集成硅光传感器时代，「意子信息」想用纳米光子晶体结合MEMS做出了极高精度的光量子传感器
采访：刘源、李子月
作者：刘源、李子月
编辑：石亚琼
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传感器种类太多，我们以惯导IMU为例来说明，惯导IMU分为三类：
1. 机械类IMU：最古老的IMU类型，精度高，但昂贵、体积大，现在市场上比较少见
2. 光学类IMU，核心部件是“激光光路”或“光学谐振腔”：又分为激光RLG、光纤FOG、硅光IMU（本文所述新产品ACA）。光学类精度高，但RLG和FOG都只能作为陀螺仪，价格昂贵且体积偏大。
3. MEMS压电/电容IMU：其中，MEMS工艺的电容IMU虽然成本低、体积小，但精度差，测量带宽有限。
这几类IMU应用场景各有不同，性能指标例如零偏稳定性、比例因子、随机游走、功耗、体积、带宽、冲击振动、MTBF等指标各有千秋。可分为消费级、工业级和防务/航空级。基于MEMS的低端消费级应用包括AR、可穿戴电子设备、室内导航，单位价格在1-5美元之间。高端工业级应用包括自动驾驶车辆、机器人、物联网、无人机和电影工业，价格在1000美元以内，这两个级别方向的公司包括Honeywell、Xsens、Analog Devices、Bosch、TDK InvenSense和life.augumented等。大尺寸防务级应用价格则将高于10万美元，此领域公司包括Honeywell、KVH、Northrop Grumman和emcore。
常见惯导IMU产品图片
1. 精度高，光学精度
2. 尺寸微小，功耗也低，因为光学谐振腔通过集成硅光工艺已经缩小到数微米级别了
3. 低成本，量大，因为所需硅基半导体工艺成熟，成本优势明显，不涉及到先进制程，很多Foundry厂都能够生产
4. On-chip，该技术路径最终实现不需要分别封装成多个芯片或分立器件再独立安装
这将对传统大部分传感器，例如IMU、陀螺仪、磁力计等，和光学相控阵，都产生颠覆性影响。但为什么这么有用但一直没出现这样的新产品？因为
加州理工一直在进行这方面的研究和实用，例如获得2017年诺奖的激光干涉引力波天文台就是运用了相似的光-机械效应，加州理工在将光-机械耦合技术小型化到芯片上也走在世界前沿。罗杰的两位小伙伴，任恒江和杨帆也一直进行着这方面的研究，任恒江为加州理工学院电子工程与量子工程博士，其研发的机械谐振腔打破了量子相干性世界纪录，曾任职于新加坡高性能计算研究所，并在量子通讯和量子计算领域掌握2项美国专利。杨帆为伊利诺伊大学香槟分校航空航天工程博士，熟悉设计制造MEMS元件。Stillwell奖金获得者，从事纳米材料和器件性质研究并发表多篇高质量论文，曾任伊利诺伊商业咨询公司高级经理。
现在这三位加州理工和伊利诺伊的博士们准备将集成硅光传感器商业化，批量生产广泛应用，应用场景包括：地震和油气资源探索、机械震动监测、智能预测性维护（CBM）、驾驶状态监测与评估、先进无人机/机器人、高级别自动驾驶、复杂环境高精度导航、先进AR/VR应用、电影及运动员姿态捕捉和监测、光学相控阵、激光雷达等 。在2019年，三位创始人在美国特拉华成立了公司“Anyon Computing”，中文名“意子信息”，专注于集成硅光MEMS传感器硬件以及相关技术应用量子芯片的研发和销售。
光量子惯性传感器IMU ACA-101
意子信息的第一款产品取名为“光量子惯性传感器IMU ACA-101”，精度可达1μg Hz-1/2。是常见工业级IMU精度百倍左右。带宽>20k Hz，将有效带宽扩大百倍以上。ACA-101测量角度精度类比激光RLG的精度略差一点，但激光RLG售价高达数万人民币，而ACA-101成本只有一百元人民币，内部关键部分2毫米长，2毫米宽，几十微米深，光电封装后体积16立方厘米左右。
ACA-101未封装照片
罗杰介绍它的核心是20微米长、2微米宽、几十微米深的光学谐振腔 。简单讲，它的测量原理通过测位移->反算惯性力->再反算加速度，类似弹簧秤：核心器件包含一个微质量块（Proof-Mass），通过机械（MEMS）结构悬浮，光腔的一端固定、另一端和Proof-Mass相连，在外界加速度的作用下Proof-Mass产生微小的位移。微小位移改变了光强的光学共振的频率，从而可以准确测量该微小位移，进而获得准确的加速度（或者通过科里奥利力原理测量角速度）。该光学谐振腔目前能做到飞米级分辨率，10^-15米，的位移测量，也就是一个质子或中子的直径，已经达到位移测量量子极限。所以能够做到高分辨率、高精度、低底噪声的加速度测量。
ACA-101核心光学部分电镜扫描
弹簧秤原理图
ACA-101原理图
罗杰告诉36氪记者，硅光在通信方面的应用在30年前就已经开始了，主要应用于通信设备基站、中继器。近几年，集成硅光的其他应用开始兴起，包括集成硅光传感与集成硅光计算等。ACA-101第一批demo是用电子束曝光机做出来的，大规模批量生产需要把产线移植到DUV光刻机，意子将与先进硅光代工厂共同推进相关制程在193纳米光刻线上的实现，pdk定义，design rule定义等等。届时，各大晶圆厂商都能进行光量子传感器的生产了。
集成硅光传感器适用行业
硅光芯片产业在过去5年内翻了数倍，在未来5-10年内将达到顶峰，市场体量将达200-300亿美元量级。随着越来越多集成硅光产品的出现，整个产业共同推动相关代工厂在流片工艺和紧凑封装上的进步，高性能硅光芯片和相关元件的低成本生产和小型化方面将获得极大的推动。期待越来越多的消费级产品能用到硅光惯性传感器。
集成硅光传感器市场体量
专注高端半导体激光器芯片研发 桂林光隆助力光芯片国产化
云计算、大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术的快速发展，对于芯片技术都有着极大的依赖。然而，中国光芯片产业在这一领域存在着与西方先进企业的显著差距，已然是不争的事实。
位于桂林高新区的桂林光隆科技集团股份有限公司（以下简称光隆科技）是一家半导体光芯片全制程多领域应用提供商，提供通信与非通信类光芯片及半导体全制程服务，产品广泛应用于5G光通讯、大数据、云计算、物联网、3D传感、人工智能、激光扫描、激光医疗、VR虚拟触控、工业激光加工、航空航天等诸多领域。2020年公司荣获国家级专精特新“小巨人”称号。
“国内最早专门从事光纤通信技术、光端机及光电子等研究的‘光通讯行业鼻祖’——中国电子科技集团第34研究所（前身为桂林激光通讯研究所）于1976年开始扎根桂林，有着浓郁的行业背景和产业基础。”光隆科技总经理陈春明向记者分享了公司扎根桂林的原因。他表示，公司主要创始团队成员均为桂林本地企业家，学习经历也都是与光电子及材料技术相关，都曾就职于第34研究所。此外，桂林位于泛珠三角、西南、东盟三大经济圈的结合部，区位优越交通便利，科技人才丰富，历来是广西教育和科研基地，有着大量的技术人才做企业支撑。
走进光隆科技的生产车间，整体环境干净整洁，全自动化的生产设备正在使用3英寸晶圆有序地生产DFB激光器芯片。据介绍，光隆科技已全面、自主掌握了从激光器芯片设计、验证到外延设计生长、晶圆制造、芯片测试与制造的全流程研发和生产能力，自主拥有MOCVD外延生长技术，可制备出5nm超薄量子阱结构，自主光栅制程，拥有光芯片产业化半导体全制程工艺平台。
搞光芯片产业是一项“很硬很难”的事业。
近年来，光隆科技始终坚持创新驱动发展战略，不断提升新质生产力，持续突破技术壁垒，通过对芯片器件、先进集成封装等核心技术研发及产业化布局，建立了半导体全产业链集成设计制造创新中心，取得了众多实用新型专利和发明专利，形成了光隆半导体独特的技术积淀和产品群，实现了从芯片设计到封测的高度自主可控。
“公司不断投入资源，加强技术研发，围绕光芯片、光隔离器芯、MEMS芯片三驾马车开展业务，以满足市场对高性能光芯片的需求。”陈春明告诉记者，在光隔离器芯领域，光隆科技成绩显著。在MEMS芯片领域，光隆科技正根据AI技术的最新发展动态，积极研发阵列式光开关及高速电光开关等前沿技术，不断提升光隆科技在MEMS芯片市场的竞争力。
此外，光隆科技还积极与各高校开展产学研合作，特别是与桂林市的高校建立了紧密的合作关系，共同推动光芯片技术的研发与应用。陈春明表示，公司每年都以30至50件的速度申请专利，持续进行专利布局。同时，为了吸引更多优秀人才，光隆科技还设立了专线生产及创客模式，为人才提供了广阔的发展空间。
未来，光隆科技将积极发挥“高新技术企业”的研发优势，进一步健全优化高新技术企业、专精特新企业培育体系，将培育工作与知识产权管理、产学研合作、核心技术攻关等科技创新活动紧密结合，持续巩固提升公司整体科技属性，进一步做强做优做大企业，助力地方经济高质量发展，为光芯片国产化贡献力量。
来源: 桂林日报
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