Τι είναι το Φωτονικό FOG Πυριτίου; Επαναπροσδιορίζοντας την Πλοήγηση με Γυροσκόπια Οπτικών Ινών σε Κλίμακα Τσιπ

Στο πεδίο της αδρανειακής πλοήγησης, η ακρίβεια και το μέγεθος συχνά φαίνεται να είναι σε αντίθεση.Τα περίπλοκα οπτικά τους κυκλώματα και η σχολαστική συσκευασία τους θέτουν σημαντικές προκλήσεις για εφαρμογές που απαιτούν εξαιρετική μικροποίηση και αποδοτικότητα κόστουςΩστόσο, μια τεχνολογική επανάσταση που οδηγείται από τη φωτονική του πυριτίου μεταμορφώνει το τοπίο.ΕπικεφαλήςΤο γυροσκόπιο φωτονικών ινών πυριτίου, μια ιδέα με φουτουριστικό ήχο, έχει ως στόχο να ενσωματώσει ολόκληρα οπτικά συστήματα πλοήγησης σε ένα μόνο τσιπ.

Από το Σύστημα Επιτραπέζιου Γραφείου στο Τσιπ της Ακροποδιάς: Μια Επανάσταση στη Μινιατουριστική

Για να κατανοήσουμε τη διαταρακτική φύση του φωτονικού FOG του πυριτίου, πρέπει πρώτα να εξετάσουμε τον σχεδιασμό του συμβατικού FOG.

Ο πυρήνας ενός γυροσκόπου οπτικών ινών μεσαίας έως υψηλής ακρίβειας δεν αποτελείται μόνο από μια χιλιόμετρη περιστροφή οπτικών ινών, αλλά και από ένα ολοκληρωμένο οπτικό τσιπ (οδηγός κυμάτων Y).Συνήθως κατασκευασμένα από νιοβάτη του λιθίου, αυτό το τσιπ ενσωματώνει κρίσιμες λειτουργίες όπως το διαχωρισμό του φωτός και τη διαμόρφωση φάσης, που χρησιμεύει ως "κέντρο κυκλοφορίας" της οπτικής διαδρομής.παραμένει ένα διακριτό στοιχείο σε χιλιομετρική κλίμακα που απαιτεί ακριβή ευθυγράμμιση και συγκόλληση με την πηγή φωτός, ανιχνευτής, ζεύξης και άλλων εξαρτημάτων.

Η βασική ιδέα της τεχνολογίας φωτονικής πυριτίου είναι η ενσωμάτωση πολλών διακριτών οπτικών συστατικών, συμπεριλαμβανομένης της λειτουργίας καθοδήγησης κυμάτων Y,σε μία μόνο πλακίδα πυριτίου με χρήση ώριμων διεργασιών κατασκευής ημιαγωγών.

Φανταστείτε το εξής: πολλαπλά οπτικά "δομικά στοιχεία" που αρχικά απαιτούσαν ακριβή συναρμολόγηση σχεδιάζονται άμεσα ως κυματοδηγοί μικρονανοκλίμακας, διαμορφωτές και διαχωριστές δέσμης,όλα κατασκευασμένα σε ένα μόνο υπόστρωμα πυριτίου με λιθογραφίαΤα φωτεινά σήματα διέρχονται και επεξεργάζονται μέσα σε κυματοδείκτες πυριτίου υπομικρομετρικής κλίμακας.ενδεχομένως να μειώσει τον όγκο και το βάρος του συστήματος κατά σειρά μεγέθους, βελτιώνοντας παράλληλα σημαντικά την αποδοτικότητα και τη συνέπεια της παραγωγής.

Σχήμα: Σύνθετη διακριτή οπτική διαδρομή του παραδοσιακού γυροσκόπου οπτικών ινών (αριστερά) έναντι της αρχιτεκτονικής που βασίζεται σε τσιπ του ενσωματωμένου σε πυρίτιο FOG (δεξιά)

2Η μείωση των διαστάσεων της διαδικασίας CMOS

Η επιλογή του πυριτίου είναι σκόπιμη, καθώς προσφέρει απαράμιλλα βιομηχανικά πλεονεκτήματα:

1Πλεονεκτήματα της διαδικασίας: Η φωτονική του πυριτίου είναι εξαιρετικά συμβατή με τις διαδικασίες CMOS ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που οδήγησαν την εποχή των πληροφοριών.Αυτό σημαίνει ότι η κατασκευή των τσιπ φωτονικής πυριτίου μπορεί να ανατεθεί σε παγκοσμίως καθιερωμένα χυτήρια ημιαγωγών όπως TSMC και SMICΜόλις ολοκληρωθεί ο σχεδιασμός, μπορεί να επιτευχθεί μεγάλης κλίμακας, υψηλής ακρίβειας παραγωγή σε επίπεδο κυψελών,Η εpiιλογή piου piραγατοpiοιήθηκε στο piλαίσιο του piρογράματο piου piροβλέpiει την εpiιλογή piροσωpiικών εpiιτροpiών piροσωpiικών εpiιτροpiών, piεριλαμβάνει την piροώθηση των εpiιτροpiών piροσωpiικών εpiιτροpiών..

2• Υψηλή ολοκλήρωση: Το μέγεθος των κυματοειδών από πυρίτιο είναι δύο τάξεις μεγέθους μικρότερο από αυτό των πυρήνων οπτικών ινών.που επιτρέπουν την ενσωμάτωση πολύπλοκων οπτικών κυκλωμάτων σε τσιπ μεγέθους νυχιούΣτο μέλλον, μπορεί ακόμη να είναι δυνατό να συναρμολογηθούν μικροφωτεινές πηγές και ανιχνευτές στο ίδιο τσιπ μέσω τεχνολογίας ετεροενσωμάτωσης, προχωρώντας προς το "όλα σε ένα σύστημα σε ένα τσιπ".

3. Νέα χαρακτηριστικά απόδοσης: Τα υλικά πυριτίου παρουσιάζουν έντονα θερμο-οπτικά αποτελέσματα (με σημαντικές διακυμάνσεις του δείκτη διάθλασης που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία).Παράδοξα, επιτρέπει την εξαιρετικά απλή κατασκευή υψηλής ταχύτητας, χαμηλής ισχύος θερμο-οπτικούς διαμορφωτές φάσης, που διευκολύνουν την ανάπτυξη προηγμένων συστημάτων ανίχνευσης κλειστού κυκλώματος.

Σχήμα: Σίλικον φωτονικό chip wafer κατασκευασμένο χρησιμοποιώντας τη διαδικασία CMOS (αριστερά) και μικροσκοπική άποψη της δομής κυματοδηγού πυριτίου (δεξιά)

III. Το σκοτάδι πριν την αυγή: Η τεχνική κορυφή που πρέπει να αντιμετωπιστεί

Ενώ το όραμα είναι όμορφο, ο δρόμος προς την εκβιομηχάνιση είναι γεμάτος αγκάθια.Πώς να επιτύχετε ακραία μικροποίηση χωρίς να θυσιάσετε, ή ακόμα και να ενισχύσει, η "ψυχή του γυροσκόπου"Επικεφαλήςτην ακρίβεια και τη σταθερότητά του.

Προκλήσεις 1: Η πολωτικότητα είναι δύσκολο να "κατακτηθεί".ενώ η υψηλής ακρίβειας FOG απαιτεί την οπτική διαδρομή για τη διατήρηση μιας εξαιρετικά καθαρής και σταθερής κατάστασης πόλωσηςΗ επίτευξη αποτελεσματικού ελέγχου πόλωσης και φιλτραρίσματος στα τσιπ παραμένει η κύρια πρόκληση.Οι ερευνητές επικεντρώνονται στο σχεδιασμό εξειδικευμένων δομών κυματοδηγού ή στην ανάπτυξη αρχιτεκτονικών γυροσκόπων ανεξάρτητων από την πόλωση.

Προκλήσεις 2: Υπερβολική απώλεια φωτός "έξω/έξω".Ενώ οι κυματοδείκτες πυριτίου μετρούν μόνο περίπου 0.Όταν αυτά τα δύο συστήματα συνδυάζονται, είναι σαν να προσπαθείς να διοχετεύσεις το νερό ενός ποταμού σε έναν στενό σωλήνα.ΕπικεφαλήςΗ λύση έγκειται στον σχεδιασμό εξελιγμένων "μετατροπών πεδίου λειτουργίας", όπως κυματοδηγοί με αναστροφικό κώνο ή συσσωρευτές πλέγματος,που λειτουργούν ως οπτικά σήματα. "

Σχήμα: Η μη συμμόρφωση του μεγέθους πεδίου σοβαρής λειτουργίας μεταξύ μονοτρόπου ινών και κυματοδηγού πυριτίου έχει ως αποτέλεσμα σημαντική απώλεια ζεύξης

Η υψηλή θερμική ικανότητα του πυριτίου είναι ένα δίκονο σπαθί.Επίσης κάνει το τσιπ εξαιρετικά ευαίσθητο στις εξωτερικές διακυμάνσεις θερμοκρασίας.Αυτό απαιτεί το σύστημα να είναι εξοπλισμένο με ακριβή έλεγχο θερμοκρασίας ή προηγμένους αλγόριθμους αντιστάθμισης σε πραγματικό χρόνο.

Η απώλεια και οι μη γραμμικές επιδράσεις των καθαρών κυματοδρόμων πυριτίου παραμένουν εμπόδια για την επίτευξη υψηλότερης ακρίβειας.Η βιομηχανία διερευνά επίσης τη χρήση υλικών όπως νιτρίδιο του πυριτίου ή διοξείδιο του πυριτίου του πυριτίου του πυριτίου του πυριτίου., οι οποίες παρουσιάζουν μικρότερες απώλειες και καλύτερη συμβατότητα με τις οπτικές ίνες, αν και με αντίστοιχη αυξημένη πολυπλοκότητα της διαδικασίας.

IV. Πρόγραμμα του Μέλλοντος: Από το Εργαστήριο στο απέραντο Σύμπαν

Παρά τις πολυάριθμες προκλήσεις, η πορεία εξέλιξης του φωτονικού FOG του πυριτίου έχει γίνει σαφής:

Σύντομη (1-3 έτη): Επικεντρώνονται σε τακτικές εφαρμογές (σταθερότητα μηδενικής προκατάληψης 1-10°Η αγορά-στόχος είναι τα καταναλωτικά drones, τα ρομπότ, τα αυτόνομα οχήματα και οι φορητές συσκευές που απαιτούν επειγόντως μικροσκοπικές και χαμηλού κόστους λύσεις.τα πλεονεκτήματα όγκου και κόστους του φωτονικού πυριτίου FOG θα αποδειχθούν πρώτα, με ικανοποιητικές επιδόσεις για να ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις.

Μεσοπρόθεσμα (3-10 έτη): Με μειωμένη απώλεια ζεύξης και ώριμη τεχνολογία ελέγχου πόλωσης, η ακρίβεια αναμένεται να φθάσει στο επίπεδο αδρανούς πλοήγησης.Η πρόοδος αυτή θα αρχίσει να διαβρώνει την αγορά μεσαίας κατηγορίας των παραδοσιακών FOG., με εφαρμογές στην υψηλής τεχνολογίας βιομηχανική πλοήγηση, μεσαίου μεγέθους drones, και τα πυρομαχικά ακριβούς καθοδήγησης.

Μακροπρόθεσμο όραμα: Η επίτευξη "Γυροσκόπια σε Τσιπ".και ακόμη και την εξερεύνηση της άμεσης κατασκευής χαμηλής απώλειας "on-chip σπειροειδείς κυματοδηγούς" για να αντικαταστήσουν ορισμένες κυλίνδρους οπτικών ινώνΘα παρέχει απόλυτες αυτόνομες λύσεις πλοήγησης για μικροδορυφόρους, πλοήγηση in vivo και το Διαδίκτυο των Πραγμάτων.

Σχήμα: Οδικός χάρτης ανάπτυξης και μελλοντικά σενάρια εφαρμογής της τεχνολογίας Silicon Photonic FOG

Συμπέρασμα: Μια σιωπηλή αλλαγή παραδείγματος

Το γυροσκόπιο οπτικών ινών από πυρίτιο δεν είναι απλώς μια συγκεκριμένη τεχνολογική αναβάθμιση, αλλά αντιπροσωπεύει μια αλλαγή παραδείγματος:Είναι η μετάβαση της αδρανειακής πλοήγησης από την εποχή της ακριβούς μηχανικής οπτικής στην εποχή της ενσωματωμένης οπτικοηλεκτρονικής με ημιαγωγούς.Οι ανταγωνιστές της δεν είναι μόνο οι προηγούμενες γενιές γυροσκόπων ινών, αλλά και τα ταχέως εξελισσόμενα γυροσκόπια MEMS και τα γυροσκόπια λέιζερ.

Η ουσία αυτού του ανταγωνισμού έγκειται στην επίτευξη μιας πολυδιάστατης ισορροπίας μεταξύ ακρίβειας, κόστους, μεγέθους και κατανάλωσης ενέργειας.,Το silicon photonic FOG είναι έτοιμο να δημιουργήσει σημαντικό αντίκτυπο στην αγορά μεσαίας έως χαμηλής ακρίβειας κατά τη διάρκεια της επόμενης δεκαετίας, επαναπροσδιορίζοντας το τοπίο της βιομηχανίας πλοήγησης.

Η εποχή της πραγματικά πανταχού παρούσας αυτόνομης νοημοσύνης θα επιταχυνθεί όταν τα συστήματα πλοήγησης γίνουν τόσο μαζικά κατασκευαστά όσο τα τσιπ.Αυτός ο σιωπηλός χορός του φωτός μέσα στα βάθη των τσιπς μας οδηγεί ήσυχα προς αυτό το μέλλον..

Το LKF-FS40 φωτογύρο πυριτίου αποσπάται από τις παραδοσιακές αρχές σχεδιασμού γυρογύρων οπτικών ινών υιοθετώντας μια ολοκληρωμένη οπτική διαδρομή φωτονικού πυριτίου.Ως ιδανικός αισθητήρας γωνιακής ταχύτητας χαμηλής ακρίβειας για εφαρμογές ελέγχουΗ συσκευή βασίζεται σε ώριμα σχέδια προϊόντων και ενσωματώνει πολλαπλές βελτιστοποιήσεις μηχανικής για μαζική παραγωγή.Παροχή εξαιρετικής οικονομικής απόδοσης.