision à long terme: réaliser des " gyroscopes sur puces " en intégrant des lasers, des amplificateurs et des détecteurs grâce à une technologie d'intégration hétérogène.et même explorer la fabrication directe de "guides d'ondes spirales sur puce" à faible perte pour remplacer certaines bobines de fibre optiqueIl fournira des solutions de navigation autonomes ultimes pour les microsatellites, la navigation in vivo et l'Internet de tout.

Graphique: Carte de développement et scénarios d'application futurs de la technologie des FOG photoniques au silicium

Conclusion: Un changement de paradigme silencieux

Le gyroscope en fibre optique de silicium n'est pas seulement une mise à niveau technologique spécifique, mais représente un changement de paradigme:Elle transforme la navigation inertielle de l'ère de l'optique mécanique de précision à l'ère de l'optoélectronique intégrée à des semi-conducteurs.Ses concurrents ne sont pas seulement la génération précédente de gyroscopes à fibres, mais aussi les gyroscopes MEMS et les gyroscopes laser qui progressent rapidement.

L'essence de cette compétition réside dans la réalisation d'un équilibre multidimensionnel entre précision, coût, taille et consommation d'énergie.,Les FOG photoniques au silicium sont prêts à avoir un impact significatif sur le marché de la précision moyenne à basse au cours de la prochaine décennie, redéfinissant le paysage de l'industrie de la navigation.

L'ère de l'intelligence autonome véritablement omniprésente s'accélérera lorsque les systèmes de navigation deviendront aussi faciles à fabriquer que les puces.Cette danse silencieuse de lumière dans les profondeurs des puces nous guide tranquillement vers ce futur.

Le photogyro en silicium LKF-FS40 rompt avec les principes de conception traditionnels des gyros en fibre optique en adoptant un chemin optique photonique en silicium intégré.En tant que capteur de vitesse angulaire de faible précision idéal pour les applications de contrôle, il est largement utilisé dans les systèmes de mesure et de contrôle par inertie.offrir une rentabilité exceptionnelle.