中山團隊開發矽光子光纖陀螺儀驅動晶片,成本低至過去三分之一

作者 | 發布日期 2021 年 12 月 22 日 14:18 | 分類 尖端科技 , 零組件 Telegram share ! follow us in feedly


相較於傳統慣性自旋陀螺儀,光纖陀螺儀(FOG)不依賴運動慣性,能提供高精確度轉動訊息,但組裝工程繁複、成本壓不低。現在,中山大學團隊採用創新矽光子整合技術將晶片面積大幅縮小,並結合半導體晶圓製程技術開發出微型矽光子陀螺儀驅動晶片,達到體積縮小、成本降低且可大量生產等優勢。

在各種類型陀螺儀當中,雷射陀螺儀、半球型共振子陀螺儀感應精度與穩定度最高,但構造複雜需精密加工,單價極高;而機械式陀螺儀成本低,但精度也最差;光纖陀螺儀剛好彌補上述兩個極端,一般來說主要應用於中高端導航系統上的遠端感測模組件,如航太、直升機、民用小飛機、水下與無人載具等,是導航系統中不可或缺的零組件。

然而傳統光纖陀螺儀模組主要利用多個離散光電元件組成,組裝工程也頗繁複,成本雖然雷射陀螺儀、半球型共振子陀螺儀高,但也不易再降低。

因此,由中山大學光電工程學系、電機系多名教授與國際知名導航技術專家劉人仰博士組成的中山矽光子團隊,便思考起若能以便宜的矽製作光纖陀螺儀,在降低成本方面將具突破性意義。

邱逸仁教授解釋,目前商用的光纖陀螺儀系統由離散光電元件組成,包含寬頻譜光源、光耦合器、檢光器、相位調變器、光纖線圈、驅動電路等,而在高精度光纖陀螺儀中還需額外加入光源穩定濾波器、即時波長監測器、回授降噪光路系統等,導致體積趨於龐大。

於是團隊利用矽光子積體光電子(Si photonics)技術,整合矽光子與半導體晶圓廠製程開發出「微型化矽光子陀螺儀驅動晶片」,將矽光子光纖陀螺儀模組整合於毫米級尺寸晶圓上,和傳統光纖陀螺儀比較,矽光子陀螺儀在運轉速度、減少光能量損失、設備長度等方面都更優秀。

▲ 縮至掌上型大小的光纖陀螺儀。

開發過程中,總計畫主持人光電工程學系邱逸仁教授負責寬頻譜光源整合技術開發;劉人仰博士與光電工程學系洪勇智教授擔任共同計畫主持人,開發陀螺儀封裝技術與微型化光纖環;電機系王朝欽教授負責發展閉迴路電子晶片;矽光子陀螺晶片的開發則由洪勇智、于欽平、林宗賢教授共同開發;低損耗光波導線圈研究由李晁逵教授及王俊達教授主導;系統量測與降雜訊技術開發由魏嘉建教授負責。

新型晶片不只可量產,還能將成本減至現今光纖陀螺儀成本(1~2 萬美元)的三分之一。此外,由於複雜的光訊息處理可濃縮於毫米級以下縮小整體尺寸,將來還可應用在民生,比如自駕車、空拍機、生醫檢測等,立方衛星也具有極大市場。

(圖片來源:科技新報)