干涉式光纖陀螺儀(IFOG)以光纖環傳輸、光電子元件，利用光波干涉特性來感應物體旋轉，是導航系統、無人機、傳感器相關應用的關鍵零組件之一。透過科技部計畫的補助，國立中山大學光電工程學系團隊已發表全球第一顆微型化以矽光子晶片驅動的光纖陀螺儀，整體晶片尺寸小於5mm2，僅約一顆綠豆大小，體積與成本都大幅降低，不到傳統陀螺儀的1/3。
陀螺儀(旋轉感測器)是導航系統的關鍵零組件之一，可以廣泛應用在軍事國防、商業航空、太空衛星與新興無人載具。包括環形雷射陀螺儀(Ring Laser Gyroscope, RLG)、光纖陀螺儀(Fiber Option Gyroscope, FOG)以及微機電MEMS陀螺儀，其中干涉式光纖陀螺儀(Interferometric Fiber Optic Gyroscope, IFOG)以光波導傳輸與干涉特性來感應旋轉，性能相當廣泛，應用潛力受到業界重視。
傳統的導航陀螺儀主要利用組裝方式整合各種離散式主被動光電元件、光纖及控制電路於單一封裝中，整體模組體積較大，成本也較高。藉由引進矽光子技術，以光電積體化技術在單一晶片上整合所需光電元件功能，可大幅微縮整體光電模組尺寸與耗能、降低對環境的衝擊，透過半導體製程也可以有效降低系統成本。「複合式矽光子陀螺儀晶片與微型化模組開發」計畫(圖1)，目標為開發微型化戰術級光纖級陀螺儀，並導入產業應用。
圖1 本整合型計畫研究項目架構圖
積體微型化干涉式光纖陀螺儀
本計畫利用光電積體電路技術平台將干涉式光纖陀螺儀(圖2)微型化並整合相位調變器、檢光器、分光器、極化分歧器、光柵耦合器等元件，利用複合式III-V族高功率寬頻譜光源於矽光子平台，覆晶封裝技術整合驅動晶片，以特殊繞法實現波導Sagnac Loop，最終晶片旋轉感測器的Bias drift為1~10o/h，其大小介面及功能與既有市場的雷射陀螺儀相同，但成本大幅降低，可應用於無人載具、空拍機/天線砲塔等平台穩定、國防導彈、魚雷、長程多管火箭、精靈炸彈以及立方衛星及小衛星等微型化導控應用。
圖2 干涉式光纖陀螺儀IFOG基本架構
在分項計畫部分，子計畫一擬利用晶圓黏合方式將III-V族化合物半導體的量子井(Multiple Quantum Well, MQW)材料整合於SOI(Silicon On Insulator)晶圓上矽波導的被動元件，製作可於矽波導輸出的高功率寬頻光源(SLD)；利用垂直式的光模轉換器(Spot Size Converter, SSC)，連結下方矽波導與上方的III-V族波導，提升發光效率與提供低反射率側邊介面；期以利用此整合平台在<50μm長度完成光模轉換器，在SLD的功率輸出可達>10mW且>20nm頻寬的1,550nm光源。
本子計畫預計完成製作垂直整合III-V族半導體與SOI的製作平台，整合垂直式III-V族半導體與SOI的波導元件，並且製作出SSC，整合III-V族半導體與SOI的波導元件，製作寬頻光源二極體，提供高功率、低同調光源，III-V族半導體與SOI功率半導體元件上，完成檢測光功率、光頻譜與相關光元件量測，達20mW、20nm頻寬，極化消光比大於10dB。
子計畫二利用矽光子平台進行陀螺儀晶片的設計、製作與量測。目標為提升光柵耦合器耦光效率、提升整體矽光子晶片的極化消光比－設計極化分歧器或濾波器、降低元件介面反射－寬頻譜與低介面反射分光器研製，最後再整合所有元件以實現矽光子陀螺儀晶片，並進行系統特性量測與優化。本子計畫預計完成光柵耦合器設計，效能目標為耦光效率大於70%，極化消光比達20dB；極化分歧器設計及製作，效能目標為極化消光比達到25dB、頻寬40nm。
開發訊號處理晶片研製與矽光子陀螺儀模組
子計畫三之目標在波導型陀螺儀關鍵材料與元件開發。低損耗波導開發使用氧化鉭(Ta2O5)波導取代SiN波導則是著眼於Ta2O5為製程容易、無雙光子吸收、熱光係數低的材料，對於高功率光能量在此的行進有所幫助。預計完成低損耗波導製作，傳輸損耗小於1dBm完成公尺等級Sagnac環之波導結構設計與製作；整合所需主被動元件，完成矽光子陀螺儀系統晶片製作，並完成矽光子陀螺儀模組製作。
而子計畫四主要是負責光訊號處理晶片研製。FOG的分類方式有多種，依照工作原理可分為干涉型、諧振式以及受激布里淵散射光纖陀螺儀三類。但是若以訊號處理方式，則可分為開環(Open Loop)和閉環(Closed Loop)兩種；如以結構來分類，可分為單軸光纖和多軸光纖等。由技術開發觀點來看，閉環未來更具有關鍵主導地位。因此本計畫以研發閉環式FOG晶片為主要目標，但是在計畫前期將先以開環式電路建立與環境測試作為光與電整合FOG之實驗平台。閉環式架構主要電路包括時脈產生器(Clock Generator)、類比數位轉換器(ADC)、數位類比轉換器(DAC)、線性高增益放大器(Gain Stage)與邏輯電路運算單元。
降低量測雜訊提升系統感測訊號品質
子計畫五針對傳送端光源所攜帶的強度雜訊，將利用監測光源強度作為消除強度雜訊對陀螺儀訊號干擾之依據，開發光路/電路上的雜訊消除技術；除此之外，本計畫將透過控制光源的同調度，以增加同調度的方式來增強中心波長的穩定度、降低強度雜訊，同時採用頻率調變來降低線圈內的反射影響。另一方面，由於陀螺儀系統受到各種機制的干擾(如光源強度雜訊、中心波長飄移、系統溫度飄移等)，本計畫亦將在接收端採用神經網路/深度學習來做反饋修正與降噪，以提升陀螺儀系統之感測訊號品質。
子計畫六要針對開發優化微型高可靠度光纖與光纖環、縮裝微型閉迴路電子電路，與矽光子陀螺儀晶片封裝、完成微型光纖陀螺儀產品的製作與測試驗證，達成此整合型計畫的產業化量產初期目標。預計完成有溫控矽晶片封裝製作，溫度範圍-40℃~+85℃；整合之無溫控單軸矽光子晶片陀螺儀，整合之有溫控單軸矽光子晶片陀螺儀。
透過計畫的研究，團隊也已經發表全球第一顆微型化光纖陀螺儀驅動晶片，並具備可量產潛力，整體晶片尺寸小於5mm2，僅約一顆綠豆大小，體積不到傳統陀螺儀的1/3，成本也大幅降低為原本的1/3。本計畫由中山大學邱逸仁教授與劉人仰特聘研究員領軍，和教授王朝欽、林宗賢、李晁逵、魏嘉建、副教授于欽平、洪勇智及助理教授王俊達組成研發團隊，結合台灣半導體中心與科毅光電公司研究能量，希望能協助台灣建立下世代矽光子陀螺儀技術的基礎。
