سیلیکون فوتونیک فوگ چیست؟

در قلمرو ناوبری بی حرکت، دقت و اندازه اغلب در تضاد به نظر می رسند. در حالی که جیروسکوپ های سنتی فیبر نوری با دقت بالا عملکرد استثنایی را ارائه می دهند،مدارهای نوری پیچیده و بسته بندی دقیق آنها چالش های قابل توجهی را برای کاربردهایی که نیاز به کوچک سازی و بهره وری هزینه دارند، ایجاد می کند.با اين حال يک انقلاب فني که توسط سيليکون فوتونيک رانده شده️ژایروسکوپ فیبر فوتونیک سیلیکون، یک مفهوم آینده نگرانه، هدف آن جمع آوری کل سیستم های ناوبری نوری در یک تراشه واحد است.

از سیستم دسکتاپ به تراشه نوک انگشت: یک انقلاب کوچک سازی

برای درک ماهیت مخرب سیلیکون فوتونی FOG، باید ابتدا طراحی FOG معمولی را بررسی کنیم.

هسته یک ژایروسکوپ فیبر نوری با دقت متوسط تا بالا شامل نه تنها یک سیم پیچ فیبر نوری با طول یک کیلومتر بلکه یک تراشه نوری یکپارچه نیز می باشد.به طور معمول از لیتیوم نیوبات ساخته شده است، این تراشه شامل توابع حیاتی مانند تقسیم نور و تعدیل فاز است که به عنوان "مربع ترافیک" مسیر نوری عمل می کند.این یک جزء جدا از مقیاس میلی متری باقی می ماند که نیاز به تراز دقیق و جوش با منبع نور دارد، آشکارساز، کوپلر و سایر اجزای آن.

مفهوم اصلی تکنولوژی فوتونیک سیلیکون این است که چندین قطعه نوری مجزا را از جمله قابلیت هدایت موج Y، ادغام کند.بر روی یک وافر سیلیکونی واحد با استفاده از فرآیندهای تولید نیمه هادی بالغ.

تصور کنید: چندین بلوک ساختمانی نوری که در اصل نیاز به مونتاژ دقیق داشتند به طور مستقیم به عنوان موج رسان های مقیاس کوچک، مدولاتورها و تقسیم کننده های پرتو طراحی شده اند.همه آنها در یک بستر سیلیکونی واحد از طریق لیتوگرافی ساخته شده اندسیگنال های نوری از داخل موج های سیلیکونی زیر میکروانی عبور می کنند و پردازش می شوند.به طور بالقوه حجم و وزن سیستم را با یک نظم بزرگ کاهش می دهد در حالی که به طور قابل توجهی کارایی و ثبات تولید را افزایش می دهد.

شکل: مسیر نوری مجزا و پیچیده از ژایروسکوپ فیبر نوری سنتی (چپ) در مقابل معماری مبتنی بر تراشه ای از سیلیکون یکپارچه FOG (راست)

2چرا سیلیکون؟ کاهش ابعاد فرآیند CMOS

انتخاب سیلیکون عمدی است، زیرا مزایای صنعتی بی نظیر را ارائه می دهد:

1مزایای فرآیند: فوتونیک سیلیکون بسیار سازگار با فرآیندهای مدار یکپارچه CMOS است که عصر اطلاعات را هدایت می کند.این به این معنی است که تولید تراشه های فوتونیک سیلیکون می تواند به کارخانه های نردبان نیمه هادی شناخته شده در سطح جهانی مانند TSMC و SMIC صادر شود.هنگامی که طراحی نهایی می شود، تولید مقیاس بزرگ و با دقت بالا در سطح وافر می تواند به دست آید.که کلیدی برای فراتر رفتن از تولید سنتی "کارگاه دستی" نوری است و کاهش هزینه های نمایی را ممکن می کند.

2یکپارچگی فوق العاده: اندازه موج های سیلیکونی دو درجه کوچکتر از هسته های فیبر نوری است.که امکان ادغام مدارهای نوری پیچیده را در تراشه هایی به اندازه یک ناخن انگشت فراهم می کنددر آینده، ممکن است حتی امکان جمع آوری منابع نور کوچک و آشکارسازان بر روی یک تراشه از طریق فناوری همبستگی همبستگی وجود داشته باشد، که به سمت "سیستم همه در یک تراشه" پیش می رود.

3ویژگی های عملکردی جدید: مواد سیلیکون دارای اثرات متمایز ترمو آپتیک هستند (با تغییرات قابل توجهی در شاخص شکنندگی وابسته به درجه حرارت).به طور متناقض امکان ساخت بسيار ساده از موتورهای با سرعت بالا را فراهم مي کند، مدولاتورهای فاز ترمو آپتیک با قدرت کم، توسعه سیستم های پیشرفته تشخیص حلقه بسته را تسهیل می کنند.

شکل: سیلیکون فوتونیک چیپ وفر ساخته شده با استفاده از فرآیند CMOS (چپ) و نمای میکروسکوپی از ساختار موج هدایت سیلیکون (راست)

III. تاریکی پیش از طلوع آفتاب: اوج فنی برای مقابله

در حالی که چشم انداز زیبا است، راه صنعتی شدن پر از خار است. سیلیکون فوتونیک FOG در حال حاضر با چندین چالش اصلی روبرو است، که همه آنها به یک هدف نزدیک می شوند:چطور بدون قربانی کردن، یا حتی افزایش، "روح گیروسکوپ"️دقت و ثباتش.

چالش ۱: قطبی شدن "تخفیف" دشوار است. موج های سیلیکونی به طور ذاتی وابستگی قطبی قوی (birefringence) را نشان می دهند.در حالی که FOG با دقت بالا نیاز به مسیر نوری برای حفظ یک حالت قطبی بسیار خالص و پایدار دارد. دستیابی به کنترل قطب بندی کارآمد و فیلتر کردن روی تراشه ها همچنان چالش اصلی است.محققان بر طراحی سازه های موج راهنمای تخصصی و یا توسعه معماری های ژایروسکوپ مستقل از قطبی سازی تمرکز دارند.

چالش دوم: از دست دادن بیش از حد نور "در / خارج". این همچنان مهمترین خنک است. فیبر های تک حالت دارای قطر میدان حالت حدود 9 میکرو متر است.در حالی که موج های سیلیکونی فقط حدود 0وقتی این دو سیستم به هم متصل شوند، مثل این است که سعی کنید آب رودخانه را به یک لوله باریک هدایت کنید️که منجر به از دست دادن قابل توجهی از اتصال می شود. راه حل در طراحی "مبدل میدان حالت" پیچیده ای مانند موج های مخروط معکوس یا زوج های شبکه ای قرار دارد.که به عنوان فانوس های سیگنال نوری عمل می کنند. "

شکل: عدم تطابق اندازه میدان حالت شدید بین فیبر تک حالت و موج هدایت سیلیکون منجر به از دست دادن قابل توجهی در اتصال می شود

چالش سوم: عوارض جانبی حساس به درجه حرارت، ضریب حرارتی بالا سیلیکون یک شمشیر دو لبه است.همچنین باعث می شود که تراشه به نوسانات دمای خارجی بسیار حساس باشداین امر مستلزم مجهز کردن سیستم با کنترل دقیق دمای یا الگوریتم های جبران پیشرفته در زمان واقعی است.

چالش ۴: اکتشاف مواد جدید. از دست دادن و اثرات غیرخطی موج های سیلیکون خالص همچنان موانع برای دستیابی به دقت بالاتر است. بنابراین،صنعت همچنین در حال بررسی استفاده از مواد مانند نیترید سیلیکون یا دی اکسید سیلیکون به عنوان هسته های موج، که از دست دادن کمتری و سازگاری بهتر با فیبر نوری را نشان می دهند، هرچند با پیچیدگی فرآیند افزایش یافته است.

نقشه آینده: از آزمایشگاه تا جهان وسیع

با وجود چالش های متعدد، مسیر تکامل سیلیکون فوتونیک FOG روشن شده است:

کوتاه مدت (1-3 سال): تمرکز بر برنامه های کاربردی تاکتیکی (ثبات بی طرفی صفر 1-10°بازار هدف، هواپیماهای بدون سرنشین مصرفی، روبات ها، وسایل نقلیه خودکار و دستگاه های قابل حمل است که به سرعت به راه حل های کوچک و کم هزینه نیاز دارند.مزیت حجم و هزینه سیلیکون فوتونیک FOG ابتدا نشان داده خواهد شد.، با عملکرد کافی برای پاسخگویی به خواسته ها.

در میان مدت (3-10 سال): با کاهش از دست دادن اتصال و فناوری کنترل قطبی شدن بالغ، انتظار می رود دقت به سطح ناوبری بی حرکت برسد.این پیشرفت شروع به فروپاشی بازار میان رده از FOG سنتی خواهد کرد، با کاربردهای ناوبری صنعتی پیشرفته، هواپیماهای بدون سرنشین متوسط و مهمات دقیق هدایت شده.

چشم انداز بلند مدت: دستیابی به "جیروسکوپ بر روی تراشه ها". با ادغام لیزرها، تقویت کننده ها و آشکارسازان از طریق تکنولوژی ادغام ناهمگن،و حتی در حال بررسی ساخت مستقیم از "روندهای موج مارپیچی روی تراشه" با ضرر کم برای جایگزینی برخی از کویل های فیبر نوری، این یک انقلاب در شکل حسگرهای بی وقفه خواهد بود. این آخرین راه حل های ناوبری مستقل را برای ماهواره های کوچک، ناوبری زنده و اینترنت همه چیز فراهم می کند.

شکل: نقشه راه توسعه و سناریوهای کاربرد آینده تکنولوژی سیلیکون فوتونیک FOG

نتیجه گیری: یک تغییر سکوتانه در الگوی تفکر

ژايروسکوپ فيبر نوري سيليکوني فقط يه ارتقاء تكنولوژيکي خاص نيست، بلکه يک تغيير پارادايمي است:در حال انتقال ناوبری بی حرکت از عصر عینک مکانیکی دقیق به عصر اپتو الکترونیک نیمه هادی استرقبای آن نه تنها نسل قبلی ژایروسکوپ های فیبر، بلکه ژایروسکوپ های MEMS و ژایروسکوپ های لیزری هستند که به سرعت پیشرفت می کنند.

ماهیت این رقابت در دستیابی به تعادل چند بعدی بین دقت، هزینه، اندازه و مصرف انرژی است.,سیلیکون فوتونیک FOG آماده است تا در دهه آینده تاثیر قابل توجهی در بازار دقت متوسط تا پایین داشته باشد و چشم انداز صنعت ناوبری را دوباره تعریف کند.

عصر هوش مستقل واقعاً همه جاست زمانی تسریع خواهد شد که سیستم های ناوبری به اندازه تراشه ها قابل تولید انبوه شوند.این رقص خاموش نور در اعماق تراشه ها به آرامی ما را به سمت آن آینده هدایت می کند.

LKF - FS40 سیلیکون photogyro از اصول طراحی سنتی فیبر نوری جیرو با اتخاذ یک مسیر نوری فوتونیک سیلیکون یکپارچه جدا می شود.به عنوان یک سنسور دقیق کم سرعت زاویه ای ایده آل برای برنامه های کنترل، به طور گسترده ای در سیستم های اندازه گیری و کنترل بی وقفه استفاده می شود. بر اساس طرح های محصول بالغ، این دستگاه شامل بهینه سازی های مهندسی متعدد برای تولید انبوه است.ارائه هزینه های استثنایی.