基于硅光子的原子干涉量子传感技术，助力实现量子惯性测量单元
2024-08-16 11:45:53   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，科学家们正试图制造一种非常精确的惯性传感器，以最大限度地减少对全球定位卫星的依赖。来自美国桑迪亚国家实验室（Sandia Labs）的研究人员首次使用硅光子芯片组件来实现一种被称为原子干涉法的量子传感技术。Sandia Labs评论说：“这是一种超精确的加速度测量方法，也是在GPS信号不可用的情况下可用于量子惯性导航的最新里程碑进展。”

Sandia Labs科研团队在Science Advances期刊上发表了他们的最新研究成果，并介绍了一种新型高性能硅光子调制器——一种在微芯片上操控光线的器件。这项研究得到了Sandia Labs指导研究与开发计划的支持，部分在美国国家安全光子学中心进行。

全集成多通道硅光子单边带（SSB）调制器芯片的概念渲染图

“当GPS信号不可用时，精确导航在现实世界中就成为了一项挑战。”Sandia Labs科研人员Jongmin Lee说，“例如，在战区，此类挑战会给国家安全带来风险，因为电子战部队可以干扰或欺骗卫星信号，扰乱部队的调动和行动。”

“通过利用量子力学原理，我们开发的先进传感器在测量加速度和角速度方面提供了无与伦比的精度，即使在没有GPS信号的区域也能实现精确导航。”Jongmin Lee补充道。

Sandia Labs研究人员Jongmin Lee（左）正在准备用于原子干涉实验的铷冷原子室，而研究人员Ashok Kodigala（右）和Michael Gehl正在初始化封装好的硅光子调制器。

硅光子调制器作为核心

通常，原子干涉仪是一个占满小房间的传感器系统。完整的量子罗盘——更准确地说是量子惯性测量单元（IMU），需要六个原子干涉仪，这会导致量子罗盘的体积庞大、功耗巨大、成本高昂！

但是，Jongmin Lee和他的团队一直在寻找减小尺寸、重量和功耗的方法。他们已经利用“鳄梨大小的真空室”取代了大型、耗电量大的真空泵，并将通常精心排列在光学台上的多个组件整合成单个装置。

新型硅光子调制器是微芯片上激光操控系统的核心。它足够坚固小巧，可以承受剧烈的振动，将取代通常大小如冰箱的传统激光操控系统。Sandia Labs科研团队使用四个硅光子调制器来改变单个激光器的频率以执行不同的功能。

然而，调制器通常会产生不需要的回声信号，称为边带，需要进行抑制。Sandia Labs团队的抑制载波单边带调制器将这些边带降低了前所未有的47.8分贝，从而使边带强度降低至原来的近十万分之一。“与现有的产品相比，我们的硅光子调制器性能有了显著的提高。”Sandia Labs研究人员Ashok Kodigala说道。

Sandia Labs四通道硅光子单边带调制器芯片，每侧尺寸为8毫米，位于包含光纤、键合引线和陶瓷引脚的封装内。

可量产、价格实惠

除了尺寸，成本也是部署量子导航设备的主要障碍。每个原子干涉仪都需要一个激光调控系统。“仅一个全尺寸单边带调制器（市售的）就需要花费10,000多美元。”Jongmin Lee说道。

硅光子芯片将笨重、昂贵的量子导航组件小型化，有助于降低这些成本。“我们可以在一片8英寸晶圆上制造数百个硅光子调制器芯片。如果采用12英寸晶圆，成本还将进一步降低。”Ashok Kodigala说道。

“与当今的商业替代品相比，这种复杂的四通道硅光子单边带调制器芯片（包括额外的定制功能）能够以低得多的成本进行量产，从而能够以更低的成本生产量子惯性测量单元。”Jongmin Lee说道，“Sandia Labs团队正在探索惯性导航以外的其它用途，包括地下勘探、激光雷达（LiDAR）、量子计算和光通信领域。”

延伸阅读：

《量子传感器技术及市场-2023版》

《汽车级MEMS惯性测量单元（IMU）产品对比分析-2024版》

《TDK InvenSense惯性测量单元（IMU）IAM-20685产品分析》

《博世MEMS惯性测量单元（IMU）SMI240产品分析》

《村田MEMS惯性测量单元（IMU）SCHA634产品分析》

《消费类MEMS惯性测量单元（IMU）产品对比分析-2022版》