Optical Waveguides: Ang 'Path of Light' mula sa Photonic Chips hanggang AR Glasses

Sa AR glasses, ang optical waveguide ay isang pangunahing optical component na tumutukoy sa karanasan sa pagpapakita. Dinadala nito ang imahe na nabuo ng optical engine sa lens at idinidirekta ito patungo sa mata ng user sa pamamagitan ng isang partikular na istraktura, habang pinapanatili ang transparency ng lens upang payagan ang user na tingnan ang parehong totoong mundo at virtual na impormasyon nang sabay-sabay.

Ang mga optical waveguides ay hindi nagmula sa pagdating ng AR. Sa mga larangan tulad ng mga photonic chip at optical na komunikasyon, ang mga device tulad ng mga modulator, detector, at beam splitter ay umaasa din sa mga waveguides upang magpadala ng mga optical signal. Kung ang mga metal na magkakaugnay ay nagsisilbing mga landas para sa mga de-koryenteng signal, ang mga optical waveguides ay nagsisilbing mga channel para sa mga optical signal—ang pagkakaiba ay ang ilaw ay umaasa sa mga pagkakaiba ng refractive index at mga geometric na hangganan upang hadlangan ang daanan ng pagpapalaganap nito.

Hindi alintana kung ang mga ito ay geometric, surface-relief grating, o volume holographic waveguides, ang layunin ng optical waveguides na ginagamit sa AR glasses ay idirekta ang liwanag sa mata ng tao kasama ang isang dinisenyong landas.

Ang kakanyahan ng isang waveguide: pagdidisenyo ng isang nakokontrol na landas para sa liwanag

Ang pangunahing function ng isang optical waveguide ay upang i-confine ang light propagation sa isang partikular na rehiyon.

Sa photonic chips, ang mga waveguides ay maaaring gawin mula sa mga materyales tulad ng silicon, silicon nitride, InP, o lithium niobate; sa AR glasses, ang optical waveguides ay karaniwang binubuo ng high-refractive-index glass o resin, bagaman sa mga nakalipas na taon, ang silicon carbide (SiC) ay nagsimula na ring gamitin bilang substrate material para sa diffractive optical waveguides, na gumagamit ng gratings o reflective structures para magkaroon ng light in-coupling at out-coupling.

Kinokontrol ng waveguide hindi lamang ang optical path kundi pati na rin ang light field distribution—pagtukoy kung saan kumakalat ang liwanag, kung paano ito nire-redirect at nahati, at kung paano ito tuluyang pumapasok sa mata ng tao.

Ang isang mahusay na waveguide ay dapat magkasabay na makamit ang mababang pagkawala, mataas na kahusayan ng pagkabit, at mahusay na pagkakapareho, habang angkop din para sa mass production.

Paano Kinokontrol ng Waveguides ang Liwanag: Kabuuang Panloob na Reflection at Mga Mode

Kinokontrol ng mga optical waveguides ang pagpapalaganap ng liwanag sa pamamagitan ng kabuuang panloob na pagmuni-muni.

Kapag ang liwanag ay naglalakbay mula sa isang high-refractive-index na materyal patungo sa isang low-refractive-index na materyal at ang anggulo ng saklaw ay lumampas sa kritikal na anggulo, ang liwanag ay ganap na nasasalamin pabalik sa high-refractive-index na materyal. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay bumubuo ng batayan ng mga waveguides.

Ang mas malaking refractive index contrast ay nagreresulta sa mas malakas na optical field confinement, na nagbibigay-daan para sa mas maliliit na waveguides. Gayunpaman, ang sobrang lakas ng pagkakakulong ay ginagawang mas sensitibo ang waveguide sa mga di-kasakdalan sa paggawa at pinapataas ang mga pagkalugi sa pagkakalat.

Kapansin-pansin na direktang tinutukoy ng refractive index ang itaas na limitasyon ng field of view (FOV) para sa AR glasses. Ang pagtaas ng refractive index ng materyal na waveguide ay nagpapalawak ng hanay ng mga sinusuportahang anggulo ng pagpapalaganap ng liwanag, sa gayon ay lumilikha ng potensyal para sa mga disenyo na may mas malawak na larangan ng pagtingin. Halimbawa, ang mga high-refractive-index na materyales ay karaniwang mas nakakatulong sa pagkamit ng mga waveguide system na may malaking FOV; ito ay isang pangunahing dahilan kung bakit ang silicon carbide (SiC, na may refractive index na humigit-kumulang 2.6) ay nakakuha ng makabuluhang atensyon.

Ang liwanag ay hindi basta-basta kumakalat sa loob ng isang waveguide. Sa madaling salita, hindi lahat ng ilaw na sinag na pumapasok sa waveguide ay maaaring magpalaganap nang matatag; tanging mga pamamahagi ng electromagnetic field na nakakatugon sa mga partikular na kundisyon sa hangganan ang maaaring maglakbay sa malalayong distansya. Ang mga stable na estado na ito ay kilala bilang 'modes.' Ang iba't ibang propagation mode ay nagtataglay ng mga natatanging distribusyon ng electric field at propagation constant. Dahil ang mga isyu sa crosstalk o pagkakapareho ay maaaring lumitaw sa pagitan ng maraming mga mode, ang kontrol ng mode ay isang kritikal na kadahilanan sa disenyo ng AR waveguide.

Sa mga AR display, direktang nakakaapekto ang mode control sa pagkakapareho ng liwanag at performance ng kulay.

Saan nangyayari ang optical loss sa isang waveguide

Ang mga tunay na waveguides ay hindi maiiwasang magpakita ng mga pagkalugi, pangunahin sa apat na uri:

1. Materyal na pagsipsip: Banayad na pagkawala ng enerhiya na dulot ng mga likas na katangian ng pagsipsip at mga dumi ng materyal.

2. Pagkawala ng scattering: Banayad na pagkalat na dulot ng pagkamagaspang sa sidewall at mga dimensional deviation sa panahon ng proseso ng pagmamanupaktura. Ang mga parameter ng micro- at nano-fabrication—gaya ng grating period, lalim ng pag-ukit, at kagaspangan ng sidewall sa mga AR waveguides—ay direktang nakakaapekto sa kahusayan ng diffraction, pagkakapareho, at pagganap ng kulay.

3. Pagkawala ng baluktot: Kapag ang radius ng baluktot ay masyadong maliit, may ilang liwanag na naglalabas palabas.

4. Pagkawala ng coupling: Nagaganap ang mga pagkalugi dahil sa hindi pagkakatugma sa laki ng mode, anggulo, o estado ng polarization kapag lumilipat ang liwanag mula sa isang istraktura patungo sa isa pa (hal., optical engine sa waveguide, o waveguide sa out-coupling na istraktura).

Isa sa mga susi sa pagpapabuti ng optical efficiency ng AR glasses ay ang pagliit ng mga pagkalugi sa buong optical path: mula sa light engine hanggang sa incoupling, propagation, at outcoupling, hanggang sa mata ng tao.

Pinapadali ang maayos na pagpasok at paglabas ng liwanag sa loob at labas ng waveguide: incoupling at outcoupling

Sa AR optical waveguides, ang light coupling-in at coupling-out ay mga pangunahing teknolohiya:

1. Gumagamit ang diffractive optical waveguides ng mga grating upang baguhin ang direksyon ng liwanag.

2. Gumagamit ang mga geometric optical waveguides ng mga reflective na istruktura upang i-redirect ang optical path.

3. Ang volume holographic optical waveguides ay gumagamit ng mga holographic na elemento upang kontrolin ang pagpapalaganap ng liwanag.

Ang kakanyahan ng mga teknolohiyang ito ay nakasalalay sa pagpapagana ng napakahusay na mode conversion para sa liwanag.

Pamantayan sa Pagsusuri ng Waveguide Engineering

Ang pagtatasa sa posibilidad ng isang waveguide ay nangangailangan ng komprehensibong pagsusuri ng mga sumusunod na salik:

1. Pagkawala ng pagpapalaganap: Optical power attenuation bawat haba ng yunit.

2. Coupling efficiency: Ang kahusayan ng pagpasok at paglabas ng liwanag sa system, na direktang nakakaapekto sa ningning na nakikita ng mata.

3. Pagkawala ng bending: Isang pagtatasa ng optical stability ng waveguide structure sa mga disenyong nagtatampok ng manipis na profile o curved surface.

4. Kontrol ng mode at polarization: Mga salik na nakakaimpluwensya sa pagkakapareho ng display, pagganap ng kulay, at katatagan ng system, na dapat isaalang-alang kasabay ng disenyo ng waveguide.

5. Mga pagpapaubaya sa paggawa: Ang kakayahang kontrolin ang mga salik gaya ng mga error sa lithography, mga paglihis ng pag-ukit, at mga pagkakaiba-iba sa kapal ng pelikula.

Sa konklusyon

Sa photonic chips man o AR display, ang function ng optical waveguides ay kontrolin ang propagation path ng liwanag.

Sa patuloy na ebolusyon ng iba't ibang teknikal na diskarte—gaya ng geometric optical waveguides, surface-relief gratings, at volume holographic waveguides—at ang paglipat ng mga bagong materyales tulad ng silicon carbide mula sa laboratoryo patungo sa engineering application, ang optical waveguide na teknolohiya ay pumapasok sa isang bagong yugto ng kompetisyon. Ang yugtong ito ay lumalampas sa nag-iisang hangarin ng optical na pagganap sa isang komprehensibong paligsahan na kinasasangkutan ng pagganap, gastos, ani, at mga kakayahan sa pagmamanupaktura ng masa.

Source: Compiled by Pingsheng Semiconductor and Aibang Zhizao