¿Qué es el FOG fotónico de silicio?

En el ámbito de la navegación inercial, la precisión y el tamaño a menudo parecen estar en desacuerdo.Su compleja circuitería óptica y su meticuloso embalaje plantean desafíos significativos para aplicaciones que exigen una miniaturización extrema y una eficiencia de costosSin embargo, una revolución tecnológica impulsada por la fotónica de silicio está transformando silenciosamente este paisaje.¿Qué quieres decir?El giroscopio de fibra fotónica de silicio, un concepto de sonido futurista, tiene como objetivo encapsular sistemas de navegación óptica completos dentro de un solo chip.

Desde el sistema de escritorio hasta el chip de la punta del dedo: una revolución de miniaturización

Para comprender la naturaleza disruptiva del FOG fotónico de silicio, primero debemos examinar el diseño del FOG convencional.

El núcleo de un giroscopio de fibra óptica de precisión media a alta comprende no sólo una bobina de fibra óptica de un kilómetro de largo, sino también un chip óptico integrado (guía de ondas Y).Normalmente fabricados a partir de niobato de litio, este chip integra funciones críticas como la división de la luz y la modulación de fase, sirviendo como el "nucleo de tráfico" de la ruta óptica.sigue siendo un componente discreto a escala milimétrica que requiere una alineación precisa y soldadura con la fuente de luz, detector, acoplador y otros componentes.

El concepto central de la tecnología fotónica de silicio es integrar múltiples componentes ópticos discretos, incluyendo la funcionalidad de guía de ondas en Y,con un contenido de aluminio superior o igual a 10%, pero no superior a 50%.

Imaginen esto: múltiples "bloques de construcción" ópticos que originalmente requerían un ensamblaje preciso están diseñados directamente como guías de onda, moduladores y divisores de haz a micro-nanoescala,todos fabricados en un solo sustrato de silicio mediante litografíaLas señales de luz atraviesan y procesan dentro de las guías de onda de silicio a escala submicrónica.reducir potencialmente el volumen y el peso del sistema en un orden de magnitud al tiempo que mejora significativamente la eficiencia y la consistencia de la producción..

Figura: Trayectoria óptica discreta compleja del giroscopio de fibra óptica tradicional (izquierda) frente a la arquitectura basada en chips del FOG integrado con silicio (derecha)

2¿Por qué el silicio? La reducción de dimensiones del proceso CMOS

La elección del silicio es deliberada, ya que ofrece ventajas industriales incomparables:

1Ventajas del proceso: La fotónica de silicio es altamente compatible con los procesos de circuito integrado CMOS que impulsaron la era de la información.Esto significa que la fabricación de chips de fotónica de silicio puede ser externalizada a fundiciones de semiconductores establecidas a nivel mundial como TSMC y SMICUna vez finalizado el diseño, se puede lograr una producción a gran escala y de alta precisión a nivel de obleas.que es clave para ir más allá de la producción óptica tradicional de "taller artesanal" y permitir reducciones exponenciales de costes.

2- Integración ultra alta: el tamaño de las guías de onda de silicio es dos órdenes de magnitud menor que el de los núcleos de fibra óptica,que permite la integración de circuitos ópticos complejos en chips del tamaño de una uñaEn el futuro, puede incluso ser posible ensamblar fuentes de micro-luz y detectores en el mismo chip a través de la tecnología de heterointegración, avanzando hacia "un sistema todo en uno en un chip".

3. Novas características de rendimiento: los materiales de silicio presentan efectos termoópticos pronunciados (con variaciones significativas del índice de refracción dependientes de la temperatura).Paradójicamente permite la fabricación excepcionalmente simple de alta velocidad, moduladores de fase termoópticos de baja potencia, que facilitan el desarrollo de sistemas avanzados de detección de circuito cerrado.

Figura: oblea de chip fotónico de silicio fabricada mediante el proceso CMOS (izquierda) y vista microscópica de la estructura de guía de onda de silicio (derecha)

III. La oscuridad antes del amanecer: el pico técnico a abordar

Si bien la visión es hermosa, el camino hacia la industrialización está lleno de espinas.¿Cómo lograr la miniaturización extrema sin sacrificar, o incluso mejorar, el "alma" del giroscopio¿Qué quieres decir?su precisión y estabilidad.

El desafío 1: La polarización es difícil de domar.mientras que el FOG de alta precisión requiere que la ruta óptica mantenga un estado de polarización extremadamente puro y estableEl control eficiente de la polarización y el filtrado en los chips siguen siendo el principal desafío.Los investigadores se centran en el diseño de estructuras especializadas de guías de onda o en el desarrollo de arquitecturas giroscópicas independientes de la polarización.

Desafío 2: pérdida excesiva de luz "dentro/fuera".mientras que las guías de onda de silicio miden sólo alrededor de 0Cuando estos dos sistemas están unidos, es como tratar de canalizar el agua de un río en una tubería estrecha¿Qué quieres decir?La solución radica en el diseño de "convertidores de campo de modo" sofisticados, como guías de onda de cono invertido o acopladores de rejilla.que actúan como embudo de señal óptica."

Figura: Desajuste de tamaño de campo de modo severo entre fibra monomodo y guía de onda de silicio resulta en pérdida significativa de acoplamiento

El alto coeficiente térmico del silicio es una espada de doble filo.También hace que el chip sea muy sensible a las fluctuaciones de temperatura externa.Esto requiere que el sistema esté equipado con un control de temperatura de precisión o algoritmos avanzados de compensación en tiempo real.

El desafío 4: Exploración de nuevos materiales. Las pérdidas y los efectos no lineales de las guías de onda de silicio puro siguen siendo obstáculos para lograr una mayor precisión.La industria también está explorando el uso de materiales como el nitruro de silicio o el dióxido de silicio como núcleos de guía de ondas., que presentan una menor pérdida y una mejor compatibilidad con las fibras ópticas, aunque con una complejidad de proceso correspondentemente mayor.

IV. Proyecto del futuro: desde el laboratorio hasta el vasto universo

A pesar de los numerosos desafíos, el camino de evolución del FOG fotónico de silicio se ha vuelto claro:

A corto plazo (1-3 años): enfoque en aplicaciones tácticas (estabilidad de sesgo cero 1-10¿ Qué pasa?El mercado objetivo son los drones de consumo, los robots, los vehículos autónomos y los dispositivos portátiles que requieren urgentemente soluciones miniaturizadas y de bajo coste.Las ventajas de volumen y costo del FOG fotónico de silicio se demostrarán primero., con un rendimiento suficiente para satisfacer las exigencias.

Mediano plazo (3-10 años): con una reducción de la pérdida de acoplamiento y una tecnología madura de control de polarización, se espera que la precisión alcance el nivel de navegación inercial.Este avance comenzará a erosionar el mercado de gama media de los FOG tradicionales., con aplicaciones en navegación industrial de gama alta, drones de tamaño mediano y municiones guiadas de precisión.

Visión a largo plazo: Lograr "Giroscopios en chips" mediante la integración de láseres, amplificadores y detectores mediante tecnología de integración heterogénea.e incluso explorando la fabricación directa de "guías de onda espirales en chip" de baja pérdida para reemplazar algunas bobinas de fibra óptica, esto revolucionará la forma de los sensores inerciales. Proporcionará las soluciones de navegación autónoma definitiva para microsatélites, navegación in vivo, y el Internet de Todo.

Figura: Hoja de ruta de desarrollo y escenarios de aplicación futuros de la tecnología FOG fotónica de silicio

Conclusión: Un cambio de paradigma silencioso

El giroscopio de fibra óptica de silicio no es simplemente una actualización tecnológica específica, sino que representa un cambio de paradigma:Está haciendo la transición de la navegación inercial de la era de la óptica mecánica de precisión a la era de la optoelectrónica integrada con semiconductores.Sus competidores no son sólo la generación anterior de giroscopios de fibra, sino también los giroscopios MEMS y los giroscopios láser que avanzan rápidamente.

La esencia de esta competencia radica en lograr un equilibrio multidimensional entre precisión, coste, tamaño y consumo de energía.,Los FOG fotónicos de silicio están listos para crear un impacto significativo en el mercado de precisión media a baja durante la próxima década, redefiniendo el panorama de la industria de la navegación.

La era de la inteligencia autónoma verdaderamente ubicua se acelerará cuando los sistemas de navegación se vuelvan tan fabricables en masa como los chips.Esta silenciosa danza de luz dentro de las profundidades de los chips nos guía silenciosamente hacia ese futuro.

El giroscopio de silicio LKF-FS40 rompe con los principios tradicionales de diseño de giroscopio de fibra óptica al adoptar una trayectoria óptica fotónica de silicio integrada.Como un sensor de velocidad angular de baja precisión ideal para aplicaciones de controlEl dispositivo, basado en diseños de productos maduros, incorpora múltiples optimizaciones de ingeniería para la producción en masa.ofrecer una rentabilidad excepcional.