FOG quang tử silicon là gì? Định nghĩa lại điều hướng với con quay hồi chuyển sợi quang học trên chip

Trong lĩnh vực dẫn đường quán tính, độ chính xác và kích thước thường có vẻ đối lập nhau. Trong khi con quay hồi chuyển sợi quang (FOG) có độ chính xác cao truyền thống mang lại hiệu suất vượt trội, mạch quang học phức tạp và bao bì tỉ mỉ của chúng đặt ra những thách thức đáng kể cho các ứng dụng đòi hỏi thu nhỏ cực độ và hiệu quả chi phí. Tuy nhiên, một cuộc cách mạng công nghệ do quang tử silicon thúc đẩy đang âm thầm thay đổi bối cảnh này—con quay hồi chuyển sợi quang silicon, một khái niệm nghe có vẻ tương lai, nhằm mục đích gói gọn toàn bộ hệ thống dẫn đường quang học trong một chip duy nhất.

Từ Hệ thống Máy tính để bàn đến Chip Đầu ngón tay: Một Cuộc cách mạng thu nhỏ

Để nắm bắt bản chất đột phá của FOG quang tử silicon, trước tiên chúng ta phải xem xét thiết kế của FOG thông thường.

Cốt lõi của con quay hồi chuyển sợi quang có độ chính xác từ trung bình đến cao không chỉ bao gồm một cuộn sợi quang dài hàng km mà còn có một chip quang học tích hợp (ống dẫn sóng Y). Thông thường được chế tạo từ lithium niobate, chip này tích hợp các chức năng quan trọng như tách ánh sáng và điều chế pha, đóng vai trò là "trung tâm giao thông" của đường dẫn quang học. Tuy nhiên, nó vẫn là một thành phần rời rạc có kích thước milimet, đòi hỏi sự căn chỉnh và hàn chính xác với nguồn sáng, bộ dò, bộ ghép và các thành phần khác.

Khái niệm cốt lõi của công nghệ quang tử silicon là tích hợp nhiều thành phần quang học rời rạc, bao gồm chức năng ống dẫn sóng Y, vào một tấm silicon duy nhất bằng cách sử dụng các quy trình chế tạo chất bán dẫn trưởng thành.

Hãy tưởng tượng điều này: nhiều 'khối xây dựng' quang học ban đầu cần lắp ráp chính xác được thiết kế trực tiếp dưới dạng ống dẫn sóng, bộ điều biến và bộ chia chùm tia ở quy mô micro-nano, tất cả đều được chế tạo trong một chất nền silicon duy nhất thông qua kỹ thuật in thạch bản. Tín hiệu ánh sáng đi qua và xử lý bên trong các ống dẫn sóng silicon có kích thước dưới micron, có khả năng giảm thể tích và trọng lượng của hệ thống theo một bậc độ lớn trong khi tăng cường đáng kể hiệu quả sản xuất và tính nhất quán.

Hình: Đường dẫn quang học rời rạc phức tạp của con quay hồi chuyển sợi quang truyền thống (bên trái) so với Kiến trúc dựa trên chip của FOG tích hợp silicon (bên phải)

2. Tại sao lại là Silicon? Giảm kích thước của Quy trình CMOS

Việc lựa chọn silicon là có chủ ý, vì nó mang lại những lợi thế công nghiệp vô song:

1. Ưu điểm về quy trình: Quang tử silicon có khả năng tương thích cao với các quy trình mạch tích hợp CMOS đã thúc đẩy kỷ nguyên thông tin. Điều này có nghĩa là việc sản xuất chip quang tử silicon có thể được thuê ngoài cho các xưởng đúc chất bán dẫn được thành lập trên toàn cầu như TSMC và SMIC. Sau khi thiết kế được hoàn thiện, có thể đạt được sản xuất ở cấp độ tấm bán dẫn quy mô lớn, độ chính xác cao, đây là chìa khóa để vượt ra ngoài sản xuất quang học "thủ công" truyền thống và cho phép giảm chi phí theo cấp số nhân.

2. Tích hợp cực cao: Kích thước của ống dẫn sóng silicon nhỏ hơn hai bậc độ lớn so với lõi sợi quang, cho phép tích hợp các mạch quang học phức tạp trên các chip có kích thước bằng móng tay. Trong tương lai, thậm chí có thể lắp ráp các nguồn sáng và bộ dò micro trên cùng một chip thông qua công nghệ tích hợp dị thể, tiến tới "hệ thống tất cả trong một trên một chip."

3. Các tính năng hiệu suất mới lạ: Vật liệu silicon thể hiện các hiệu ứng nhiệt quang rõ rệt (với các biến thể chỉ số khúc xạ phụ thuộc vào nhiệt độ đáng kể). Mặc dù điều này đặt ra những thách thức về độ ổn định, nhưng nghịch lý thay, nó cho phép chế tạo các bộ điều biến pha nhiệt quang tốc độ cao, công suất thấp một cách đặc biệt đơn giản, tạo điều kiện cho việc phát triển các hệ thống phát hiện vòng kín tiên tiến.

Hình: Tấm chip quang tử silicon được chế tạo bằng quy trình CMOS (bên trái) và chế độ xem kính hiển vi của cấu trúc ống dẫn sóng silicon (bên phải)

III. Bóng tối trước bình minh: Đỉnh cao kỹ thuật cần giải quyết

Mặc dù tầm nhìn rất đẹp, nhưng con đường đến công nghiệp hóa lại đầy gai góc. FOG quang tử silicon hiện đang phải đối mặt với một số thách thức cốt lõi, tất cả đều tập trung vào một mục tiêu: làm thế nào để đạt được thu nhỏ cực độ mà không phải hy sinh, hoặc thậm chí tăng cường, 'linh hồn' của con quay hồi chuyển—độ chính xác và sự ổn định của nó.

Thách thức 1: 'Thuần hóa' phân cực là khó khăn. Ống dẫn sóng silicon vốn có tính phụ thuộc phân cực mạnh (lưỡng chiết), trong khi FOG có độ chính xác cao yêu cầu đường dẫn quang học duy trì trạng thái phân cực cực kỳ tinh khiết và ổn định. Việc đạt được khả năng kiểm soát và lọc phân cực hiệu quả trên chip vẫn là thách thức chính. Hiện tại, các nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc thiết kế các cấu trúc ống dẫn sóng chuyên biệt hoặc phát triển các kiến trúc con quay hồi chuyển độc lập phân cực.

Thách thức 2: Mất mát ánh sáng "vào/ra" quá mức. Đây vẫn là nút thắt cổ chai cấp bách nhất. Sợi đơn mode có đường kính trường mode khoảng 9 micromet, trong khi ống dẫn sóng silicon chỉ đo được khoảng 0,5 micromet. Khi hai hệ thống này được ghép nối, nó giống như cố gắng dẫn nước của một con sông vào một đường ống hẹp—dẫn đến mất mát ghép nối đáng kể. Giải pháp nằm ở việc thiết kế các "bộ chuyển đổi trường mode" tinh vi, chẳng hạn như ống dẫn sóng hình nón ngược hoặc bộ ghép grating, hoạt động như "phễu" tín hiệu quang học.

Hình: Sự không khớp kích thước trường mode nghiêm trọng giữa sợi đơn mode và ống dẫn sóng silicon dẫn đến mất mát ghép nối đáng kể

Thách thức 3: Tác dụng phụ nhạy cảm với nhiệt độ. Hệ số nhiệt cao của silicon là con dao hai lưỡi. Mặc dù nó đơn giản hóa thiết kế bộ điều biến, nhưng nó cũng làm cho chip rất nhạy cảm với sự dao động nhiệt độ bên ngoài, khiến nó dễ bị nhiễu pha do nhiệt. Điều này đòi hỏi hệ thống phải được trang bị khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác hoặc các thuật toán bù thời gian thực tiên tiến.

Thách thức 4: Khám phá các vật liệu mới. Sự mất mát và các hiệu ứng phi tuyến của ống dẫn sóng silicon nguyên chất vẫn là trở ngại để đạt được độ chính xác cao hơn. Do đó, ngành công nghiệp cũng đang khám phá việc sử dụng các vật liệu như silicon nitride hoặc silicon dioxide làm lõi ống dẫn sóng, có độ mất mát thấp hơn và khả năng tương thích tốt hơn với sợi quang, mặc dù với độ phức tạp của quy trình tăng lên tương ứng.

IV. Bản thiết kế tương lai: Từ phòng thí nghiệm đến vũ trụ bao la

Bất chấp nhiều thách thức, con đường phát triển của FOG quang tử silicon đã trở nên rõ ràng:

Ngắn hạn (1-3 năm): Tập trung vào các ứng dụng chiến thuật (độ ổn định zero-bias 1-10°/h). Thị trường mục tiêu là máy bay không người lái tiêu dùng, robot, xe tự hành và các thiết bị di động cần các giải pháp thu nhỏ và chi phí thấp một cách cấp thiết. Ở cấp độ này, những lợi thế về thể tích và chi phí của FOG quang tử silicon sẽ được chứng minh đầu tiên, với hiệu suất đủ để đáp ứng các yêu cầu.

Trung hạn (3-10 năm): Với việc giảm mất mát ghép nối và công nghệ kiểm soát phân cực trưởng thành, độ chính xác dự kiến sẽ đạt đến mức dẫn đường quán tính. Sự tiến bộ này sẽ bắt đầu xói mòn thị trường tầm trung của FOG truyền thống, với các ứng dụng trong dẫn đường công nghiệp cao cấp, máy bay không người lái cỡ trung và đạn dẫn đường chính xác.

Tầm nhìn dài hạn: Đạt được "Con quay hồi chuyển trên Chip". Bằng cách tích hợp laser, bộ khuếch đại và bộ dò thông qua công nghệ tích hợp không đồng nhất, và thậm chí khám phá việc chế tạo trực tiếp các "ống dẫn sóng xoắn ốc trên chip" có độ mất mát thấp để thay thế một số cuộn sợi quang, điều này sẽ cách mạng hóa hình thức của các cảm biến quán tính. Nó sẽ cung cấp các giải pháp dẫn đường tự động cuối cùng cho các vệ tinh nhỏ, dẫn đường trong cơ thể và Internet of Everything.

Hình: Lộ trình phát triển và Kịch bản ứng dụng trong tương lai của Công nghệ FOG quang tử silicon

Kết luận: Một sự thay đổi mô hình thầm lặng

Con quay hồi chuyển sợi quang silicon không chỉ là một nâng cấp công nghệ cụ thể, mà còn đại diện cho một sự thay đổi mô hình: nó đang chuyển đổi dẫn đường quán tính từ kỷ nguyên quang học cơ học chính xác sang kỷ nguyên quang điện tử tích hợp chất bán dẫn. Đối thủ cạnh tranh của nó không chỉ là thế hệ con quay hồi chuyển sợi quang trước đó, mà còn là con quay hồi chuyển MEMS và con quay hồi chuyển laser đang phát triển nhanh chóng.

Bản chất của cuộc cạnh tranh này nằm ở việc đạt được sự cân bằng đa chiều giữa độ chính xác, chi phí, kích thước và mức tiêu thụ điện năng. Với khả năng tích hợp và tiềm năng sản xuất vốn có, FOG quang tử silicon được định vị để tạo ra tác động đáng kể trong thị trường có độ chính xác từ trung bình đến thấp trong thập kỷ tới, định nghĩa lại bối cảnh của ngành dẫn đường.

Kỷ nguyên của trí tuệ tự động thực sự phổ biến sẽ tăng tốc khi các hệ thống dẫn đường trở nên được sản xuất hàng loạt như chip. Điệu nhảy ánh sáng thầm lặng này trong lòng chip đang âm thầm hướng dẫn chúng ta đến tương lai đó.

LKF--FS40 silicon photogyro phá vỡ các nguyên tắc thiết kế con quay hồi chuyển sợi quang truyền thống bằng cách áp dụng một đường dẫn quang học quang tử silicon tích hợp. Là một cảm biến tốc độ góc có độ chính xác thấp lý tưởng cho các ứng dụng điều khiển, nó được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống đo lường và điều khiển quán tính. Xây dựng dựa trên các thiết kế sản phẩm trưởng thành, thiết bị kết hợp nhiều tối ưu hóa kỹ thuật để sản xuất hàng loạt, mang lại hiệu quả chi phí vượt trội.