Guides d'ondes optiques : le « chemin de la lumière », des puces photoniques aux lunettes AR

Dans les lunettes AR, le guide d'onde optique est un composant optique central qui détermine l'expérience d'affichage. Il canalise l'image générée par le moteur optique dans la lentille et la dirige vers l'œil de l'utilisateur via une structure spécifique, tout en conservant la transparence de la lentille pour permettre à l'utilisateur de visualiser simultanément le monde réel et les informations virtuelles.

Les guides d’ondes optiques ne sont pas nés avec l’avènement de la RA. Dans des domaines tels que les puces photoniques et les communications optiques, des dispositifs tels que les modulateurs, les détecteurs et les séparateurs de faisceaux s'appuient également sur des guides d'ondes pour transmettre des signaux optiques. Si les interconnexions métalliques servent de chemin aux signaux électriques, les guides d'ondes optiques agissent comme des canaux pour les signaux optiques, la distinction étant que la lumière s'appuie sur des différences d'indice de réfraction et des limites géométriques pour limiter son chemin de propagation.

Qu'il s'agisse de guides d'ondes géométriques, à réseau en relief ou de guides d'ondes holographiques en volume, l'objectif des guides d'ondes optiques utilisés dans les lunettes AR est de diriger la lumière dans l'œil humain le long d'un chemin conçu.

L'essence d'un guide d'ondes : concevoir un chemin contrôlable pour la lumière

La fonction principale d'un guide d'onde optique est de confiner la propagation de la lumière à une région spécifique.

Dans les puces photoniques, les guides d'ondes peuvent être fabriqués à partir de matériaux tels que le silicium, le nitrure de silicium, l'InP ou le niobate de lithium ; dans les lunettes AR, les guides d'ondes optiques sont généralement composés de verre ou de résine à indice de réfraction élevé, bien que ces dernières années, le carbure de silicium (SiC) ait également commencé à être utilisé comme matériau de substrat pour les guides d'ondes optiques diffractifs, en utilisant des réseaux ou des structures réfléchissantes pour obtenir un couplage d'entrée et de sortie de la lumière.

Un guide d'ondes contrôle non seulement le chemin optique, mais également la distribution du champ lumineux, déterminant où la lumière se propage, comment elle est redirigée et divisée, et comment elle finit par pénétrer dans l'œil humain.

Un excellent guide d'ondes doit simultanément atteindre une faible perte, une efficacité de couplage élevée et une bonne uniformité, tout en étant également adapté à la production de masse.

Comment les guides d'ondes confinent la lumière : réflexion interne totale et modes

Les guides d'ondes optiques confinent la propagation de la lumière grâce à une réflexion interne totale.

Lorsque la lumière se déplace d’un matériau à indice de réfraction élevé vers un matériau à indice de réfraction faible et que l’angle d’incidence dépasse l’angle critique, la lumière est totalement réfléchie dans le matériau à indice de réfraction élevé. Ce phénomène constitue la base des guides d'ondes.

Un contraste d'indice de réfraction plus important entraîne un confinement du champ optique plus fort, permettant des guides d'ondes plus petits. Cependant, un confinement trop fort rend également le guide d'onde plus sensible aux imperfections de fabrication et augmente les pertes par diffusion.

Il convient de noter que l’indice de réfraction détermine directement la limite supérieure du champ de vision (FOV) des lunettes AR. L'augmentation de l'indice de réfraction du matériau du guide d'ondes élargit la plage des angles de propagation de la lumière pris en charge, créant ainsi le potentiel de conceptions avec un champ de vision plus large. Par exemple, les matériaux à indice de réfraction élevé sont généralement plus propices à la réalisation de systèmes de guides d'ondes avec un grand champ de vision ; c’est l’une des principales raisons pour lesquelles le carbure de silicium (SiC, avec un indice de réfraction d’environ 2,6) a attiré une attention particulière.

La lumière ne se propage pas arbitrairement dans un guide d’ondes. En termes simples, tous les faisceaux lumineux entrant dans le guide d’ondes ne peuvent pas se propager de manière stable ; seules les distributions de champs électromagnétiques qui satisfont à des conditions aux limites spécifiques peuvent se propager sur de longues distances. Ces états stables sont appelés « modes ». Différents modes de propagation possèdent des distributions de champ électrique et des constantes de propagation distinctes. Étant donné que des problèmes de diaphonie ou d'uniformité peuvent survenir entre plusieurs modes, le contrôle des modes est un facteur critique dans la conception des guides d'ondes AR.

Dans les écrans AR, le contrôle du mode affecte directement l’uniformité de la luminosité et les performances des couleurs.

Où se produisent les pertes optiques dans un guide d'ondes

Les vrais guides d'ondes présentent inévitablement des pertes, principalement de quatre types :

1. Absorption du matériau : perte d'énergie lumineuse causée par les caractéristiques d'absorption inhérentes au matériau et les impuretés.

2. Perte de diffusion : diffusion de la lumière causée par la rugosité des parois latérales et les écarts dimensionnels au cours du processus de fabrication. Les paramètres de micro et nanofabrication, tels que la période de réseau, la profondeur de gravure et la rugosité des parois latérales des guides d'ondes AR, affectent directement l'efficacité de la diffraction, l'uniformité et les performances des couleurs.

3. Perte de courbure : lorsque le rayon de courbure est trop petit, une partie de la lumière rayonne vers l'extérieur.

4. Perte de couplage : des pertes se produisent en raison de différences de taille de mode, d'angle ou d'état de polarisation lorsque la lumière passe d'une structure à une autre (par exemple, moteur optique vers guide d'ondes, ou guide d'ondes vers structure de découplage).

L’une des clés pour améliorer l’efficacité optique des lunettes AR consiste à minimiser les pertes tout au long du trajet optique : du moteur lumineux à l’œil humain en passant par l’incouplage, la propagation et le découplage.

Faciliter l'entrée et la sortie en douceur de la lumière dans et hors du guide d'ondes : incouplage et découplage

Dans les guides d'ondes optiques AR, le couplage et la sortie de la lumière sont des technologies de base :

1. Les guides d'ondes optiques diffractifs utilisent des réseaux pour modifier la direction de la lumière.

2. Les guides d'ondes optiques géométriques utilisent des structures réfléchissantes pour rediriger le chemin optique.

3. Les guides d'ondes optiques holographiques en volume utilisent des éléments holographiques pour contrôler la propagation de la lumière.

L’essence de ces technologies réside dans la possibilité d’une conversion de mode très efficace pour la lumière.

Critères d'évaluation de l'ingénierie des guides d'ondes

L'évaluation de la viabilité d'un guide d'ondes nécessite une évaluation complète des facteurs suivants :

1. Perte de propagation : Atténuation de la puissance optique par unité de longueur.

2. Efficacité du couplage : efficacité de la lumière entrant et sortant du système, qui a un impact direct sur la luminosité perçue par l'œil.

3. Perte de courbure : évaluation de la stabilité optique de la structure du guide d'ondes dans les conceptions présentant des profils minces ou des surfaces courbes.

4. Contrôle du mode et de la polarisation : facteurs influençant l'uniformité de l'affichage, les performances des couleurs et la stabilité du système, qui doivent être pris en compte en conjonction avec la conception du guide d'ondes.

5. Tolérances de fabrication : la contrôlabilité de facteurs tels que les erreurs de lithographie, les écarts de gravure et les variations d'épaisseur du film.

En conclusion

Que ce soit dans les puces photoniques ou les écrans AR, la fonction des guides d'ondes optiques est de contrôler le chemin de propagation de la lumière.

Avec l'évolution continue de diverses approches techniques, telles que les guides d'ondes optiques géométriques, les réseaux à relief de surface et les guides d'ondes holographiques en volume, et la transition de nouveaux matériaux comme le carbure de silicium du laboratoire aux applications d'ingénierie, la technologie des guides d'ondes optiques entre dans une nouvelle phase de concurrence. Cette phase va au-delà de la seule recherche de performances optiques pour devenir une compétition globale impliquant les performances, les coûts, le rendement et les capacités de fabrication de masse.

Source : Compilé par Pingsheng Semiconductor et Aibang Zhizao