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

【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 。

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

文章插图
常见惯导IMU产品图片
如果用硅基MEMS工艺结合纳米光学谐振腔，并且在晶圆上就将光路和其他硅基器件直接集成在一起，这就是集成硅光MEMS传感器。它有四个跨时代的意义和好处：

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“技术难点，也就是最关键的，就是如何优化设计使数微米级别的集成光腔可以和满足相应性能需求的MEMS结构高效耦合，并且可以通过成熟硅光光刻线量产，且与MEMS工艺相结合，做到低成本量产性的同时保持高性能测量能力。 ”-加州理工学院应用物理与量子工程博士罗杰如此说到。罗杰曾在Science和Nature Physics上发表光量子芯片论文，参与美国能源部先进量子测试平台并领导超导量子计算芯片研发，并在量子通讯和量子计算领域掌握三项美国专利。
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。