AR 안경에서 광 도파관은 디스플레이 경험을 결정하는 핵심 광학 부품입니다. 광학 엔진에서 생성된 이미지를 렌즈로 전달하고 특정 구조를 통해 사용자의 눈을 향해 전달하는 동시에 렌즈 투명도를 유지하여 사용자가 현실 세계와 가상 정보를 동시에 볼 수 있도록 합니다.
광 도파관은 AR의 출현과 함께 탄생한 것이 아닙니다. 광자 칩 및 광통신과 같은 분야에서 변조기, 검출기, 빔 분할기와 같은 장치도 도파관을 사용하여 광 신호를 전송합니다. 금속 상호 연결이 전기 신호의 경로 역할을 한다면 광 도파관은 광 신호의 채널 역할을 합니다. 차이점은 빛이 굴절률 차이와 기하학적 경계에 의존하여 전파 경로를 제한한다는 점입니다.
기하학적, 표면 부조 격자, 볼륨 홀로그램 도파관 등 AR 안경에 사용되는 광학 도파관의 목적은 설계된 경로를 따라 사람의 눈에 빛을 전달하는 것입니다.
도파관의 본질: 빛의 제어 가능한 경로 설계
광 도파관의 핵심 기능은 빛의 전파를 특정 영역으로 제한하는 것입니다.
광자 칩에서 도파관은 실리콘, 질화 실리콘, InP 또는 니오브산 리튬과 같은 재료로 만들 수 있습니다. AR 안경에서 광 도파관은 일반적으로 고굴절률 유리 또는 수지로 구성되지만, 최근에는 탄화규소(SiC)도 회절형 광 도파관용 기판 재료로 사용되기 시작했으며, 격자 또는 반사 구조를 활용하여 광 인커플링 및 아웃커플링을 달성합니다.
도파관은 광 경로뿐만 아니라 광장 분포도 제어하여 빛이 전파되는 위치, 방향이 바뀌고 분할되는 방식, 최종적으로 사람의 눈에 들어가는 방식을 결정합니다.
우수한 도파관은 낮은 손실, 높은 결합 효율 및 우수한 균일성을 동시에 달성하는 동시에 대량 생산에 적합해야 합니다.
도파관이 빛을 가두는 방법: 전체 내부 반사 및 모드
광 도파관은 내부 전반사를 통해 빛의 전파를 제한합니다.
빛이 굴절률이 높은 물질에서 굴절률이 낮은 물질로 진행하고 입사각이 임계각을 초과하면 빛은 굴절률이 높은 물질로 전반사됩니다. 이 현상은 도파관의 기초를 형성합니다.
굴절률 대비가 클수록 광학 필드 제한이 더 강해지며 더 작은 도파관이 가능해집니다. 그러나 지나치게 강한 감금은 도파관을 제조 결함에 더욱 민감하게 만들고 산란 손실을 증가시킵니다.
굴절률이 AR 안경의 시야(FOV) 상한을 직접적으로 결정한다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 도파관 재료의 굴절률을 높이면 지원되는 빛 전파 각도의 범위가 확장되므로 더 넓은 시야를 가진 설계가 가능해집니다. 예를 들어, 굴절률이 높은 재료는 일반적으로 FOV가 큰 도파관 시스템을 구현하는 데 더 도움이 됩니다. 이것이 탄화규소(SiC, 굴절률 약 2.6)가 주목을 받는 핵심 이유입니다.
빛은 도파관 내에서 임의로 전파되지 않습니다. 간단히 말해서, 도파관에 들어오는 모든 광선이 안정적으로 전파될 수 있는 것은 아닙니다. 특정 경계 조건을 만족하는 전자기장 분포만이 장거리 이동이 가능합니다. 이러한 안정적인 상태를 '모드'라고 합니다. 서로 다른 전파 모드는 뚜렷한 전기장 분포와 전파 상수를 가지고 있습니다. 여러 모드 간에 누화 또는 균일성 문제가 발생할 수 있으므로 모드 제어는 AR 도파관 설계에서 중요한 요소입니다.
AR 디스플레이에서 모드 제어는 밝기 균일성과 색상 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
도파관에서 광 손실은 어디에서 발생합니까?
실제 도파관은 필연적으로 주로 네 가지 유형의 손실을 나타냅니다.
물질 흡수: 물질 고유의 흡수 특성과 불순물로 인해 발생하는 빛 에너지 손실.
산란 손실: 제조 공정 중 측벽 거칠기 및 치수 편차로 인해 발생하는 빛의 산란입니다. AR 도파관의 격자 주기, 에칭 깊이, 측벽 거칠기와 같은 마이크로 및 나노 가공 매개변수는 회절 효율, 균일성 및 색상 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
굽힘 손실: 굽힘 반경이 너무 작으면 일부 빛이 바깥쪽으로 방출됩니다.
결합 손실: 빛이 한 구조에서 다른 구조로 전환될 때(예: 광학 엔진에서 도파관으로 또는 도파관에서 아웃커플링 구조로) 모드 크기, 각도 또는 편광 상태의 불일치로 인해 손실이 발생합니다.
AR 안경의 광학 효율성을 향상시키는 핵심 중 하나는 광 엔진부터 인커플링, 전파 및 아웃커플링을 거쳐 인간의 눈에 이르기까지 전체 광학 경로에서 손실을 최소화하는 것입니다.
도파관 안팎으로 빛의 원활한 출입을 촉진: 인커플링 및 아웃커플링
AR 광 도파관에서는 광 커플링 인 및 커플링 아웃이 핵심 기술입니다.
회절형 광 도파관은 격자를 사용하여 빛의 방향을 변경합니다.
기하학적 광 도파관은 반사 구조를 사용하여 광 경로의 방향을 바꿉니다.
볼륨 홀로그램 광 도파관은 홀로그램 요소를 사용하여 빛 전파를 제어합니다.
이러한 기술의 핵심은 빛에 대한 매우 효율적인 모드 변환을 가능하게 하는 것입니다.
도파관 공학 평가 기준
도파관의 생존 가능성을 평가하려면 다음 요소에 대한 포괄적인 평가가 필요합니다.
전파 손실: 단위 길이당 광전력 감쇠.
커플링 효율성: 시스템에 들어오고 나가는 빛의 효율성으로, 눈이 인지하는 밝기에 직접적인 영향을 미칩니다.
굽힘 손실: 얇은 프로파일이나 곡면을 특징으로 하는 설계에서 도파관 구조의 광학적 안정성을 평가합니다.
모드 및 편광 제어: 도파관 설계와 함께 고려해야 하는 디스플레이 균일성, 색상 성능 및 시스템 안정성에 영향을 미치는 요소입니다.
제조 공차: 리소그래피 오류, 에칭 편차, 필름 두께 변화와 같은 요인의 제어 가능성.
결론적으로
광자 칩이든 AR 디스플레이이든 광 도파관의 기능은 빛의 전파 경로를 제어하는 것입니다.
기하학적 광 도파관, 표면 릴리프 격자, 볼륨 홀로그램 도파관과 같은 다양한 기술 접근 방식의 지속적인 발전과 탄화 규소와 같은 신소재가 실험실에서 엔지니어링 응용 분야로 전환됨에 따라 광 도파관 기술은 새로운 경쟁 단계에 진입하고 있습니다. 이 단계는 단순한 광학 성능 추구를 넘어 성능, 비용, 수율 및 대량 생산 능력을 포함하는 종합적인 경쟁으로 이동합니다.
출처: Pingsheng Semiconductor 및 Aibang Zhizao 작성
