Optische Wellenleiter: Der „Weg des Lichts“ von photonischen Chips zu AR-Brillen

Bei AR-Brillen ist der Lichtwellenleiter eine zentrale optische Komponente, die das Anzeigeerlebnis bestimmt. Es leitet das von der optischen Engine erzeugte Bild in die Linse und leitet es über eine bestimmte Struktur zum Auge des Benutzers, während die Transparenz der Linse erhalten bleibt, damit der Benutzer sowohl die reale Welt als auch virtuelle Informationen gleichzeitig betrachten kann.

Optische Wellenleiter entstanden nicht erst mit dem Aufkommen der AR. In Bereichen wie photonischen Chips und optischer Kommunikation sind Geräte wie Modulatoren, Detektoren und Strahlteiler ebenfalls auf Wellenleiter angewiesen, um optische Signale zu übertragen. Wenn Metallverbindungen als Wege für elektrische Signale dienen, fungieren optische Wellenleiter als Kanäle für optische Signale – mit dem Unterschied, dass Licht auf Brechungsindexunterschieden und geometrischen Grenzen beruht, um seinen Ausbreitungsweg einzuschränken.

Unabhängig davon, ob es sich um geometrische Wellenleiter, Oberflächenreliefgitter oder volumenholografische Wellenleiter handelt, besteht das Ziel der in AR-Brillen verwendeten optischen Wellenleiter darin, Licht entlang eines vorgegebenen Pfads in das menschliche Auge zu leiten.

Die Essenz eines Wellenleiters: einen steuerbaren Pfad für Licht entwerfen

Die Kernfunktion eines optischen Wellenleiters besteht darin, die Lichtausbreitung auf einen bestimmten Bereich zu beschränken.

In photonischen Chips können Wellenleiter aus Materialien wie Silizium, Siliziumnitrid, InP oder Lithiumniobat hergestellt werden; In AR-Gläsern bestehen optische Wellenleiter typischerweise aus Glas oder Harz mit hohem Brechungsindex. In den letzten Jahren wird jedoch auch Siliziumkarbid (SiC) als Substratmaterial für diffraktive optische Wellenleiter verwendet, bei denen Gitter oder reflektierende Strukturen zum Ein- und Auskoppeln von Licht verwendet werden.

Ein Wellenleiter steuert nicht nur den optischen Weg, sondern auch die Lichtfeldverteilung – er bestimmt, wohin sich Licht ausbreitet, wie es umgeleitet und aufgeteilt wird und wie es letztendlich in das menschliche Auge gelangt.

Ein exzellenter Wellenleiter muss gleichzeitig geringe Verluste, eine hohe Kopplungseffizienz und eine gute Gleichmäßigkeit aufweisen und gleichzeitig für die Massenproduktion geeignet sein.

Wie Wellenleiter Licht eingrenzen: Interne Totalreflexion und Moden

Optische Wellenleiter begrenzen die Lichtausbreitung durch Totalreflexion.

Wenn Licht von einem Material mit hohem Brechungsindex zu einem Material mit niedrigem Brechungsindex wandert und der Einfallswinkel den kritischen Winkel überschreitet, wird das Licht vollständig in das Material mit hohem Brechungsindex zurückreflektiert. Dieses Phänomen bildet die Grundlage von Wellenleitern.

Ein größerer Brechungsindexkontrast führt zu einer stärkeren Eingrenzung des optischen Feldes und ermöglicht so kleinere Wellenleiter. Eine zu starke Eingrenzung macht den Wellenleiter jedoch auch empfindlicher gegenüber Herstellungsmängeln und erhöht die Streuverluste.

Es ist erwähnenswert, dass der Brechungsindex direkt die Obergrenze des Sichtfelds (FOV) für AR-Brillen bestimmt. Durch die Erhöhung des Brechungsindex des Wellenleitermaterials wird der Bereich der unterstützten Lichtausbreitungswinkel erweitert, wodurch die Möglichkeit für Designs mit einem größeren Sichtfeld entsteht. Beispielsweise eignen sich Materialien mit hohem Brechungsindex im Allgemeinen besser für die Realisierung von Wellenleitersystemen mit einem großen Sichtfeld; Dies ist einer der Hauptgründe, warum Siliziumkarbid (SiC, mit einem Brechungsindex von etwa 2,6) große Aufmerksamkeit erregt hat.

Licht breitet sich innerhalb eines Wellenleiters nicht beliebig aus. Einfach ausgedrückt kann sich nicht jeder Lichtstrahl, der in den Wellenleiter eintritt, stabil ausbreiten. Nur elektromagnetische Feldverteilungen, die bestimmte Randbedingungen erfüllen, können sich über große Entfernungen ausbreiten. Diese stabilen Zustände werden als „Moden“ bezeichnet. Verschiedene Ausbreitungsmodi besitzen unterschiedliche elektrische Feldverteilungen und Ausbreitungskonstanten. Da zwischen mehreren Moden Übersprech- oder Gleichmäßigkeitsprobleme auftreten können, ist die Modenkontrolle ein entscheidender Faktor beim Design von AR-Wellenleitern.

Bei AR-Displays wirkt sich die Modussteuerung direkt auf die Gleichmäßigkeit der Helligkeit und die Farbleistung aus.

Wo treten optische Verluste in einem Wellenleiter auf?

Echte Wellenleiter weisen zwangsläufig Verluste auf, vor allem vier Arten:

1. Materialabsorption: Lichtenergieverlust, der durch die inhärenten Absorptionseigenschaften und Verunreinigungen des Materials verursacht wird.

2. Streuverlust: Lichtstreuung, die durch Seitenwandrauheit und Maßabweichungen während des Herstellungsprozesses verursacht wird. Mikro- und Nanofertigungsparameter – wie Gitterperiode, Ätztiefe und Seitenwandrauheit in AR-Wellenleitern – wirken sich direkt auf die Beugungseffizienz, Gleichmäßigkeit und Farbleistung aus.

3. Biegeverlust: Wenn der Biegeradius zu klein ist, strahlt etwas Licht nach außen.

4. Kopplungsverlust: Verluste treten aufgrund von Fehlanpassungen in der Modengröße, dem Winkel oder dem Polarisationszustand auf, wenn Licht von einer Struktur zur anderen übergeht (z. B. optischer Motor zum Wellenleiter oder Wellenleiter zur Auskopplungsstruktur).

Einer der Schlüssel zur Verbesserung der optischen Effizienz von AR-Brillen ist die Minimierung von Verlusten im gesamten optischen Pfad: von der Lichtmaschine über die Einkopplung, Ausbreitung und Auskopplung bis hin zum menschlichen Auge.

Erleichtert den reibungslosen Ein- und Austritt von Licht in den Wellenleiter und aus diesem heraus: Ein- und Auskopplung

Bei AR-Lichtwellenleitern sind Lichtein- und -auskopplung Kerntechnologien:

1. Beugende optische Wellenleiter nutzen Gitter, um die Richtung des Lichts zu ändern.

2. Geometrische optische Wellenleiter nutzen reflektierende Strukturen, um den optischen Weg umzuleiten.

3. Volumenholografische optische Wellenleiter verwenden holografische Elemente zur Steuerung der Lichtausbreitung.

Der Kern dieser Technologien besteht darin, eine hocheffiziente Modenumwandlung des Lichts zu ermöglichen.

Bewertungskriterien für die Wellenleitertechnik

Die Beurteilung der Funktionsfähigkeit eines Wellenleiters erfordert eine umfassende Bewertung der folgenden Faktoren:

1. Ausbreitungsverlust: Optische Leistungsdämpfung pro Längeneinheit.

2. Kopplungseffizienz: Die Effizienz des in das System ein- und austretenden Lichts, die sich direkt auf die vom Auge wahrgenommene Helligkeit auswirkt.

3. Biegeverlust: Eine Bewertung der optischen Stabilität der Wellenleiterstruktur in Designs mit dünnen Profilen oder gekrümmten Oberflächen.

4. Modus- und Polarisationssteuerung: Faktoren, die die Gleichmäßigkeit der Anzeige, die Farbleistung und die Systemstabilität beeinflussen und im Zusammenhang mit dem Wellenleiterdesign berücksichtigt werden müssen.

5. Fertigungstoleranzen: Die Kontrollierbarkeit von Faktoren wie Lithografiefehlern, Ätzabweichungen und Schwankungen der Filmdicke.

Abschließend

Ob in photonischen Chips oder AR-Displays: Die Funktion von Lichtwellenleitern besteht darin, den Ausbreitungsweg von Licht zu steuern.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung verschiedener technischer Ansätze – etwa geometrischer optischer Wellenleiter, Oberflächenreliefgitter und volumenholographischer Wellenleiter – und dem Übergang neuer Materialien wie Siliziumkarbid aus dem Labor in technische Anwendungen tritt die optische Wellenleitertechnologie in eine neue Phase des Wettbewerbs ein. In dieser Phase geht es über das bloße Streben nach optischer Leistung hinaus zu einem umfassenden Wettbewerb, bei dem es um Leistung, Kosten, Ausbeute und Möglichkeiten der Massenfertigung geht.

Quelle: Zusammengestellt von Pingsheng Semiconductor und Aibang Zhizao