Apa itu Silicon Photonic FOG?Mendefinisikan Navigasi Dengan Giroskop Serat Optik Berskala Chip

Dalam bidang navigasi inersia, presisi dan ukuran sering tampak bertentangan. Sementara giroskop serat optik presisi tinggi tradisional (FOG) memberikan kinerja yang luar biasa,sirkuit optik yang rumit dan kemasan yang cermat menimbulkan tantangan signifikan untuk aplikasi yang menuntut miniaturisasi ekstrim dan efisiensi biayaNamun revolusi teknologi yang didorong oleh fotonik silikon diam-diam mengubah lanskap ini️giroskop serat fotonik silikon, sebuah konsep yang terdengar futuristik, bertujuan untuk merangkum seluruh sistem navigasi optik dalam satu chip.

Dari Sistem Desktop ke Chip Jari: Revolusi Miniaturisasi

Untuk memahami sifat gangguan dari FOG fotonik silikon, kita harus terlebih dahulu memeriksa desain FOG konvensional.

Inti dari giroskop serat optik presisi menengah hingga tinggi tidak hanya terdiri dari kumparan serat optik sepanjang kilometer tetapi juga chip optik terintegrasi (pemandu gelombang Y).Biasanya terbuat dari lithium niobate, chip ini mengintegrasikan fungsi penting seperti pemisahan cahaya dan modulasi fase, berfungsi sebagai jalur optik "pusat lalu lintas".tetap merupakan komponen diskrit skala milimeter yang membutuhkan keselarasan yang tepat dan pengelasan dengan sumber cahaya, detektor, kopling, dan komponen lainnya.

Konsep inti dari teknologi fotonik silikon adalah untuk mengintegrasikan beberapa komponen optik diskrit, termasuk fungsionalitas panduan gelombang Y,pada wafer silikon tunggal menggunakan proses pembuatan semikonduktor yang matang.

Bayangkan ini: beberapa 'blok bangunan' optik yang awalnya membutuhkan perakitan yang tepat dirancang langsung sebagai pemandu gelombang skala mikro nano, modulator, dan splitter sinar,semua diproduksi dalam satu substrat silikon melalui litografi. Sinyal cahaya melintasi dan proses dalam sub-mikron skala pemandu gelombang silikon,berpotensi mengurangi volume dan berat sistem dengan urutan besar sambil secara signifikan meningkatkan efisiensi dan konsistensi produksi.

Gambar: Jalur optik diskrit kompleks dari giroskop serat optik tradisional (kiri) vs arsitektur berbasis chip dari FOG terintegrasi silikon (kanan)

2. Mengapa Silicon? Pengurangan Dimensi Proses CMOS

Pilihan silikon disengaja, karena menawarkan keuntungan industri yang tak tertandingi:

1Keuntungan Proses: Silicon Photonics sangat kompatibel dengan proses sirkuit terintegrasi CMOS yang mendorong era informasi.Ini berarti pembuatan chip fotonik silikon dapat di-outsourcing ke pabrik semikonduktor yang mapan di seluruh dunia seperti TSMC dan SMICSetelah desain selesai, skala besar, produksi tingkat wafer presisi tinggi dapat dicapai,yang merupakan kunci untuk bergerak melampaui produksi optik "kerja tangan" tradisional dan memungkinkan pengurangan biaya eksponensial.

2. Integrasi ultra-tinggi: Ukuran pemandu gelombang silikon adalah dua urutan besar lebih kecil dari inti serat optik,memungkinkan integrasi sirkuit optik yang kompleks pada chip sebesar kuku jariDi masa depan, bahkan mungkin mungkin untuk merakit sumber cahaya mikro dan detektor pada chip yang sama melalui teknologi hetero-integrasi, maju menuju "sistem all-in-one pada chip".

3. Fitur Kinerja Baru: Bahan silikon menunjukkan efek termo-optik yang jelas (dengan variasi indeks refraksi yang signifikan tergantung pada suhu).paradoksnya memungkinkan pembuatan yang sangat sederhana dari kecepatan tinggi, modulator fase termo-optik bertenaga rendah, yang memfasilitasi pengembangan sistem deteksi loop tertutup canggih.

Gambar: Wafer chip fotonik silikon yang diproduksi dengan menggunakan proses CMOS (kiri) dan tampilan mikroskopis struktur pemandu gelombang silikon (kanan)

III. Kegelapan Sebelum Fajar: Puncak Teknis yang Harus Ditangani

Sementara visi itu indah, jalan menuju industrialisasi penuh dengan duri.bagaimana mencapai miniaturisasi ekstrim tanpa mengorbankan, atau bahkan meningkatkan, jiwa gyroscope '️Keakuratan dan stabilitasnya.

Tantangan 1: Polarization 'Taming Is Difficult. Silicon waveguides secara inheren menunjukkan ketergantungan polarisasi yang kuat (birefringence),sementara FOG presisi tinggi membutuhkan jalur optik untuk mempertahankan keadaan polarisasi yang sangat murni dan stabilMencapai kontrol polarisasi yang efisien dan penyaringan pada chip tetap menjadi tantangan utama.peneliti berfokus pada merancang struktur pendorong gelombang khusus atau mengembangkan arsitektur gyroscope yang independen dari polarisasi.

Tantangan 2: Kerugian cahaya "in / out" yang berlebihan. Ini tetap menjadi kemacetan yang paling mendesak. Serat mode tunggal memiliki diameter medan mode sekitar 9 mikrometer,sedangkan pendorong gelombang silikon hanya mengukur sekitar 0Ketika kedua sistem ini digabungkan, itu seperti mencoba menyalurkan air sungai ke pipa sempit️Solusinya terletak pada desain "konverter medan mode" yang canggih, seperti pemandu gelombang kerucut terbalik atau penghubung kisi,yang berfungsi sebagai "hunian" sinyal optik. "

Gambar: Ketidakcocokan ukuran medan mode parah antara serat mode tunggal dan panduan gelombang silikon menghasilkan kerugian kopling yang signifikan

Tantangan 3: efek samping sensitif suhu koefisien termal tinggi dari silikon adalah pedang bermata dua sementara itu menyederhanakan desain modulatorjuga membuat chip sangat sensitif terhadap fluktuasi suhu eksternal, sehingga rentan terhadap kebisingan fase termal yang diinduksi. Hal ini mengharuskan sistem untuk dilengkapi dengan kontrol suhu presisi atau algoritma kompensasi real-time canggih.

Tantangan 4: Eksplorasi Bahan Baru: Kehilangan dan efek nonlinear dari pendorong gelombang silikon murni tetap menjadi hambatan untuk mencapai presisi yang lebih tinggi.industri juga mengeksplorasi penggunaan bahan seperti silikon nitrida atau silikon dioksida sebagai inti gelombang, yang menunjukkan kerugian yang lebih rendah dan kompatibilitas yang lebih baik dengan serat optik, meskipun dengan kompleksitas proses yang meningkat.

IV. Rancangan Masa Depan: Dari Laboratorium ke Alam Semesta

Meskipun banyak tantangan, jalur evolusi dari FOG fotonik silikon telah menjadi jelas:

Jangka pendek (1-3 tahun): Fokus pada aplikasi taktis (stabilitas nol bias 1-10°/h) Pasar target adalah drone konsumen, robot, kendaraan otonom, dan perangkat portabel yang sangat membutuhkan solusi miniatur dan murah.Keuntungan volume dan biaya dari FOG fotonik silikon akan pertama kali ditunjukkan, dengan kinerja yang cukup untuk memenuhi permintaan.

Dalam jangka menengah (3-10 tahun): Dengan penurunan kerugian kopling dan teknologi kontrol polarisasi yang matang, presisi diharapkan mencapai tingkat navigasi inersia.Kemajuan ini akan mulai mengikis pasar menengah dari FOG tradisional, dengan aplikasi dalam navigasi industri kelas atas, drone berukuran sedang, dan amunisi yang dipandu dengan presisi.

Visi jangka panjang: Mencapai "Gyroscope on Chips". Dengan mengintegrasikan laser, amplifier, dan detektor melalui teknologi integrasi heterogen,dan bahkan mengeksplorasi manufaktur langsung "on-chip spiral waveguides" kehilangan rendah untuk menggantikan beberapa kumparan serat optik, ini akan merevolusi bentuk sensor inersia. akan memberikan solusi navigasi otonom utama untuk microsatellites, in vivo navigasi, dan Internet of Everything.

Gambar: Peta Perkembangan dan Skenario Aplikasi Masa Depan dari Teknologi Silicon Photonic FOG

Kesimpulan: Perubahan Paradigma

Giroskop serat optik silikon bukan hanya peningkatan teknologi tertentu, tetapi mewakili pergeseran paradigma:Ini adalah transisi navigasi inersia dari era optik mekanik presisi ke era optoelektronika terintegrasi semikonduktorPesaingnya tidak hanya generasi sebelumnya dari fibergyroscope, tetapi juga dengan cepat maju MEMS gyroscope dan laser gyroscope.

Inti dari persaingan ini terletak pada mencapai keseimbangan multidimensi antara presisi, biaya, ukuran, dan konsumsi daya.,FOG fotonik silikon siap untuk menciptakan dampak yang signifikan di pasar presisi menengah hingga rendah selama dekade berikutnya, mendefinisikan kembali lanskap industri navigasi.

Era kecerdasan otonom yang benar-benar ada di mana-mana akan dipercepat ketika sistem navigasi menjadi diproduksi secara massal seperti chip.Tarian cahaya diam ini di dalam kedalaman chip diam-diam membimbing kita menuju masa depan itu.

LKF-FS40 silikon photogyro melepaskan diri dari prinsip desain gyro serat optik tradisional dengan mengadopsi jalur optik fotonik silikon terintegrasi.Sebagai sensor kecepatan sudut presisi rendah yang ideal untuk aplikasi kontrol, ini banyak digunakan dalam sistem pengukuran dan kontrol inersia. Berdasarkan desain produk yang matang, perangkat ini menggabungkan beberapa optimasi rekayasa untuk produksi massal,memberikan efisiensi biaya yang luar biasa.