シリコン フォトニック FOG は 何 です か

慣性ナビゲーションの領域では 精度と大きさは しばしば矛盾しているようです 伝統的な高精度光ファイバージロスコップ (FOG) は 卓越したパフォーマンスを 提供していますが複雑な光学回路と細心の包装は,極端な小型化とコスト効率を要求するアプリケーションにとって重大な課題ですしかし シリコン光子学によって 推進される技術革命は 静かにこの景色を変えていますほらシリコン光子繊維ジロスコップは 未来的な概念で 視覚ナビゲーションシステム全体を 単一のチップに収めることを目的としています

デスクトップ システム から 指 の 端 の チップ:小型 化 の 革命

シリコン光子FOGの破壊的な性質を理解するには まず従来のFOGの設計を 調べなければなりません

中高精度の光ファイバージロスコップのコアには,1キロメートルの光ファイバーコイルだけでなく,統合された光学チップ (Y波導体) も含まれます.通常,リチウムニオバートから製造されるこのチップは光分裂と相模様などの重要な機能を統合し,光路の"トラフィックハブ"として機能します.光源と精密な調整と溶接を必要とするミリメートルスケールで離散な部品です検出器,コップラー,その他の部品.

シリコンフォトニクス技術の核心概念は Y波導機能を含む複数の離散光学コンポーネントを統合することですシリコン・ウェーバーに,成熟した半導体製造プロセスを用いて,.

想像してみてください 最初には精密な組み立てが必要だった 多数の光学"構成要素"が マイクロナノスケール波導体 調節器 束分割器として直接設計されています単一のシリコン基板でリトグラフィーで製造されたもの光信号は微小のシリコン波導体を通り抜けて処理されます生産効率と一貫性を著しく向上させながら,システムの容量と重量を数階下まで削減する可能性があります..

図:伝統的な光ファイバージロスコップ (左) の複雑な離散光学経路とシリコン統合FOGのチップベースのアーキテクチャ (右)

2CMOS プロセスの次元縮小

シリコンの選択は 意図的であり 産業上の比類のない利点があります

1プロセスメリット: シリコン光学は情報時代を駆使したCMOS集成回路プロセスと高度に互換性があります.これは,シリコン光子チップの製造が TSMC と SMIC などの世界的に確立した半導体鋳造工場に外包されることが意味しています設計が完了すると,大規模で高精度でウエファーレベルでの生産が可能になります.伝統的な光学"手作りワークショップ"生産を超え,コストを急激に削減する鍵となる.

2超高統合: シリコン波導体のサイズは光ファイバーコアより2倍小さい.複雑な光学回路を指の爪ほどのチップに組み込むことができる未来では,微光源と検出器を同じチップにヘテロ統合技術で組み立てることも可能になり",チップ上のオールインワンシステム"へと進んでいくかもしれません.

3. 新型性能特性:シリコン材料は,顕著な熱光学効果 (気温に依存する重要な屈折指数変動) を示します.これは安定性上の課題を提示しますが,意外にも 高速電車の製造は 極めて簡単です低功率熱光相調節器で,高度な閉ループ検出システムの開発を容易にする.

図:CMOSプロセス (左) で製造されたシリコン光子チップウエファーと,シリコン波導体構造 (右) の顕微鏡視野

III. 黎明前の闇: 取り組むべき技術的なピーク

シリコンフォトニックFOGは,現在,いくつかの主要な課題に直面しており,それらはすべて一つの目標に収束しています:犠牲にならない限り 極端な小型化を実現する方法サイロスコップの"魂"をほらその精度と安定性

シリコン波導体は本質的に強い偏振依存性 (バイレフリジェンシー) を表しています.高精度のFOGは,極度の純粋で安定した偏振状態を維持するために光学経路を必要とします.効率的な偏振制御とチップのフィルタリングを達成することは 主要な課題であり続けています研究者は,特殊な波導体構造や偏振独立ジロスコップ構造の設計に焦点を当てています..

課題2: 過剰な光"入出"損失.これは最も迫切なボトルネックであり続けます.単モード繊維は約9マイクロメートルのモードフィールド直径を持っています.シリコンの波導体は わずか0の大きさしかありません狭いパイプに水を流れ込むようなものですほら解決策は,逆向きの円形波導体や格子結合器などの洗練された"モードフィールド変換器"の設計にあります.光学信号のフンネルとして機能する. "

図: シングルモード繊維とシリコン波導体の間の重度のモードフィールドサイズ不一致は,重要な結合損失をもたらします

3つ目の課題は 温度に敏感な副作用です シリコンの高熱係数は 双刃の剣ですまた,外部温度変動に非常に敏感になる熱誘導相騒音に敏感であるため,システムに精密な温度制御または高度なリアルタイム補償アルゴリズムを備える必要がある.

挑戦4: 新しい材料の探求 純粋なシリコン波導体の損失と非線形効果は,より高い精度を達成するための障害となっている.したがって,業界では,シリコンナイトリッドや二酸化シリコンなどの材料を波導コアとして利用することも検討しています光ファイバーとの相応性も高く,プロセスの複雑性が同程度に高まっている.

IV. 未来 の 計画: 研究室 から 広大 な 宇宙 まで

多くの課題にもかかわらず シリコン光学FOGの進化経路は明らかになりました

短期 (1~3年):戦術用途 (ゼロバイアス安定性) に重点を置く°/h) ターゲット市場は,小型化および低コストのソリューションを緊急に必要とする消費者用ドローン,ロボット,自動運転車,携帯機器です.シリコンフォトニックFOGの量とコストの利点は最初に実証されます要求を満たすのに十分な性能を持つ.

中期 (3〜10年): 結合損失の減少と成熟した偏振制御技術により,精度は慣性ナビゲーションレベルに達すると予想される.この進歩は,伝統的なFOGの中流市場を蝕み始めます高級産業ナビゲーション,中型無人機,精密導撃弾に応用できる

長期ビジョン: "チップ上のジロスコップ"を達成する 異質な統合技術を通じてレーザー,アンプ,検出器を統合することで低負荷の"チップ上の渦巻き波導体"の直接製造も検討しています微小衛星,生体内ナビゲーション,そして万物のインターネットのための究極の自律ナビゲーションソリューションを提供します.

図:シリコン光学FOG技術の開発ロードマップと将来の応用シナリオ

結論: 静か な パラダイム 変化

シリコン光ファイバージロスコップは 特定の技術的なアップグレードだけでなく パラダイムシフトを表しています精密機械光学の時代から半導体統合光電子の時代へと 慣性ナビゲーションを移行させていますファイバージロスコップの先代だけでなく,急速に進歩しているMEMSジロスコップとレーザージロスコップも競合しています.

この競争の本質は,精度,コスト,サイズ,電力消費の多次元的なバランスを達成することにある.,シリコンフォトニックFOGは 今後10年間で 中低精度市場に大きな影響を与え 航海産業の景観を再定義する準備ができています

自動知能の時代は どこにでも見られる 自動知能の時代は ナビゲーションシステムが チップのように 大量生産可能になると 加速するでしょうこの静かな光の踊り 芯片の奥深くは 静かに私たちを その未来へと導いてくれます.

LKF--FS40 シリコン・フォトジロは,統合されたシリコン・フォトニック・オプティカル・パスを採用することで,伝統的な光ファイバー・ジロ設計原理から切り離します.制御アプリケーションのための理想的な低精度の角速センサーとしてこの装置は成熟した製品設計に基づいて,大量生産のための複数のエンジニアリング最適化を含んでいます.優れたコスト効率を上げること.