ซิลิคอน โฟโตนิก ฟอก คือ อะไร?

ในขอบเขตของการนำทางด้วยความเฉื่อย ความแม่นยำและขนาดมักจะดูเหมือนขัดแย้งกัน แม้ว่าไฟเบอร์ออปติกไจโรสโคป (FOGs) ที่มีความแม่นยำสูงแบบดั้งเดิมจะให้ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม แต่ระบบวงจรแสงที่ซับซ้อนและการบรรจุภัณฑ์ที่พิถีพิถันทำให้เกิดความท้าทายอย่างมากสำหรับการใช้งานที่ต้องการการย่อขนาดและความคุ้มค่าอย่างยิ่ง อย่างไรก็ตาม การปฏิวัติทางเทคโนโลยีที่ขับเคลื่อนโดยซิลิคอนโฟโตนิกส์กำลังเปลี่ยนแปลงภูมิทัศน์นี้อย่างเงียบๆ—ซิลิคอนโฟโตนิกไฟเบอร์ไจโรสโคป ซึ่งเป็นแนวคิดที่ฟังดูเหมือนอนาคต มีเป้าหมายที่จะห่อหุ้มระบบนำทางด้วยแสงทั้งหมดไว้ในชิปเดียว

จากระบบเดสก์ท็อปสู่ชิปปลายนิ้ว: การปฏิวัติการย่อขนาด

เพื่อให้เข้าใจถึงธรรมชาติที่เปลี่ยนแปลงของซิลิคอนโฟโตนิก FOG เราต้องตรวจสอบการออกแบบของ FOG แบบเดิมก่อน

หัวใจหลักของไฟเบอร์ออปติกไจโรสโคปที่มีความแม่นยำปานกลางถึงสูงไม่เพียงแต่ประกอบด้วยขดลวดไฟเบอร์ออปติกยาวหลายกิโลเมตรเท่านั้น แต่ยังมีชิปออปติคัลแบบบูรณาการ (Y-waveguide) อีกด้วย โดยทั่วไปแล้ว ชิปนี้ผลิตจากลิเธียมไนโอเบต ซึ่งรวมฟังก์ชันที่สำคัญ เช่น การแยกแสงและการปรับเฟส ทำหน้าที่เป็น "ศูนย์กลางการจราจร" ของเส้นทางแสง อย่างไรก็ตาม มันยังคงเป็นส่วนประกอบแยกขนาดมิลลิเมตรที่ต้องมีการจัดตำแหน่งและการบัดกรีที่แม่นยำกับแหล่งกำเนิดแสง ตัวตรวจจับ ตัวเชื่อมต่อ และส่วนประกอบอื่นๆ

แนวคิดหลักของเทคโนโลยีซิลิคอนโฟโตนิกส์คือการรวมส่วนประกอบออปติคัลแบบแยกหลายส่วน รวมถึงฟังก์ชัน Y-waveguide ไว้ในแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนเดียวโดยใช้กระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ครบวงจร

ลองนึกภาพสิ่งนี้: 'บล็อกอาคาร' ออปติคัลหลายชิ้นที่เดิมต้องมีการประกอบที่แม่นยำได้รับการออกแบบโดยตรงเป็นท่อนำคลื่นขนาดไมโครนาโนเมตร, ตัวปรับแต่ง และตัวแยกบีม ทั้งหมดผลิตขึ้นในพื้นผิวซิลิคอนเดียวผ่านการพิมพ์หิน สัญญาณแสงจะเคลื่อนที่และประมวลผลภายในท่อนำคลื่นซิลิคอนขนาดต่ำกว่าไมครอน ซึ่งอาจลดปริมาตรและน้ำหนักของระบบลงได้หลายเท่า ในขณะเดียวกันก็ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความสม่ำเสมอในการผลิตอย่างมาก

รูปภาพ: เส้นทางแสงแบบแยกส่วนที่ซับซ้อนของไฟเบอร์ออปติกไจโรสโคปแบบดั้งเดิม (ซ้าย) เทียบกับ สถาปัตยกรรมแบบชิปของ FOG ที่รวมซิลิคอน (ขวา)

2. ทำไมต้องซิลิคอน? การลดขนาดของกระบวนการ CMOS

การเลือกซิลิคอนเป็นไปโดยเจตนา เนื่องจากมีข้อได้เปรียบทางอุตสาหกรรมที่ไม่มีใครเทียบได้:

1. ข้อดีของกระบวนการ: ซิลิคอนโฟโตนิกส์เข้ากันได้ดีกับกระบวนการวงจรรวม CMOS ที่ขับเคลื่อนยุคข้อมูลข่าวสาร ซึ่งหมายความว่าการผลิตชิปซิลิคอนโฟโตนิกส์สามารถส่งออกไปยังโรงหล่อเซมิคอนดักเตอร์ที่ก่อตั้งขึ้นทั่วโลก เช่น TSMC และ SMIC เมื่อการออกแบบเสร็จสิ้น การผลิตระดับเวเฟอร์ที่มีความแม่นยำสูงในวงกว้างสามารถทำได้ ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการก้าวข้ามการผลิต "เวิร์กช็อปทำด้วยมือ" แบบดั้งเดิมและเปิดใช้งานการลดต้นทุนแบบทวีคูณ

2. การรวมตัวในระดับสูง: ขนาดของท่อนำคลื่นซิลิคอนมีขนาดเล็กกว่าแกนไฟเบอร์ออปติกถึงสองเท่า ทำให้สามารถรวมวงจรแสงที่ซับซ้อนบนชิปขนาดเท่าเล็บได้ ในอนาคต อาจเป็นไปได้ที่จะประกอบแหล่งกำเนิดแสงขนาดเล็กและตัวตรวจจับลงบนชิปเดียวกันผ่านเทคโนโลยีการรวมแบบเฮเทอโรจีเนียส ซึ่งก้าวไปสู่ "ระบบออลอินวันบนชิป"

3. คุณสมบัติประสิทธิภาพใหม่: วัสดุซิลิคอนแสดงผลกระทบทางความร้อนด้วยแสงที่เด่นชัด (โดยมีการเปลี่ยนแปลงดัชนีการหักเหของแสงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างมาก) แม้ว่าสิ่งนี้จะนำเสนอความท้าทายด้านเสถียรภาพ แต่ในทางกลับกันก็ช่วยให้สามารถผลิตตัวปรับเฟสด้วยความร้อนด้วยความเร็วสูงและใช้พลังงานต่ำได้อย่างง่ายดายเป็นพิเศษ ซึ่งอำนวยความสะดวกในการพัฒนา ระบบตรวจจับแบบวงปิดขั้นสูง

รูปภาพ: เวเฟอร์ชิปซิลิคอนโฟโตนิกส์ที่ผลิตโดยใช้กระบวนการ CMOS (ซ้าย) และมุมมองด้วยกล้องจุลทรรศน์ของโครงสร้างท่อนำคลื่นซิลิคอน (ขวา)

III. ความมืดมิดก่อนรุ่งอรุณ: จุดสูงสุดทางเทคนิคที่ต้องแก้ไข

แม้ว่าวิสัยทัศน์จะสวยงาม แต่เส้นทางสู่การทำอุตสาหกรรมก็เต็มไปด้วยหนาม ซิลิคอนโฟโตนิก FOG ในปัจจุบันต้องเผชิญกับความท้าทายหลักหลายประการ ซึ่งทั้งหมดมาบรรจบกันที่เป้าหมายเดียว: จะทำอย่างไรให้เกิดการย่อขนาดอย่างมากโดยไม่เสียสละ หรือแม้แต่เพิ่ม 'จิตวิญญาณ' ของไจโรสโคป—ความแม่นยำและความเสถียร

ความท้าทายที่ 1: การ 'ควบคุม' โพลาไรเซชันเป็นเรื่องยาก ท่อนำคลื่นซิลิคอนโดยธรรมชาติแสดงให้เห็นถึงการพึ่งพาโพลาไรเซชันที่แข็งแกร่ง (ไบรีฟรินเจนซ์) ในขณะที่ FOG ที่มีความแม่นยำสูงต้องการให้เส้นทางแสงรักษาสถานะโพลาไรเซชันที่บริสุทธิ์และเสถียรอย่างยิ่ง การควบคุมและกรองโพลาไรเซชันอย่างมีประสิทธิภาพบนชิปยังคงเป็นความท้าทายหลัก ปัจจุบัน นักวิจัยกำลังมุ่งเน้นไปที่การออกแบบโครงสร้างท่อนำคลื่นพิเศษหรือการพัฒนาสถาปัตยกรรมไจโรสโคปที่ไม่ขึ้นกับโพลาไรเซชัน

ความท้าทายที่ 2: การสูญเสียแสง 'เข้า/ออก' มากเกินไป สิ่งนี้ยังคงเป็นคอขวดที่เร่งด่วนที่สุด ไฟเบอร์โหมดเดี่ยวมีเส้นผ่านศูนย์กลางสนามโหมดประมาณ 9 ไมโครเมตร ในขณะที่ท่อนำคลื่นซิลิคอนวัดได้เพียงประมาณ 0.5 ไมโครเมตร เมื่อระบบทั้งสองนี้ถูกเชื่อมต่อกัน มันก็เหมือนกับการพยายามนำน้ำในแม่น้ำเข้าสู่ท่อแคบๆ—ส่งผลให้เกิดการสูญเสียการเชื่อมต่ออย่างมาก วิธีแก้ปัญหาคือการออกแบบ 'ตัวแปลงสนามโหมด' ที่ซับซ้อน เช่น ท่อนำคลื่นรูปกรวยกลับด้านหรือตัวเชื่อมต่อเกรตติ้ง ซึ่งทำหน้าที่เป็น 'กรวย' สัญญาณแสง

รูปภาพ: ขนาดสนามโหมดที่ไม่ตรงกันอย่างรุนแรงระหว่างไฟเบอร์โหมดเดี่ยวและท่อนำคลื่นซิลิคอนส่งผลให้เกิดการสูญเสียการเชื่อมต่ออย่างมาก

ความท้าทายที่ 3: ผลข้างเคียงที่ไวต่ออุณหภูมิ สัมประสิทธิ์ความร้อนสูงของซิลิคอนเป็นดาบสองคม แม้ว่าจะช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบตัวปรับแต่ง แต่ก็ทำให้ชิปมีความไวต่อความผันผวนของอุณหภูมิภายนอก ทำให้เกิดเสียงรบกวนจากเฟสที่เกิดจากความร้อน ซึ่งจำเป็นต้องติดตั้งระบบด้วยการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำหรืออัลกอริทึมการชดเชยแบบเรียลไทม์ขั้นสูง

ความท้าทายที่ 4: การสำรวจวัสดุใหม่ การสูญเสียและผลกระทบที่ไม่เป็นเชิงเส้นของท่อนำคลื่นซิลิคอนบริสุทธิ์ยังคงเป็นอุปสรรคต่อการบรรลุความแม่นยำที่สูงขึ้น ดังนั้น อุตสาหกรรมจึงกำลังสำรวจการใช้วัสดุต่างๆ เช่น ซิลิคอนไนไตรด์หรือซิลิคอนไดออกไซด์เป็นแกนท่อนำคลื่น ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการสูญเสียน้อยลงและความเข้ากันได้ดีขึ้นกับไฟเบอร์ออปติก แม้ว่าจะมีกระบวนการที่ซับซ้อนมากขึ้นก็ตาม

IV. พิมพ์เขียวในอนาคต: จากห้องปฏิบัติการสู่จักรวาลอันกว้างใหญ่

แม้จะมีความท้าทายมากมาย เส้นทางการพัฒนาของซิลิคอนโฟโตนิก FOG ก็ชัดเจน:

ระยะสั้น (1-3 ปี): มุ่งเน้นไปที่การใช้งานทางยุทธวิธี (ความเสถียรเป็นศูนย์ 1-10°/ชม.) ตลาดเป้าหมายคือโดรนสำหรับผู้บริโภค หุ่นยนต์ ยานยนต์อัตโนมัติ และอุปกรณ์พกพาที่ต้องการโซลูชันขนาดเล็กและราคาประหยัดอย่างเร่งด่วน ในระดับนี้ ข้อได้เปรียบด้านปริมาณและต้นทุนของซิลิคอนโฟโตนิก FOG จะถูกนำมาแสดงเป็นครั้งแรก โดยมีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการ

ระยะกลาง (3-10 ปี): ด้วยการลดการสูญเสียการเชื่อมต่อและเทคโนโลยีการควบคุมโพลาไรเซชันที่ครบวงจร คาดว่าจะมีความแม่นยำถึงระดับการนำทางด้วยความเฉื่อย ความก้าวหน้านี้จะเริ่มกัดกร่อนตลาดระดับกลางของ FOG แบบดั้งเดิม ด้วยการใช้งานในการนำทางทางอุตสาหกรรมระดับไฮเอนด์ โดรนขนาดกลาง และกระสุนนำวิถีที่มีความแม่นยำ

วิสัยทัศน์ระยะยาว: การบรรลุ 'ไจโรสโคปบนชิป' ด้วยการรวมเลเซอร์ เครื่องขยายเสียง และตัวตรวจจับผ่านเทคโนโลยีการรวมแบบเฮเทอโรจีเนียส และแม้แต่การสำรวจการผลิต 'ท่อนำคลื่นเกลียวบนชิป' โดยตรงเพื่อแทนที่ขดลวดไฟเบอร์ออปติกบางส่วน สิ่งนี้จะปฏิวัติรูปแบบของเซ็นเซอร์ความเฉื่อย จะมอบโซลูชันการนำทางอัตโนมัติขั้นสูงสุดสำหรับไมโครดาวเทียม การนำทางในร่างกาย และ Internet of Everything

รูปภาพ: แผนผังการพัฒนาและสถานการณ์การใช้งานในอนาคตของเทคโนโลยีซิลิคอนโฟโตนิก FOG

บทสรุป: การเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์อย่างเงียบๆ

ซิลิคอนไฟเบอร์ออปติกไจโรสโคปไม่ใช่แค่การอัปเกรดเทคโนโลยีเฉพาะเท่านั้น แต่แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์: มันกำลังเปลี่ยนการนำทางด้วยความเฉื่อยจากยุคของออปติกเชิงกลที่มีความแม่นยำไปสู่ยุคของออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบบูรณาการเซมิคอนดักเตอร์ คู่แข่งไม่ใช่แค่ไจโรสโคปไฟเบอร์รุ่นก่อนหน้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงไจโรสโคป MEMS และไจโรสโคปเลเซอร์ที่ก้าวหน้าอย่างรวดเร็วด้วย

สาระสำคัญของการแข่งขันนี้อยู่ที่การบรรลุสมดุลหลายมิติระหว่างความแม่นยำ ต้นทุน ขนาด และการใช้พลังงาน ด้วยความสามารถในการรวมตัวและศักยภาพในการผลิต ซิลิคอนโฟโตนิก FOG พร้อมที่จะสร้างผลกระทบอย่างมากในตลาดที่มีความแม่นยำปานกลางถึงต่ำในช่วงทศวรรษหน้า โดยกำหนดนิยามใหม่ให้กับภูมิทัศน์ของอุตสาหกรรมการนำทาง

ยุคของปัญญาประดิษฐ์อัตโนมัติที่แพร่หลายอย่างแท้จริงจะเร่งตัวขึ้นเมื่อระบบนำทางกลายเป็นสิ่งที่ผลิตได้จำนวนมากเหมือนชิป การเต้นรำของแสงอย่างเงียบๆ ภายในส่วนลึกของชิปกำลังนำทางเราไปสู่อนาคตนั้นอย่างเงียบๆ

LKF--FS40 silicon photogyro หลุดพ้นจากหลักการออกแบบไฟเบอร์ออปติกไจโรแบบดั้งเดิมโดยใช้เส้นทางแสงซิลิคอนโฟโตนิกแบบบูรณาการ ในฐานะที่เป็นเซ็นเซอร์อัตราเชิงมุมที่มีความแม่นยำต่ำในอุดมคติสำหรับการใช้งานควบคุม มันถูกใช้อย่างแพร่หลายในการวัดความเฉื่อยและระบบควบคุม ด้วยการสร้างจากการออกแบบผลิตภัณฑ์ที่ครบวงจร อุปกรณ์นี้รวมการปรับปรุงทางวิศวกรรมหลายอย่างสำหรับการผลิตจำนวนมาก มอบความคุ้มค่าที่ยอดเยี่ยม