실리콘 광학 안개 는 무엇 입니까?

관성 항법 분야에서 정밀도와 크기는 종종 상반되는 것처럼 보입니다. 기존의 고정밀 광섬유 자이로스코프(FOG)는 뛰어난 성능을 제공하지만, 복잡한 광학 회로와 세심한 패키징은 극소형화 및 비용 효율성을 요구하는 응용 분야에서 상당한 과제를 제기합니다. 그러나 실리콘 포토닉스에 의해 주도되는 기술 혁명이 조용히 이 풍경을 변화시키고 있습니다.—미래 지향적인 개념인 실리콘 포토닉스 광섬유 자이로스코프는 전체 광학 항법 시스템을 단일 칩 내에 캡슐화하는 것을 목표로 합니다.

데스크탑 시스템에서 손톱 크기 칩으로: 소형화 혁명

실리콘 포토닉스 FOG의 파괴적인 본질을 이해하려면 먼저 기존 FOG의 설계를 살펴봐야 합니다.

중고정밀 광섬유 자이로스코프의 핵심은 킬로미터 길이의 광섬유 코일뿐만 아니라 집적 광학 칩(Y-도파관)으로 구성됩니다. 일반적으로 리튬 니오베이트로 제작된 이 칩은 빛 분할 및 위상 변조와 같은 중요한 기능을 통합하여 광학 경로의 "트래픽 허브" 역할을 합니다. 그러나 이는 밀리미터 크기의 개별 부품으로, 광원, 검출기, 커플러 및 기타 구성 요소와 정밀하게 정렬하고 납땜해야 합니다.

실리콘 포토닉스 기술의 핵심 개념은 성숙한 반도체 제조 공정을 사용하여 Y-도파관 기능을 포함한 여러 개의 개별 광학 부품을 단일 실리콘 웨이퍼에 통합하는 것입니다.

다음과 같은 상황을 상상해 보십시오. 원래 정밀한 조립이 필요했던 여러 광학 '빌딩 블록'이 미세 나노 규모의 도파관, 변조기 및 빔 분할기로 직접 설계되어 리소그래피를 통해 단일 실리콘 기판에 모두 제작됩니다. 빛 신호는 서브 마이크론 규모의 실리콘 도파관 내에서 이동하고 처리되어 시스템의 부피와 무게를 한 자릿수 줄이면서 생산 효율성과 일관성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

그림: 기존 광섬유 자이로스코프의 복잡한 개별 광학 경로(왼쪽) vs. 실리콘 집적 FOG의 칩 기반 아키텍처(오른쪽)

2. 왜 실리콘인가? CMOS 공정의 차원 축소

실리콘을 선택한 것은 다음과 같은 비교할 수 없는 산업적 이점을 제공하기 때문입니다.

1. 공정상의 이점: 실리콘 포토닉스는 정보 시대를 이끈 CMOS 집적 회로 공정과 매우 호환됩니다. 즉, 실리콘 포토닉스 칩 제조를 TSMC 및 SMIC와 같은 전 세계적으로 확립된 반도체 파운드리에 아웃소싱할 수 있습니다. 설계가 완료되면 대규모, 고정밀 웨이퍼 레벨 생산을 달성할 수 있으며, 이는 기존의 광학 "수작업 작업장" 생산을 넘어 기하급수적인 비용 절감을 가능하게 하는 핵심입니다.

2. 초고집적: 실리콘 도파관의 크기는 광섬유 코어의 크기보다 두 자릿수 작아 손톱 크기의 칩에 복잡한 광학 회로를 통합할 수 있습니다. 미래에는 이종 집적 기술을 통해 마이크로 광원과 검출기를 동일한 칩에 조립하여 "칩 위의 올인원 시스템"으로 발전할 수도 있습니다.

3. 새로운 성능 특징: 실리콘 재료는 현저한 열광학 효과(온도 의존적 굴절률 변화가 큼)를 나타냅니다. 이는 안정성 문제를 야기하지만 역설적으로 고속, 저전력 열광학 위상 변조기를 매우 간단하게 제작할 수 있게 하여 고급 폐쇄 루프 감지 시스템 개발을 용이하게 합니다.

그림: CMOS 공정을 사용하여 제작된 실리콘 포토닉스 칩 웨이퍼(왼쪽) 및 실리콘 도파관 구조의 현미경적 보기(오른쪽)

III. 새벽 전의 어둠: 해결해야 할 기술적 정점

비전은 아름답지만 산업화로 가는 길은 가시밭길입니다. 실리콘 포토닉스 FOG는 현재 여러 가지 핵심 과제에 직면해 있으며, 모두 하나의 목표로 수렴됩니다. 즉, 자이로스코프의 '영혼'을 희생하거나 심지어 향상시키지 않으면서 극소형화를 어떻게 달성할 것인가?—정밀도와 안정성.

과제 1: 편광 '제어'가 어렵습니다. 실리콘 도파관은 본질적으로 강한 편광 의존성(복굴절)을 나타내는 반면, 고정밀 FOG는 광학 경로가 매우 순수하고 안정적인 편광 상태를 유지해야 합니다. 칩에서 효율적인 편광 제어 및 필터링을 달성하는 것이 주요 과제로 남아 있습니다. 현재 연구자들은 특수 도파관 구조를 설계하거나 편광 독립적인 자이로스코프 아키텍처를 개발하는 데 집중하고 있습니다.

과제 2: 과도한 빛의 "입/출력" 손실. 이는 가장 시급한 병목 현상으로 남아 있습니다. 단일 모드 섬유의 모드 필드 직경은 약 9마이크로미터인 반면, 실리콘 도파관은 약 0.5마이크로미터입니다. 이 두 시스템을 연결하는 것은 강물의 물을 좁은 파이프로 연결하는 것과 같습니다.—상당한 결합 손실이 발생합니다. 해결책은 광학 신호 "깔때기" 역할을 하는 역원추형 도파관 또는 격자 커플러와 같은 정교한 "모드 필드 변환기"를 설계하는 것입니다.

그림: 단일 모드 섬유와 실리콘 도파관 간의 심각한 모드 필드 크기 불일치로 인해 상당한 결합 손실 발생

과제 3: 온도에 민감한 부작용. 실리콘의 높은 열 계수는 양날의 검입니다. 변조기 설계를 단순화하는 동시에 외부 온도 변동에 매우 민감하여 열로 인한 위상 잡음에 취약하게 만듭니다. 따라서 시스템에는 정밀 온도 제어 또는 고급 실시간 보상 알고리즘이 필요합니다.

과제 4: 새로운 재료 탐구. 순수 실리콘 도파관의 손실 및 비선형 효과는 더 높은 정밀도를 달성하는 데 여전히 장애물로 남아 있습니다. 따라서 업계에서는 실리콘 질화물 또는 이산화 규소와 같은 재료를 도파관 코어로 사용하는 것을 탐구하고 있으며, 이는 손실이 적고 광섬유와의 호환성이 더 좋지만 공정 복잡성이 증가합니다.

IV. 미래 청사진: 실험실에서 광대한 우주로

수많은 과제에도 불구하고 실리콘 포토닉스 FOG의 진화 경로는 명확해졌습니다.

단기(1-3년): 전술적 응용 분야에 집중(영점 바이어스 안정성 1-10°/h). 목표 시장은 소형화 및 저비용 솔루션이 시급히 필요한 소비자 드론, 로봇, 자율 주행 차량 및 휴대용 장치입니다. 이 수준에서 실리콘 포토닉스 FOG의 부피 및 비용 이점이 먼저 입증될 것이며, 성능은 요구 사항을 충족하기에 충분합니다.

중기(3-10년): 결합 손실 감소 및 성숙한 편광 제어 기술을 통해 정밀도가 관성 항법 수준에 도달할 것으로 예상됩니다. 이러한 발전은 고급 산업 항법, 중형 드론 및 정밀 유도 탄약 분야에서 기존 FOG의 중급 시장을 잠식하기 시작할 것입니다.

장기 비전: "칩 위의 자이로스코프" 달성. 이종 집적 기술을 통해 레이저, 증폭기 및 검출기를 통합하고, 일부 광섬유 코일을 대체하기 위해 저손실 "온칩 나선형 도파관"을 직접 제작하는 것을 탐구함으로써 관성 센서의 형태를 혁신할 것입니다. 마이크로 위성, 생체 내 항법 및 사물 인터넷을 위한 궁극적인 자율 항법 솔루션을 제공할 것입니다.

그림: 실리콘 포토닉스 FOG 기술의 개발 로드맵 및 미래 응용 시나리오

결론: 조용한 패러다임 전환

실리콘 광섬유 자이로스코프는 단순한 특정 기술 업그레이드가 아니라 패러다임 전환을 나타냅니다. 즉, 관성 항법을 정밀 기계 광학 시대에서 반도체 집적 광전자 시대으로 전환하는 것입니다. 경쟁자는 이전 세대의 섬유 자이로스코프뿐만 아니라 빠르게 발전하는 MEMS 자이로스코프 및 레이저 자이로스코프입니다.

이 경쟁의 본질은 정밀도, 비용, 크기 및 전력 소비 간의 다차원적인 균형을 달성하는 데 있습니다. 고유한 통합 기능과 제조 잠재력을 갖춘 실리콘 포토닉스 FOG는 향후 10년 동안 중저정밀 시장에서 상당한 영향을 미치며 항법 산업의 지형을 재정의할 것입니다.

항법 시스템이 칩만큼 대량 생산 가능해지면 진정한 유비쿼터스 자율 지능 시대가 가속화될 것입니다. 칩 깊숙한 곳에서 빛의 이 조용한 춤은 조용히 우리를 그 미래로 인도하고 있습니다.

LKF--FS40 실리콘 광자이로는 통합 실리콘 포토닉스 광학 경로를 채택하여 기존 광섬유 자이로 설계 원칙에서 벗어났습니다. 제어 응용 분야에 이상적인 저정밀 각속도 센서로서 관성 측정 및 제어 시스템에 널리 사용됩니다. 성숙한 제품 설계를 기반으로 이 장치는 대량 생산을 위해 여러 엔지니어링 최적화를 통합하여 뛰어난 비용 효율성을 제공합니다.