Guide d'onda ottiche: il 'percorso della luce' dai chip fotonici agli occhiali AR

Negli occhiali AR, la guida d'onda ottica è un componente ottico fondamentale che determina l'esperienza di visualizzazione. Incanala l'immagine generata dal motore ottico nell'obiettivo e la dirige verso l'occhio dell'utente tramite una struttura specifica, mantenendo la trasparenza dell'obiettivo per consentire all'utente di visualizzare contemporaneamente sia il mondo reale che le informazioni virtuali.

Le guide d'onda ottiche non hanno avuto origine con l'avvento dell'AR. In campi come i chip fotonici e le comunicazioni ottiche, anche dispositivi come modulatori, rilevatori e divisori di fascio si affidano a guide d'onda per trasmettere segnali ottici. Se le interconnessioni metalliche fungono da percorsi per i segnali elettrici, le guide d’onda ottiche fungono da canali per i segnali ottici, con la differenza che la luce si basa su differenze di indice di rifrazione e confini geometrici per limitare il suo percorso di propagazione.

Indipendentemente dal fatto che si tratti di guide d'onda geometriche, a reticolo in rilievo o olografiche, l'obiettivo delle guide d'onda ottiche utilizzate negli occhiali AR è dirigere la luce nell'occhio umano lungo un percorso progettato.

L'essenza di una guida d'onda: progettare un percorso controllabile per la luce

La funzione principale di una guida d'onda ottica è confinare la propagazione della luce in una regione specifica.

Nei chip fotonici, le guide d'onda possono essere realizzate con materiali come silicio, nitruro di silicio, InP o niobato di litio; Negli occhiali AR, le guide d'onda ottiche sono tipicamente composte da vetro o resina ad alto indice di rifrazione, sebbene negli ultimi anni anche il carburo di silicio (SiC) abbia iniziato a essere utilizzato come materiale di substrato per guide d'onda ottiche diffrattive, utilizzando reticoli o strutture riflettenti per ottenere l'accoppiamento in entrata e in uscita della luce.

Una guida d'onda controlla non solo il percorso ottico ma anche la distribuzione del campo luminoso, determinando dove si propaga la luce, come viene reindirizzata e divisa e come alla fine entra nell'occhio umano.

Una guida d'onda eccellente deve raggiungere contemporaneamente basse perdite, elevata efficienza di accoppiamento e buona uniformità, oltre ad essere adatta alla produzione di massa.

Come le guide d'onda confinano la luce: riflessione interna totale e modalità

Le guide d'onda ottiche delimitano la propagazione della luce mediante riflessione interna totale.

Quando la luce viaggia da un materiale ad alto indice di rifrazione verso un materiale a basso indice di rifrazione e l'angolo di incidenza supera l'angolo critico, la luce viene riflessa completamente nel materiale ad alto indice di rifrazione. Questo fenomeno costituisce la base delle guide d'onda.

Un contrasto dell'indice di rifrazione maggiore si traduce in un maggiore confinamento del campo ottico, consentendo guide d'onda più piccole. Tuttavia, un confinamento eccessivamente forte rende anche la guida d'onda più sensibile alle imperfezioni di fabbricazione e aumenta le perdite per diffusione.

Vale la pena notare che l'indice di rifrazione determina direttamente il limite superiore del campo visivo (FOV) per gli occhiali AR. L’aumento dell’indice di rifrazione del materiale della guida d’onda espande la gamma di angoli di propagazione della luce supportati, creando così il potenziale per progetti con un campo visivo più ampio. Ad esempio, i materiali ad alto indice di rifrazione sono generalmente più favorevoli alla realizzazione di sistemi di guida d'onda con un ampio FOV; questo è uno dei motivi principali per cui il carburo di silicio (SiC, con un indice di rifrazione di circa 2,6) ha attirato un'attenzione significativa.

La luce non si propaga arbitrariamente all'interno di una guida d'onda. In poche parole, non tutti i raggi luminosi che entrano nella guida d’onda possono propagarsi in modo stabile; solo le distribuzioni di campo elettromagnetico che soddisfano specifiche condizioni al contorno possono viaggiare su lunghe distanze. Questi stati stabili sono conosciuti come 'modi'. Differenti modalità di propagazione possiedono distribuzioni di campo elettrico e costanti di propagazione distinte. Poiché possono verificarsi problemi di diafonia o uniformità tra più modalità, il controllo della modalità è un fattore critico nella progettazione delle guide d'onda AR.

Nei display AR, il controllo della modalità influisce direttamente sull'uniformità della luminosità e sulle prestazioni del colore.

Dove si verificano le perdite ottiche in una guida d'onda

Le guide d'onda reali presentano inevitabilmente perdite, principalmente di quattro tipi:

1. Assorbimento del materiale: perdita di energia luminosa causata dalle caratteristiche di assorbimento intrinseche del materiale e dalle impurità.

2. Perdita di diffusione: diffusione della luce causata dalla ruvidità delle pareti laterali e dalle deviazioni dimensionali durante il processo di produzione. I parametri di micro e nano-fabbricazione, come il periodo di reticolo, la profondità di incisione e la ruvidità delle pareti laterali nelle guide d'onda AR, influiscono direttamente sull'efficienza di diffrazione, sull'uniformità e sulle prestazioni del colore.

3. Perdita di curvatura: quando il raggio di curvatura è troppo piccolo, parte della luce si irradia verso l'esterno.

4. Perdita di accoppiamento: le perdite si verificano a causa di disallineamenti nella dimensione della modalità, nell'angolo o nello stato di polarizzazione quando la luce passa da una struttura all'altra (ad esempio, dal motore ottico alla guida d'onda o dalla guida d'onda alla struttura di disaccoppiamento).

Una delle chiavi per migliorare l'efficienza ottica degli occhiali AR è ridurre al minimo le perdite lungo l'intero percorso ottico: dal motore luminoso attraverso l'accoppiamento, la propagazione e l'accoppiamento, fino all'occhio umano.

Facilitare l'ingresso e l'uscita fluida della luce dentro e fuori la guida d'onda: incoupling e outcoupling

Nelle guide d'onda ottiche AR, l'accoppiamento e l'accoppiamento della luce sono tecnologie fondamentali:

1. Le guide d'onda ottiche diffrattive utilizzano reticoli per alterare la direzione della luce.

2. Le guide d'onda ottiche geometriche utilizzano strutture riflettenti per reindirizzare il percorso ottico.

3. Le guide d'onda ottiche olografiche del volume utilizzano elementi olografici per controllare la propagazione della luce.

L'essenza di queste tecnologie risiede nel consentire una conversione della modalità altamente efficiente per la luce.

Criteri di valutazione dell'ingegneria delle guide d'onda

Valutare la fattibilità di una guida d'onda richiede una valutazione completa dei seguenti fattori:

1. Perdita di propagazione: attenuazione della potenza ottica per unità di lunghezza.

2. Efficienza di accoppiamento: l'efficienza della luce che entra ed esce dal sistema, che influisce direttamente sulla luminosità percepita dall'occhio.

3. Perdita di flessione: una valutazione della stabilità ottica della struttura della guida d'onda in progetti caratterizzati da profili sottili o superfici curve.

4. Controllo della modalità e della polarizzazione: fattori che influenzano l'uniformità del display, le prestazioni del colore e la stabilità del sistema, che devono essere considerati insieme alla progettazione della guida d'onda.

5. Tolleranze di produzione: la controllabilità di fattori quali errori di litografia, deviazioni di incisione e variazioni nello spessore della pellicola.

Insomma

Sia nei chip fotonici che nei display AR, la funzione delle guide d'onda ottiche è quella di controllare il percorso di propagazione della luce.

Con la continua evoluzione di vari approcci tecnici, come le guide d'onda ottiche geometriche, i reticoli a rilievo superficiale e le guide d'onda olografiche volumetriche, e la transizione di nuovi materiali come il carburo di silicio dal laboratorio alle applicazioni ingegneristiche, la tecnologia delle guide d'onda ottiche sta entrando in una nuova fase di competizione. Questa fase va oltre la semplice ricerca delle prestazioni ottiche verso un contesto globale che coinvolge prestazioni, costi, resa e capacità di produzione di massa.

Fonte: compilato da Pingsheng Semiconductor e Aibang Zhizao