Che cos'è la FOG fotonica al silicio?

Nel campo della navigazione inerziale, la precisione e le dimensioni sembrano spesso in contrasto.I loro circuiti ottici complessi e il loro imballaggio meticoloso rappresentano sfide significative per le applicazioni che richiedono una miniaturizzazione estrema e un'efficienza dei costiEppure una rivoluzione tecnologica guidata dalla fotonica del silicio sta tranquillamente trasformando questo paesaggio.️il giroscopio in fibra fotonica di silicio, un concetto che sembra futuristico, mira a incapsulare interi sistemi di navigazione ottica all'interno di un unico chip.

Dal sistema desktop al chip a punta di dita: una rivoluzione della miniaturizzazione

Per comprendere la natura dirompente del FOG fotonico al silicio, dobbiamo prima esaminare il design del FOG convenzionale.

Il nucleo di un giroscopio in fibra ottica di media-alta precisione comprende non solo una bobina di fibra ottica lunga un chilometro, ma anche un chip ottico integrato (guida d'onda Y).Prodotto tipicamente da niobato di litio, questo chip integra funzioni critiche come la divisione della luce e la modulazione di fase, servendo come "hub di traffico" del percorso ottico.rimane un componente discreto a scala millimetrica che richiede un allineamento preciso e saldatura con la fonte luminosa, rilevatore, accoppiatore e altri componenti.

Il concetto di base della tecnologia fotonica al silicio è quello di integrare più componenti ottici discreti, tra cui la funzionalità di guida d'onda Y,con una larghezza massima di 20 mm o più ma non superiore a 50 mm,.

Immaginate questo: più "blocchi di costruzione" ottici che originariamente richiedevano un'assemblaggio preciso sono progettati direttamente come guide d'onda, modulatori e divisori di fascio a micro-nano-scala,tutti fabbricati in un unico substrato di silicio mediante litografiaI segnali luminosi attraversano e elaborano le guide d'onda di silicio su scala submicrona,riducendo potenzialmente il volume e il peso del sistema di un ordine di grandezza, migliorando significativamente l'efficienza e la coerenza della produzione.

Figura: percorso ottico discreto complesso del tradizionale giroscopio in fibra ottica (a sinistra) contro l'architettura basata su chip di FOG integrato in silicio (a destra)

2Perché il silicio? La riduzione delle dimensioni del processo CMOS

La scelta del silicio è deliberata, in quanto offre vantaggi industriali senza pari:

1- Vantaggi di processo: la fotonica del silicio è altamente compatibile con i processi di circuito integrato CMOS che hanno guidato l'era dell'informazione.Ciò significa che la produzione di chip fotonici al silicio può essere esternalizzata a fonderie di semiconduttori consolidate a livello globale come TSMC e SMICUna volta finalizzato il progetto, è possibile realizzare una produzione su larga scala e ad alta precisione a livello di wafer.che è la chiave per andare oltre la produzione ottica tradizionale di "officina artigianale" e consentire riduzioni esponenziali dei costi.

2- integrazione ultra elevata: le dimensioni delle guide d'onda in silicio sono di due ordini di grandezza inferiori a quelle dei nuclei di fibra ottica,che consente l'integrazione di circuiti ottici complessi su chip delle dimensioni di un'unghiaIn futuro, potrebbe anche essere possibile assemblare fonti di micro-luce e rilevatori sullo stesso chip attraverso la tecnologia di eteroeconomia, progredendo verso "un sistema tutto in uno su un chip".

3. Novità di prestazioni: i materiali al silicio presentano effetti termoottici pronunciati (con significative variazioni dell'indice di rifrazione dipendenti dalla temperatura).Paradossalmente permette la produzione eccezionalmente semplice di macchine ad alta velocità, modulatori di fase termo-ottici a bassa potenza, che facilitano lo sviluppo di sistemi di rilevamento a circuito chiuso avanzati.

Figura: wafer a chip fotonico di silicio fabbricato utilizzando il processo CMOS (a sinistra) e vista microscopica della struttura della guida d'onda di silicio (a destra)

III. L'oscurità prima dell'alba: il picco tecnico da affrontare

Mentre la visione è bella, la strada verso l'industrializzazione è piena di spine.come ottenere la miniaturizzazione estrema senza sacrificare, o addirittura potenziare, l'anima del giroscopio'️la sua precisione e stabilità.

Sfida 1: la polarizzazione è difficile da "domare".mentre il FOG ad alta precisione richiede il percorso ottico per mantenere uno stato di polarizzazione estremamente puro e stabileL'obiettivo principale è quello di ottenere un controllo efficiente della polarizzazione e del filtraggio sui chip.I ricercatori si concentrano sulla progettazione di strutture specializzate di guida d'onda o sullo sviluppo di architetture giroscopiche indipendenti dalla polarizzazione.

Sfida 2: eccessiva perdita di luce "in/out". Questa rimane il collo di bottiglia più pressante.mentre le guide d'onda in silicio misurano solo circa 0Quando questi due sistemi sono accoppiati, è come cercare di incanalare l'acqua di un fiume in un tubo stretto.️La soluzione risiede nella progettazione di sofisticati "convertitori di campo di modalità", quali guide d'onda a cono invertito o accoppiatori a griglia,con una lunghezza massima di 20 mm o più. "

Figura: Disparità di dimensione del campo di modalità grave tra fibra monomodo e guida d'onda di silicio provoca una significativa perdita di accoppiamento

Sfida 3: Effetti collaterali sensibili alla temperatura, l'elevato coefficiente termico del silicio è una spada a doppio taglio.rende anche il chip molto sensibile alle fluttuazioni di temperatura esternaQuesto richiede che il sistema sia dotato di un controllo di temperatura di precisione o di algoritmi avanzati di compensazione in tempo reale.

La perdita e gli effetti non lineari delle guide d'onda di silicio puro rimangono ostacoli al raggiungimento di una maggiore precisione.L'industria sta anche studiando l'uso di materiali come il nitruro di silicio o il biossido di silicio come nuclei di guida d'onda, che presentano perdite inferiori e una migliore compatibilità con le fibre ottiche, sebbene con una corrispondente maggiore complessità del processo.

IV. Progetto per il futuro: dal laboratorio al vasto universo

Nonostante numerose sfide, il percorso evolutivo del FOG fotonico al silicio è diventato chiaro:

A breve termine (1-3 anni): concentrazione sulle applicazioni tattiche (stabilità a pregiudizio zero 1-10°Il mercato di riferimento è costituito da droni, robot, veicoli autonomi e dispositivi portatili di consumo che richiedono urgentemente soluzioni miniaturizzate e a basso costo.Il volume e i costi vantaggi del silicio fotonico FOG saranno dimostrati per la prima volta, con prestazioni sufficienti a soddisfare le esigenze.

A medio termine (3-10 anni): con una ridotta perdita di accoppiamento e una tecnologia di controllo della polarizzazione matura, la precisione dovrebbe raggiungere il livello di navigazione inerziale.Questo progresso comincerà ad erodere il mercato di fascia media dei tradizionali FOG., con applicazioni nella navigazione industriale di fascia alta, droni di medie dimensioni e munizioni a guida di precisione.

Visione a lungo termine: realizzare "Giroscopi su chip" integrando laser, amplificatori e rilevatori attraverso una tecnologia di integrazione eterogenea,e anche esplorare la produzione diretta di "guide d'onda a spirale su chip" a bassa perdita per sostituire alcune bobine di fibra ottica, questo rivoluzionerà la forma dei sensori inerziali. Fornirà soluzioni di navigazione autonome per i microsatelliti, la navigazione in vivo e l'Internet of Everything.

Figura: tabella di marcia per lo sviluppo e scenari futuri di applicazione della tecnologia FOG fotonica al silicio

Conclusione: un silenzioso cambiamento di paradigma

Il giroscopio in fibra ottica di silicio non è solo un aggiornamento tecnologico specifico, ma rappresenta un cambiamento di paradigma:Sta passando la navigazione inerziale dall'era dell'ottica meccanica di precisione all'era dell'optoelettronica integrata a semiconduttori.I suoi concorrenti non sono solo i giroscopi in fibra di generazione precedente, ma anche i giroscopi MEMS e i giroscopi laser in rapido progresso.

L'essenza di questa competizione consiste nel raggiungimento di un equilibrio multidimensionale tra precisione, costo, dimensione e consumo di energia.,il silicio fotonico FOG è pronto a creare un impatto significativo nel mercato della precisione media a bassa nel prossimo decennio, ridefinendo il panorama del settore della navigazione.

L'era dell'intelligenza autonoma veramente onnipresente si accelererà quando i sistemi di navigazione diventeranno fabbricabili in serie come i chip.Questa silenziosa danza di luce all'interno delle profondità dei chip ci guida tranquillamente verso quel futuro.

Il fotogiro al silicio LKF-FS40 si allontana dai tradizionali principi di progettazione del giroscopio in fibra ottica adottando un percorso ottico fotonico al silicio integrato.Come sensore di velocità angolare di bassa precisione ideale per applicazioni di controllo, è ampiamente utilizzato nei sistemi di misurazione e controllo inerziale.fornire un'eccezionale efficienza in termini di costi.