矽光子技術助力 台灣團隊讓FOG更小、更平價

作者 : Judith Cheng,EE Times Taiwan

中山大學光電系團隊透過產、學、研合作模式開發出毫米尺寸的微型矽光子光纖陀螺儀(FOG)驅動晶片,並號稱已達到戰術級規格精準度...

利用以矽材料為基礎之半導體CMOS製程實現之矽光子(Si photonics)積體電路技術,由中山大學光電系教授邱逸仁所率領的團隊自2018年起在科技部專案的支持下,透過產、學、研合作模式開發出毫米尺寸的微型矽光子光纖陀螺儀(FOG)驅動晶片,並號稱已達到戰術級規格(Bias instability = 0.158°/hr)的精準度;得益於台灣擅長的半導體量產技術,可望在未來將光纖陀螺儀成本降低至目前的三分之一以下,拓展如自動駕駛車輛、無人機、生醫檢測、智慧機器人以及立方衛星等等廣泛的應用領域。

中山大學開發的矽光子陀螺晶片封裝體。(攝影:Judith Cheng)

中山大學開發的矽光子陀螺晶片封裝體。(攝影:Judith Cheng)

邱逸仁表示,相較於昂貴、大量生產不易的雷射陀螺儀(RLG),以及因機械式結構不耐振盪與撞擊的半球形共振陀螺儀(HRG)等高階陀螺儀,光纖陀螺儀在具備可支援軍事、航太、水下載具導航系統等中高階應用所需之精準度/穩定度水準之外,又擁有能以量產製程降低成本的優勢,可望進軍目前仍以微機電系統(MEMS)陀螺儀為主流的工業、醫療、車用等需要更高精準度的潛力消費性應用市場,是備受矚目的陀螺儀技術。

而目前的商用光纖陀螺儀是由多個離散式光電元件以繁複工序組裝而成,包括寬頻譜光源、光耦合器、檢光器、相位調變器、光纖線圈與驅動電路;若要達到更高精度,還需要加入光源穩定濾波器、即時波長監控器,以及與溫度相關的光調變檢測、回授降噪光路等等額外元件,使整體系統更為複雜。中山大學團隊利用矽光子技術實現了陀螺儀所需光電元件的高度整合,並開發涵蓋晶片設計、佈線、光纖熔接與引出、點膠封裝、檢測分析等步驟的專屬平台化技術,成功將整體系統進一步微型化。

上述研發成果是已經邁入第四年、由中山大學光電系矽光子團隊成員共同努力執行的科技部「矽光子及積體電路專案計畫」智慧結晶;擔任計畫總主持人的邱逸仁負責矽光子陀螺儀的寬頻譜光源整合技術開發,並延攬了光纖陀螺儀專家劉人仰、矽光子專家洪勇智擔任共同計畫主持人,與多家廠商合作開發陀螺儀封裝技術與微型化光纖環。

團隊中的中山大學電機系教授王朝欽負責閉迴路電子晶片的開發,矽光子陀螺晶片的開發則由洪勇智、于欽平、林宗賢等三位教授負責;李晁逵、王俊達兩位教授主導低損耗光波導線圈的研究,系統量測與降雜訊技術開發則由另一位教授魏嘉建負責。邱逸仁指出,團隊在國去三年已經成功驗證矽光子晶片的可行性,研發成果也有部分申請了專利並發表於國際學術期刊,獲得眾多海內外關鍵業者以及研究單位的青睞,紛紛透過申請技轉、提供研發資金與製程資源等方式與團隊共同合作。

接下來中山大學團隊將繼續努力精進矽光子光纖陀螺儀系統的元件整合與小型化,也看好台灣強大的半導體製程技術與供應鏈能成為最佳後盾,讓晶片生產成本能再進一步降低,進軍更多有益民生的消費性應用。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年1月號

 

 

 

 

 

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