Sau gần một thập kỷ trong lĩnh vực định vị quán tính và quang học silicon, tôi đã đến với
Máy xoay quang điện silicon (SPG)là một trong những công nghệ biến đổi nhất trong cảm biến chính xác đóng gói hiệu suất của các gyros sợi quang (FOGs) vào một con chip silicon nhỏ,nó đang lặng lẽ định hình lại ranh giới của những gì có thể trong hàng không vũ trụ, lái xe tự động, thăm dò biển sâu và các lĩnh vực khác.
Trong nhiều năm, các FOG truyền thống đã thống trị các kịch bản ứng dụng chính xác cao nhờ hiệu ứng Sagnac,phát hiện chuyển động xoay bằng cách đo sự khác biệt pha giữa các chùm ánh sáng phản xạTuy nhiên, chúng có một lỗ hổng nghiêm trọng đối với việc phổ biến quy mô lớn: thiết kế cồng kềnh với các thành phần quang học riêng biệt và sợi được ghép tay, cùng với chi phí cao,giới hạn chúng vào các lĩnh vực thích hợp như hàng không vũ trụ và quốc phòng.
Photonics silicon đã hoàn toàn thay đổi cảnh quan này, tận dụng các quy trình sản xuất CMOS, nó tích hợp các đường dẫn sóng, splitter, modulator,và thậm chí cả các máy dò trên một nền silicon duy nhất, thu hẹp một hệ thống có kích thước máy tính để bàn đến kích thước của một móng tay.Một số thiết kế có thể tích hợp các thành phần cốt lõi vào một con chip 0,2 cm vuông, với một khối lượng chỉ là một phần nhỏ của các tập hợp FOG truyền thống.
Điều tôi thích thú nhất là sự thu nhỏ này không phải là chi phí của độ chính xác, khi được thiết kế đúng cách,SPG có thể phù hợp với sự ổn định của FOG truyền thống trong khi giảm đáng kể chi phí sản xuất và trọng lượngTôi vẫn còn nhớ một dự án 2024 hợp tác với một công ty robot biển sâu,nơi chúng tôi đã thay thế FOG dại dột của họ bằng một SPG nguyên mẫu được xây dựng trên một nền tảng dẫn sóng silicon nitride.
Hiệu quả là đáng chú ý: SPG giảm trọng lượng của hệ thống điều hướng bằng 70%, chịu được áp lực cực đoan của biển sâu 6.000 mét,và duy trì độ chính xác góc dưới mức độ mà họ yêu cầu một bước đột phá mà công nghệ quang học truyền thống không bao giờ có thể đạt được.
Dĩ nhiên, SPG không phải là không có thách thức. vấn đề lớn nhất chúng ta phải đối mặt là ức chế mất phân cực và mất kết nối: dẫn sóng silicon có một kích thước trường chế độ cực nhỏ (khoảng 0.5 micromet)Nếu không thiết kế cẩn thận bằng cách sử dụng các bộ ghép cong hoặc cấu trúc lưới, một "hiệu ứng ống dẫn" sẽ xảy ra, gây mất ánh sáng.
Độ nhạy nhiệt độ là một vấn đề khó khăn khác silicon có hiệu ứng nhiệt quang mạnh và biến động nhiệt độ nhỏ có thể làm sai lệch kết quả đo pha.yêu cầu điều khiển nhiệt độ chính xác hoặc các thuật toán tiên tiến để bù đắp thời gian thực.
Tuy nhiên, chúng tôi đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong công nghệ tích hợp không đồng nhất liên kết lithium niobate hoặc indium phosphide với chất nền silicon để cải thiện hiệu suất điều chế,trong khi áp dụng quy trình tích hợp đơn khối "silicon-on-isolator (SOI) + silicon nitride" để kết hợp các thiết bị thụ động có lỗ thấp với các thiết bị hoạt động hiệu suất cao.
Các doanh nghiệp trong nước cũng đang thể hiện động lực mạnh mẽ.Các nhà sản xuất Trung Quốc như Viện nghiên cứu CETC 14 và Công nghệ Chongqing Zixingzhe đang mở rộng năng lực sản xuất chip SPG thông qua các quy trình quang học silicon 180nm và 130nm, dần dần thu hẹp khoảng cách với các nhà lãnh đạo thế giới và xác nhận rằng sản xuất hàng loạt quy mô lớn đang trong tầm tay.
Giữa sự bùng nổ của ngành công nghiệp, một điểm quan trọng thường bị bỏ qua: SPG không chỉ là FOG hiệu suất tốt hơn, mà còn là một nền tảng đổi mới.tích hợp ba vòng xoáy vào một con chip duy nhất để đạt được cảm biến chuyển động 3D đầy đủ, và ghép chúng với các công cụ hiệu chuẩn dựa trên AI để ngăn chặn tiếng ồn và trôi dạt trong thời gian thực.
Đối với lái xe tự động, điều này có nghĩa là hệ thống định vị có thể hoạt động độc lập với GPS, duy trì vị trí chính xác ngay cả trong các kịch bản như đường hầm hoặc hẻm núi đô thị.nó có thể cung cấp nhẹ hơn, các giải pháp kiểm soát thái độ đáng tin cậy hơn cho vệ tinh và máy bay không người lái.
Cuối cùng, SPG kết hợp hai lợi thế lớn: độ chính xác cao của các vòng xoáy quang học và khả năng mở rộng của sản xuất bán dẫn.Các nhóm sẽ nổi bật trong lĩnh vực này trong tương lai phải không chỉ làm chủ các nguyên tắc vật lý của hiệu ứng Sagnac mà còn nắm bắt nghệ thuật chuyển đổi thiết kế quy mô phòng thí nghiệm thành thiết kế mạnh mẽ, chip chi phí có thể điều khiển có thể thích nghi với môi trường thực tế phức tạp.Tôi tin chắc rằng SPG sẽ trở thành xương sống vô hình của tất cả các hệ thống định vị theo đuổi độ chính xác tối đa.
