米意传感器 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

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

2021军势｜空军武器发展：六代机初露头角，激光上机测试

澎湃新闻特约撰稿 兰顺正

随着美国国家战略转向大国竞争，空军开始大力推进新作战概念技术验证、下一代装备研发、新装备采购和作战运用，这也影响了其他国家空军装备的发展。2021年，世界主要国家空军都在积极推进本身武器装备建设，一批新一代装备逐渐崭露头角或形成作战能力。

AC-130J炮艇机将测试激光武器。

新战机 “你方唱罢我登场”

战斗机是空军争夺制空权的核心装备，其发展也备受各国重视，在2021年，六代机初露头角，多个国家展示新型五代机，颇有几分“你方唱罢我登场”的意味。

4月9日，美空军部展示了其“下一代空中主宰”（NGAD）第六代战斗机概念图。该图与2020年9月公布的概念图略有区别，进一步突出了隐身能力：采用飞翼、无尾一体化布局，箭形机翼，边条与机身头部融合，后缘有控制舵面和喷口，有一对可折叠垂尾。报道称，美空军计划斥资20亿美元用于下一代战斗机的研发工作，预计将于2025年前完成研发，2030年开始服役。项目主承包商为洛克希德·马丁公司和雷神公司。NGAD项目旨在研究下一代战机上可能出现的五项主要技术，目前公开为推进技术，另外四种技术可能包括新型隐身技术、先进武器技术（包括定向能武器）和热管理技术。

第六代战斗机可能在未来几年亮相。

同样是在4月9日，韩国首架KF-X原型机下线，总统文在寅亲身出席庆祝仪式并将其命名为KF-21“猎鹰”。KF-X项目在设计之初瞄准的是第五代隐身战斗机，但在自身技术实力不足的情况下，为确保项目顺利推进，韩国将目标定位为一款“准隐身战斗机”（又称 4.5代）。KF-21原型机气动布局与F-22战斗机高度相似，除了还未采用内部弹舱，隐身设计向五代机看齐，安装了两台美国通用电气公司的F414-GE-400K型涡扇发动机，最高时速1.8马赫。KF-21全机有6个翼下外挂点和4个机腹半埋外挂点和2个机侧传感器外挂点，可搭载7.7吨武器。另外KF-21采用国产有源相控阵雷达，座舱前方还安装有红外跟踪与搜索系统。

7月20日，俄罗斯新型单发第五代战斗机的原型机在第15届莫斯科国际航空航天展览会上对外亮相。该战机的名为“Checkmate”（意为国际象棋中“将死”），资料显示，这款战机由俄国家技术集团旗下苏霍伊设计局在俄已有五代战机苏-57基础上设计，最大飞行速度约为2马赫，作战半径为1500千米，实用升限1.65万米，最大战斗载荷7.4吨，最多可携5枚空空导弹。此外，该战机具有航电设备先进、推重比高、机动性较强、不易被雷达发现、配备人工智能系统等特点，而且可部署在高海拔机场，适应不同气候环境，易于维修。

韩国KF-21“猎鹰”采用隐身设计。

在7月末，英国BAE系统公司发布消息称，英国国防部(MOD)正式授出了价值近2.5亿英镑的“暴风”(Tempest)战斗机合同，以推进英国“未来空战系统”(FCAS)设计和开发。该合同由BAE系统公司签署，标志着“暴风”项目概念和评估阶段的正式启动。根据此前英国发布的“暴风”全尺寸模型以及虚拟概念图，该战机在形状上与美国的F-22和F-35相似，都采用了倾斜双垂尾设计。但“暴风”具有比F-35更长、更宽的机身，这将提高其机内燃油携带量，突出远程作战能力，并为武器舱和其它内部传感器等战斗有效载荷提供更多空间，其中可能包括激光武器所需的电容器和冷却剂。有分析认为，这些设计特征表明“暴风”更优先考虑续航能力和无空中加油航程，以及拥有足够的内部空间和有效载重能力，从而允许在机内插入未来的模块化有效载荷。

除了这些“高大上”的高端战斗机以外，一些“低端”飞机同样受到了青睐。如在今年5月份，有报道称美军特种部队正在物色轻型攻击机，莱多斯公司的“野马Ⅱ”、MAG航空航天公司的“卫兵”、德事隆航空公司的“金刚狼”、L3哈里斯科技公司的AT-802U“天空守望者”和内华达山脉公司的“威利土狼”这5种原型机会参加竞标测试。据悉这批专用于特种作战的攻击机将全部采用螺旋桨飞机。由于此类飞机操作简单、廉价、效费比高，正好与反恐、反暴乱等“非对称”、“非常规”作战的要求相符合，因此未来在特殊场合依然能大放异彩。

而一些已经服役多年的飞机也在焕发新的活力。如美空军计划重新启用B-1B轰炸机的外部挂点，以悬挂配装常规战斗部的高超声速助推滑翔弹及巡航导弹。同时美空军计划为B-52轰炸机更换新型F130发动机、升级航空电子设备和新的“数字骨干网”，以配装“空射快速响应武器”（ARRW）和高超声速攻击巡航导弹（HACM）。俄首架改进型图-160M轰炸机也从3月开始交付预先试验。

俄罗斯第二款隐身战斗机S-75“将死”主要用于出口。

有/无人机结合大势所趋

今年3月，“忠诚僚机”无人机在澳大利亚伍默拉靶场综合体上空完成了首次飞行。“忠诚僚机”项目目的是开发自主技术有效增强空军未来在对抗和拒止环境下的作战行动和能力，此外应能够将有人驾驶战斗机与具备自主作战能力的无人机实现有效集成，完成协同作战，提高作战效能。在2020年5月，澳大利亚皇家空军获得了首架“忠诚僚机”无人机原型机，该机长约11.5米，航程约3218千米，在此次飞行成功后澳大利亚政府宣布又订购了3架原型机。

印度一直在努力打造一支匹配“有声有色”大国地位的空军，在“忠诚僚机”技术快速发展的背景下，印度也开始涉足这一领域，赶上潮流。10月25日，印度媒体报道称，印度高度保密的“无人作战飞机”项目发展迎来一个新的里程碑，该项目指导下研制的缩比验证机（SWIFT）已经进行了地面滑行试验。SWIFT项目是“加塔克”隐身无人作战飞机的缩比验证机，其主要目的是演示和证明自主模式下的隐身技术和高速着陆技术。从印方公布信息来看，该验证机采用无尾飞翼布局，背负式进气道，具有较强的隐身能力。如验证机试验进展顺利，印度将在此基础上研制“加塔克”无人作战飞机。该型机拟配装1台印度“卡维里河”（Kaveri）涡扇发动机的非加力型，设想最大起飞重量可达15～16吨，计划在2024年前实现首飞。

“加塔克”隐身无人作战飞机的缩比验证机。

在隐身无人机方面，俄罗斯也不甘人后。12月14日，俄罗斯副防长阿列克谢·克里沃鲁奇科表示，俄罗斯最先进S-70“猎人”重型攻击无人机的第一架飞行原型机在新西伯利亚航空厂推出。S-70“猎人”是俄罗斯苏霍伊公司和俄罗斯米格飞机公司作为第六代飞机项目开发的重型无人攻击机，采用单大推、无平尾飞翼构型设计，具有较强的隐身性能。根据俄方发布的照片，相比之前的“猎人”验证机，原型机版本的“猎人”无人机采用全新的隐身构型尾喷口，显著减少了雷达和红外特征信号，同时验证机版本的大量影响隐身外形的传感器也被取消，此外“猎人”原型机还获得了一个新的地面控制站。据称，俄军计划2024年开始装备这种重型攻击无人机。

除了“忠诚僚机”和隐身无人机技术，无人机空中回收技术也是今年无人机技术发展的一大亮点。11月5日，美国国防高级研究计划局（DARPA）宣布，其“小精灵”（Gremlin）项目在10月进行的第四次飞行试验中，成功完成了首次空中回收任务。试验中，2架X-61“小精灵”无人机在完成全部自主编组飞行后，由1架C-130运输机成功回收了其中1架 X-61“小精灵”无人机。现场画面显示，“小精灵”无人机与从C-130运输机货舱内伸出来的回收臂进行了对接，然后收起机翼，再由回收臂将其运送到机舱内。此次回收的成功为无人机“空中母舰”的诞生奠定了技术基础。

C-130运输机在飞行中捕获了一架X-61“小精灵”（Gremlins）小型无人机。

激光武器让未来空战愈发“科幻”

除了传统航空武器，激光武器在今年也开始逐步上机。

2021年10月，美国洛克希德·马丁公司表示该公司已向美国空军交付了第一部机载高能激光系统（AHEL），并将安装到AC-130J炮艇机上进行测试。“机载高能激光计划”(AHEL)主要服务的对象是运输机之类的大型飞机，在需要时击毁敌方的地对空、空对空导弹，以保护飞机的安全。2019年1月，洛克希德·马丁公司获得美军的合同，当年8月开始对AHEL系统进行关键设计审查。据悉，AHEL样机包括了总控装置、火控装置、束控和发射装置、激光器及其电源、热管理等子系统，其中束控装置将含有变形镜、快反镜等自适应光束元件，整套系统的重量不超过2268千克。

另外在美军看来，AHEL除用于飞机自卫外，还能用于精确攻击地面目标。虽然AHEL激光器额定功率约为60千瓦级，威力偏小，不适合高烈度作战，但足以使敌方机动车辆、小型船舶和地面飞机失能，使敌方的关键系统失效，如指挥车、发电系统、通信系统和雷达系统等。同时AHEL耗能较低，能够长时间连续发射，比单一用途武器如炸弹或导弹更为便宜和有效。尤为重要的是，AHEL隐蔽性极高，不但发射时无声无息，而且能够熔化或者焚烧敌方目标却不会导致爆炸，所以不会暴露其所在方位，这对于需要执行特种作战任务的AC-130J是非常有意义的。未来AC-130J等飞机在装备了AHEL之后，将会在人质救援、破坏通信、城市作战等复杂环境中发挥静默打击的优势。

（作者系察哈尔学会研究员 远望智库特约研究员）

责任编辑：谢瑞强 图片编辑：蒋立冬

校对：张艳

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