Czym jest fotoniczny FOG krzemowy? Redefiniowanie nawigacji za pomocą chipowych żyroskopów światłowodowych

W dziedzinie nawigacji inercyjnej precyzja i rozmiar często wydają się być w sprzeczności. Podczas gdy tradycyjne, precyzyjne żyroskopowe światłowodowe (FOG) zapewniają wyjątkową wydajność, ich skomplikowane obwody optyczne i skrupulatne pakowanie stanowią poważne wyzwania dla zastosowań wymagających ekstremalnej miniaturyzacji i efektywności kosztowej. Jednak rewolucja technologiczna napędzana przez fotonikę krzemową cicho zmienia ten krajobraz—żyroskop światłowodowy krzemowy, brzmiący futurystycznie koncept, ma na celu zamknięcie całych optycznych systemów nawigacyjnych w jednym chipie.

Od systemu stacjonarnego do chipa na koniuszku palca: Rewolucja miniaturyzacji

Aby zrozumieć rewolucyjny charakter krzemowego FOG, musimy najpierw zbadać konstrukcję konwencjonalnego FOG.

Rdzeń średnio-wysokiej precyzji żyroskopu światłowodowego składa się nie tylko z cewki światłowodowej o długości kilometra, ale także ze zintegrowanego chipa optycznego (falowodu Y). Zazwyczaj wykonany z niobatu litu, chip ten integruje krytyczne funkcje, takie jak rozszczepianie światła i modulacja fazy, służąc jako „węzeł komunikacyjny” ścieżki optycznej. Pozostaje jednak dyskretnym komponentem w skali milimetrowej, który wymaga precyzyjnego wyrównania i lutowania ze źródłem światła, detektorem, sprzęgaczem i innymi komponentami.

Podstawową koncepcją technologii fotoniki krzemowej jest zintegrowanie wielu dyskretnych komponentów optycznych, w tym funkcjonalności falowodu Y, na pojedynczej płytce krzemowej przy użyciu dojrzałych procesów produkcji półprzewodników.

Wyobraź sobie to: wiele optycznych „klocków”, które pierwotnie wymagały precyzyjnego montażu, jest bezpośrednio zaprojektowanych jako falowody, modulatory i rozdzielacze wiązki w skali mikro-nano, wszystkie wykonane w pojedynczym podłożu krzemowym za pomocą litografii. Sygnały świetlne przechodzą i są przetwarzane w falowodach krzemowych o skali submikronowej, potencjalnie zmniejszając objętość i wagę systemu o rząd wielkości, jednocześnie znacznie zwiększając wydajność produkcji i spójność.

Rysunek: Złożona dyskretna ścieżka optyczna tradycyjnego żyroskopu światłowodowego (po lewej) vs. Architektura oparta na chipach zintegrowanego FOG krzemowego (po prawej)

2. Dlaczego krzem? Redukcja wymiarów procesu CMOS

Wybór krzemu jest celowy, ponieważ oferuje niezrównane zalety przemysłowe:

1. Zalety procesu: Fotonika krzemowa jest wysoce kompatybilna z procesami układów scalonych CMOS, które napędzały erę informacyjną. Oznacza to, że produkcja chipów fotoniki krzemowej może być zlecana globalnie uznanym odlewniom półprzewodników, takim jak TSMC i SMIC. Po sfinalizowaniu projektu można osiągnąć wielkoseryjną, precyzyjną produkcję na poziomie płytek, co jest kluczem do wyjścia poza tradycyjną produkcję optyczną „warsztatu rękodzielniczego” i umożliwienia wykładniczych redukcji kosztów.

2. Ultra-wysoka integracja: Rozmiar falowodów krzemowych jest dwa rzędy wielkości mniejszy niż rdzenie światłowodów, co umożliwia integrację złożonych obwodów optycznych na chipach wielkości paznokcia. W przyszłości może być nawet możliwe zmontowanie mikro-źródeł światła i detektorów na tym samym chipie za pomocą technologii hetero-integracji, zmierzając w kierunku „systemu typu wszystko w jednym na chipie”.

3. Nowe cechy wydajności: Materiały krzemowe wykazują wyraźne efekty termooptyczne (ze znacznymi zmianami współczynnika załamania światła zależnymi od temperatury). Chociaż stwarza to wyzwania dla stabilności, paradoksalnie umożliwia wyjątkowo proste wytwarzanie szybkich, energooszczędnych modulatorów fazowych termooptycznych, ułatwiając rozwój zaawansowanych systemów detekcji w pętli zamkniętej.

Rysunek: Płytka chipowa fotoniki krzemowej wyprodukowana przy użyciu procesu CMOS (po lewej) i mikroskopowy widok struktury falowodu krzemowego (po prawej)

III. Ciemność przed świtem: Szczyt techniczny do pokonania

Chociaż wizja jest piękna, droga do uprzemysłowienia jest usłana cierniami. Krzemowy FOG stoi obecnie w obliczu kilku podstawowych wyzwań, które zbiegają się w jednym celu: jak osiągnąć ekstremalną miniaturyzację bez poświęcania, a nawet wzmacniania, „duszy” żyroskopu—jego precyzji i stabilności.

Wyzwanie 1: „Ujarzmienie” polaryzacji jest trudne. Falowody krzemowe z natury wykazują silną zależność od polaryzacji (dwójłomność), podczas gdy precyzyjny FOG wymaga, aby ścieżka optyczna utrzymywała niezwykle czysty i stabilny stan polaryzacji. Osiągnięcie wydajnej kontroli polaryzacji i filtrowania na chipach pozostaje głównym wyzwaniem. Obecnie naukowcy koncentrują się na projektowaniu specjalnych struktur falowodów lub opracowywaniu architektur żyroskopów niezależnych od polaryzacji.

Wyzwanie 2: Nadmierna strata światła „wejście/wyjście”. Pozostaje to najpilniejszym wąskim gardłem. Włókna jednomodowe mają średnicę pola modowego wynoszącą około 9 mikrometrów, podczas gdy falowody krzemowe mierzą tylko około 0,5 mikrometra. Kiedy te dwa systemy są połączone, to jak próba skierowania wody z rzeki do wąskiej rury—powodując znaczne straty sprzężenia. Rozwiązanie polega na zaprojektowaniu wyrafinowanych „konwerterów pola modowego”, takich jak falowody stożkowe odwrócone lub sprzęgacze kratowe, które działają jako optyczne „lejki” sygnału.

Rysunek: Poważna niezgodność rozmiaru pola modowego między włóknem jednomodowym a falowodem krzemowym powoduje znaczne straty sprzężenia

Wyzwanie 3: Skutki uboczne wrażliwe na temperaturę. Wysoki współczynnik cieplny krzemu jest mieczem obosiecznym. Chociaż upraszcza konstrukcję modulatora, sprawia również, że chip jest bardzo wrażliwy na zewnętrzne wahania temperatury, co czyni go podatnym na szumy fazowe indukowane termicznie. Wymaga to wyposażenia systemu w precyzyjną kontrolę temperatury lub zaawansowane algorytmy kompensacji w czasie rzeczywistym.

Wyzwanie 4: Eksploracja nowych materiałów. Straty i efekty nieliniowe czystych falowodów krzemowych pozostają przeszkodami w osiągnięciu wyższej precyzji. Dlatego przemysł bada również zastosowanie materiałów takich jak azotki krzemu lub dwutlenek krzemu jako rdzeni falowodów, które wykazują mniejsze straty i lepszą kompatybilność z włóknami optycznymi, choć przy odpowiednio zwiększonej złożoności procesu.

IV. Plan na przyszłość: Od laboratorium do rozległego wszechświata

Pomimo licznych wyzwań, ścieżka ewolucji krzemowego FOG stała się jasna:

Krótkoterminowy (1-3 lata): Skupienie się na zastosowaniach taktycznych (stabilność zerowa 1-10°/h). Rynkiem docelowym są drony konsumenckie, roboty, pojazdy autonomiczne i urządzenia przenośne, które pilnie wymagają zminiaturyzowanych i tanich rozwiązań. Na tym poziomie zalety objętości i kosztów krzemowego FOG zostaną po raz pierwszy zademonstrowane, a wydajność będzie wystarczająca, aby sprostać wymaganiom.

Średnioterminowy (3-10 lat): Dzięki zmniejszonym stratom sprzężenia i dojrzałej technologii kontroli polaryzacji oczekuje się, że precyzja osiągnie poziom nawigacji inercyjnej. Ten postęp zacznie erodować średni zakres rynku tradycyjnych FOG, z zastosowaniami w zaawansowanej nawigacji przemysłowej, średniej wielkości dronach i precyzyjnie naprowadzanej amunicji.

Długoterminowa wizja: Osiągnięcie „Żyroskopów na chipach”. Poprzez integrację laserów, wzmacniaczy i detektorów za pomocą technologii heterogenicznej integracji, a nawet eksplorację bezpośredniego wytwarzania nisko stratnych „falowodów spiralnych na chipie” w celu zastąpienia niektórych cewek światłowodowych, zrewolucjonizuje to formę czujników inercyjnych. Zapewni to ostateczne rozwiązania nawigacji autonomicznej dla mikrosatelitów, nawigacji in vivo i Internetu Rzeczy.

Rysunek: Plan rozwoju i przyszłe scenariusze zastosowań technologii krzemowego FOG

Wniosek: Cicha zmiana paradygmatu

Żyroskop światłowodowy krzemowy to nie tylko konkretne ulepszenie technologiczne, ale reprezentuje zmianę paradygmatu: przechodzi nawigację inercyjną od ery precyzyjnej optyki mechanicznej do ery zintegrowanej optoelektroniki półprzewodnikowej. Jego konkurentami są nie tylko poprzednia generacja żyroskopów światłowodowych, ale także szybko rozwijające się żyroskopy MEMS i żyroskopy laserowe.

Istota tej konkurencji polega na osiągnięciu wielowymiarowej równowagi między precyzją, kosztem, rozmiarem i zużyciem energii. Dzięki wrodzonym możliwościom integracji i potencjałowi produkcyjnemu, krzemowy FOG ma stworzyć znaczący wpływ na rynek o średniej i niskiej precyzji w ciągu następnej dekady, na nowo definiując krajobraz branży nawigacyjnej.

Era prawdziwie wszechobecnej autonomicznej inteligencji przyspieszy, gdy systemy nawigacyjne staną się tak masowo produkowane jak chipy. Ten cichy taniec światła w głębinach chipów cicho prowadzi nas ku tej przyszłości.

Krzemowy fotogiroskop LKF--FS40 odchodzi od tradycyjnych zasad projektowania żyroskopów światłowodowych, przyjmując zintegrowaną krzemową ścieżkę optyczną. Jako idealny czujnik prędkości kątowej o niskiej precyzji do zastosowań kontrolnych, jest szeroko stosowany w inercyjnych systemach pomiaru i kontroli. Opierając się na dojrzałych projektach produktów, urządzenie zawiera wiele optymalizacji inżynieryjnych do masowej produkcji, zapewniając wyjątkową opłacalność.