先進精準定位的利器 毫米尺寸矽光子光纖陀螺儀驅動晶片

新網記者歸鴻亭台北報導
2021/12/22 上午 11:33:52 / 科技新知

　近年來，台灣半導體晶圓廠製程技術具全球領先地位，整體半導體製造產業鏈完整而且成熟，對於發展各種相關的技術與其應用已有相當成果，而過去十年來，矽光子(Si photonics)製程技術的崛起，以半導體晶圓廠的製程模式，來製作光電子與電路的積體化，可使多功能的光電子應用模組，可積體化於一微小型晶片上，這些技術過去只能在大型載具上使用，如光學桌，而矽光子另外一主要項優勢是，在半導體晶圓廠製程的大量生產下，每晶片所分擔成本低，因此傳統上超高頻寬、高解析度、低耗能與不受電磁干擾的光學訊號處理，可於普遍的民生用品上。

自左至右為國立中山大學光電工程學系助理教授王俊達、教授魏嘉建、教授洪勇智科技部工程司司長李志鵬、國立中山大學光電工程學系教授邱逸仁與教授王朝欽。(科技部提供)

　有鑑於此，科技部從107年開始推動積極推動「矽光子及積體電路專案計畫」，本次矽光子光纖陀螺儀成果即是在此專案的支持下，由國立中山大學光電系邱逸仁教授團隊所開發，利用現世界上所發展的新穎科技，即矽光子積體光電子(Si photonics)，設計與採用多個創新矽光子整合技術，將晶片面積大幅度降低，並以半導體晶圓廠製程技術，透過產學研上合作的模式，開發「微型化矽光子陀螺儀驅動晶片」；所開發矽光子光纖陀螺儀模組，已突破出戰術級規格的陀螺特性(Bias instability = 0.158 deg/hr)，將過去繁複的零件組合工程，以半導體製程方式整合於毫米(mm)級尺寸上的晶圓上，不僅可量產來分擔成本，預估可將成本降低於現今光纖陀螺儀成本的3分之1以下。值得令人興奮的是，由於複雜的光訊息處理可濃縮於毫米級以下，可保有原多種優勢，又可鍵入多種感測與控制功能，將來可應用民生用品，如無人載具、自駕車和空拍機等平台穩定，而對於生醫檢測、自動駕駛車輛、智慧機器人、航空定位系統、立方衛星等微型化導控有極大的應用市場。

　光纖陀螺儀主要應用於中高端特性導航系統上的遠端感測模組件，如航太、軍事、水下與無人載具等應用，對於導航上是一不可或缺的零組件；相對其他種陀螺儀比較而言，如雷射與半球型共振子陀螺儀，所感應精度與穩定度最高，因構造需精密加工，所需單價極高，而另一極端，以微機電方式製作因可以半導體製程製作，成本最低，也因機械式方式運作原理，特性屬於低端；光纖陀螺儀特性所涵蓋的範圍最大，因為零組件製作方式，可由中端到高端，可允許研發或製作上的精進範圍極大，對於未來延伸應用或可塑造可能性大，應用於他種產業上，深具潛力。然而傳統的光纖陀螺儀模組主要利用多個離散光電元件組成，所需組裝工程繁複，成本也因此不易降低；因此，以矽光子實現光纖陀螺儀的製作，便具有突破性意義。

「矽光子及積體電路專案計畫」研究團隊合影。(科技部提供)

　科技部「矽光子及積體電路專案計畫」已邁入第四年，國立中山大學光電系矽光子團隊由邱逸仁教授擔任總計畫主持人並負責矽光子陀螺儀上寬頻譜光源整合技術開發，也延攬光纖陀螺儀專家劉人仰博士，與矽光子專家洪勇智教授擔任共同計畫主持人，與多個產業界合作開發，發展陀螺儀封裝技術與微型化光纖環，同時邀請中山電機系王朝欽教授發展閉迴路電子晶片。矽光子陀螺晶片的開發則由系上洪勇智、于欽平、林宗賢教授共同發展；低損耗光波導線圈的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則由魏嘉建教授負責；在過去3年中，利用團隊在光電子的專業，已成功驗證矽光子晶片的可行性，也開發了相關的技術應用領域，部分研究成果已發表於相關國內外專利、期刊及知名國際研討會。