Что такое кремниевый фотонный FOG? Переосмысление навигации с помощью чип-масштабных волоконно-оптических гироскопов

В области инерциальной навигации точность и размер часто кажутся несовместимыми. В то время как традиционные высокоточные волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) обеспечивают исключительную производительность, их сложная оптическая схема и тщательная упаковка создают значительные проблемы для приложений, требующих экстремальной миниатюризации и экономической эффективности. Однако технологическая революция, движимая кремниевой фотоникой, незаметно преображает этот ландшафт—кремниевый фотонный волоконный гироскоп, концепция, звучащая футуристично, стремится заключить целые оптические навигационные системы в один чип.

От настольной системы до чипа на кончике пальца: революция миниатюризации

Чтобы понять разрушительную природу кремниевого фотонного ВОГ, мы должны сначала изучить конструкцию обычного ВОГ.

Основу высокоточного волоконно-оптического гироскопа составляет не только километровая оптическая волоконная катушка, но и интегрированный оптический чип (Y-волновод). Обычно изготавливаемый из ниобата лития, этот чип объединяет критические функции, такие как разделение света и фазовая модуляция, служа «центром трафика» оптического пути. Однако он остается дискретным компонентом миллиметрового масштаба, требующим точного выравнивания и пайки с источником света, детектором, соединителем и другими компонентами.

Основная концепция технологии кремниевой фотоники заключается в интеграции нескольких дискретных оптических компонентов, включая функциональность Y-волновода, на одной кремниевой пластине с использованием отработанных процессов изготовления полупроводников.

Представьте себе: несколько оптических «строительных блоков», которые изначально требовали точной сборки, напрямую спроектированы как волноводы, модуляторы и разделители луча микро-нано-масштаба, все изготовленные на одной кремниевой подложке методом литографии. Световые сигналы проходят и обрабатываются внутри кремниевых волноводов субмикронного масштаба, потенциально уменьшая объем и вес системы на порядок, одновременно значительно повышая эффективность производства и согласованность.

Рисунок: Сложный дискретный оптический путь традиционного волоконно-оптического гироскопа (слева) против чип-архитектуры кремниевого интегрированного ВОГ (справа)

2. Почему кремний? Уменьшение размеров процесса КМОП

Выбор кремния сделан намеренно, поскольку он предлагает непревзойденные промышленные преимущества:

1. Преимущества процесса: Кремниевая фотоника хорошо совместима с процессами интегральных схем КМОП, которые привели к информационному веку. Это означает, что производство кремниевых фотонных чипов может быть передано на аутсорсинг глобально признанным полупроводниковым литейным предприятиям, таким как TSMC и SMIC. После завершения проектирования может быть достигнуто крупномасштабное, высокоточное производство на уровне пластин, что является ключом к выходу за рамки традиционного оптического «ручного производства» и обеспечению экспоненциального снижения затрат.

2. Сверхвысокая интеграция: Размер кремниевых волноводов на два порядка меньше, чем у сердечников оптических волокон, что позволяет интегрировать сложные оптические схемы на чипах размером с ноготь. В будущем, возможно, даже удастся собрать микро-источники света и детекторы на одном чипе с помощью гетероинтеграционной технологии, продвигаясь к «системе-на-чипе все в одном».

3. Новые характеристики производительности: Кремниевые материалы проявляют выраженные термооптические эффекты (со значительными изменениями показателя преломления в зависимости от температуры). Хотя это создает проблемы со стабильностью, парадоксальным образом это позволяет исключительно просто изготавливать высокоскоростные, маломощные термооптические фазовые модуляторы, способствуя разработке передовых систем обнаружения с замкнутым контуром.

Рисунок: Кремниевая фотонная чип-пластина, изготовленная с использованием процесса КМОП (слева), и микроскопический вид структуры кремниевого волновода (справа)

III. Тьма перед рассветом: технический пик, который предстоит преодолеть

Хотя видение прекрасно, путь к индустриализации полон терний. Кремниевый фотонный ВОГ в настоящее время сталкивается с несколькими основными проблемами, все из которых сходятся в одной цели: как добиться экстремальной миниатюризации, не жертвуя, или даже улучшая, «душу» гироскопа—его точность и стабильность.

Задача 1: «Укрощение» поляризации затруднено. Кремниевые волноводы по своей природе проявляют сильную поляризационную зависимость (двойное лучепреломление), в то время как высокоточный ВОГ требует, чтобы оптический путь поддерживал чрезвычайно чистое и стабильное состояние поляризации. Обеспечение эффективного контроля поляризации и фильтрации на чипах остается основной задачей. В настоящее время исследователи сосредоточены на разработке специализированных волноводных структур или разработке поляризационно-независимых архитектур гироскопов.

Задача 2: Чрезмерные потери света «вход/выход». Это остается самым насущным узким местом. Одномодовые волокна имеют диаметр модового поля примерно 9 микрометров, в то время как кремниевые волноводы измеряются всего около 0,5 микрометров. Когда эти две системы соединены, это похоже на попытку направить воду из реки в узкую трубу—что приводит к значительным потерям связи. Решение заключается в разработке сложных «преобразователей модового поля», таких как волноводы с перевернутым конусом или решетчатые соединители, которые действуют как оптические сигнальные «воронки».

Рисунок: Несоответствие размера модового поля между одномодовым волокном и кремниевым волноводом приводит к значительным потерям связи

Задача 3: Побочные эффекты, чувствительные к температуре. Высокий температурный коэффициент кремния — палка о двух концах. Хотя это упрощает конструкцию модулятора, это также делает чип очень чувствительным к внешним колебаниям температуры, что делает его подверженным тепловому фазовому шуму. Это требует, чтобы система была оснащена прецизионным контролем температуры или передовыми алгоритмами компенсации в реальном времени.

Задача 4: Исследование новых материалов. Потери и нелинейные эффекты чистых кремниевых волноводов остаются препятствием для достижения более высокой точности. Поэтому отрасль также изучает использование таких материалов, как нитрид кремния или диоксид кремния, в качестве сердечников волноводов, которые демонстрируют меньшие потери и лучшую совместимость с оптическими волокнами, хотя и с соответствующим увеличением сложности процесса.

IV. План на будущее: от лаборатории к огромной вселенной

Несмотря на многочисленные проблемы, путь развития кремниевого фотонного ВОГ стал ясен:

Краткосрочный (1-3 года): Сосредоточьтесь на тактических приложениях (стабильность нулевого смещения 1-10°/ч). Целевым рынком являются потребительские дроны, роботы, автономные транспортные средства и портативные устройства, которым срочно требуются миниатюрные и недорогие решения. На этом уровне будут впервые продемонстрированы преимущества кремниевого фотонного ВОГ в отношении объема и стоимости, а производительность будет достаточной для удовлетворения потребностей.

Среднесрочный (3-10 лет): Благодаря уменьшенным потерям связи и зрелой технологии контроля поляризации ожидается, что точность достигнет уровня инерциальной навигации. Это продвижение начнет разрушать среднерыночный сегмент традиционных ВОГ, с приложениями в высококлассной промышленной навигации, дронах среднего размера и высокоточных управляемых боеприпасах.

Долгосрочное видение: Достижение «Гироскопов на чипах». Интегрируя лазеры, усилители и детекторы с помощью гетерогенной интеграционной технологии и даже исследуя прямое изготовление «спиральных волноводов на чипе» с низкими потерями для замены некоторых волоконно-оптических катушек, это революционизирует форму инерциальных датчиков. Это обеспечит оптимальные решения для автономной навигации для микроспутников, навигации in vivo и Интернета вещей.

Рисунок: Дорожная карта разработки и будущие сценарии применения технологии кремниевого фотонного ВОГ

Заключение: Тихое изменение парадигмы

Кремниевый оптический волоконный гироскоп — это не просто конкретное технологическое усовершенствование, а изменение парадигмы: он переводит инерциальную навигацию из эры прецизионной механической оптики в эру полупроводниковой интегрированной оптоэлектроники. Его конкурентами являются не только предыдущее поколение волоконных гироскопов, но и быстро развивающиеся МЭМС-гироскопы и лазерные гироскопы.

Суть этой конкуренции заключается в достижении многомерного баланса между точностью, стоимостью, размером и энергопотреблением. Благодаря своим внутренним возможностям интеграции и производственному потенциалу, кремниевый фотонный ВОГ готов оказать значительное влияние на рынок средней и низкой точности в течение следующего десятилетия, переопределяя ландшафт навигационной индустрии.

Эра по-настоящему повсеместного автономного интеллекта ускорится, когда навигационные системы станут такими же массово производимыми, как чипы. Этот тихий танец света в глубинах чипов незаметно ведет нас к этому будущему.

Кремниевый фотогироскоп LKF--FS40 отходит от традиционных принципов проектирования волоконно-оптических гироскопов, используя интегрированный кремниевый фотонный оптический путь. Являясь идеальным датчиком угловой скорости низкой точности для приложений управления, он широко используется в системах измерения и управления инерциальными параметрами. Основываясь на отработанных конструкциях изделий, устройство включает в себя несколько инженерных оптимизаций для массового производства, обеспечивая исключительную экономическую эффективность.