Optische golfgeleiders: het 'pad van licht', van fotonische chips tot AR-brillen

In AR-brillen is de optische golfgeleider een optische kerncomponent die de weergave-ervaring bepaalt. Het kanaliseert het door de optische motor gegenereerde beeld naar de lens en stuurt het via een specifieke structuur naar het oog van de gebruiker, terwijl de lenstransparantie behouden blijft, zodat de gebruiker zowel de echte wereld als virtuele informatie tegelijkertijd kan bekijken.

Optische golfgeleiders zijn niet ontstaan ​​met de komst van AR. Op gebieden zoals fotonische chips en optische communicatie vertrouwen apparaten zoals modulators, detectoren en bundelsplitsers ook op golfgeleiders om optische signalen te verzenden. Terwijl metalen verbindingen dienen als paden voor elektrische signalen, fungeren optische golfgeleiders als kanalen voor optische signalen. Het verschil is dat licht afhankelijk is van brekingsindexverschillen en geometrische grenzen om zijn voortplantingspad te beperken.

Ongeacht of het geometrische golfgeleiders, oppervlakte-reliëfroosters of holografische volumegolfgeleiders zijn, het doel van de optische golfgeleiders die in AR-brillen worden gebruikt, is om licht langs een ontworpen pad in het menselijk oog te richten.

De essentie van een golfgeleider: het ontwerpen van een bestuurbaar pad voor licht

De kernfunctie van een optische golfgeleider is het beperken van de lichtvoortplanting tot een specifiek gebied.

In fotonische chips kunnen golfgeleiders worden gemaakt van materialen zoals silicium, siliciumnitride, InP of lithiumniobaat; in AR-brillen zijn optische golfgeleiders doorgaans samengesteld uit glas of hars met een hoge brekingsindex, hoewel siliciumcarbide (SiC) de laatste jaren ook wordt gebruikt als substraatmateriaal voor diffractieve optische golfgeleiders, waarbij gebruik wordt gemaakt van roosters of reflecterende structuren om in- en uitkoppeling van licht te bereiken.

Een golfgeleider regelt niet alleen het optische pad, maar ook de distributie van het lichtveld. Hij bepaalt waar licht zich voortplant, hoe het wordt omgeleid en gesplitst, en hoe het uiteindelijk het menselijk oog binnendringt.

Een uitstekende golfgeleider moet tegelijkertijd een laag verlies, een hoge koppelingsefficiëntie en een goede uniformiteit bereiken, en tegelijkertijd geschikt zijn voor massaproductie.

Hoe golfgeleiders licht beperken: totale interne reflectie en modi

Optische golfgeleiders beperken de voortplanting van licht door middel van totale interne reflectie.

Wanneer licht zich verplaatst van een materiaal met een hoge brekingsindex naar een materiaal met een lage brekingsindex en de invalshoek de kritische hoek overschrijdt, wordt het licht volledig teruggekaatst in het materiaal met een hoge brekingsindex. Dit fenomeen vormt de basis van golfgeleiders.

Een groter brekingsindexcontrast resulteert in een sterkere optische veldbeperking, waardoor kleinere golfgeleiders mogelijk zijn. Een te sterke opsluiting maakt de golfgeleider echter ook gevoeliger voor fabricageonvolkomenheden en vergroot de verstrooiingsverliezen.

Het is vermeldenswaard dat de brekingsindex rechtstreeks de bovengrens van het gezichtsveld (FOV) voor AR-brillen bepaalt. Het verhogen van de brekingsindex van het golfgeleidermateriaal vergroot het bereik van ondersteunde lichtvoortplantingshoeken, waardoor de mogelijkheid ontstaat voor ontwerpen met een breder gezichtsveld. Materialen met een hoge brekingsindex zijn bijvoorbeeld over het algemeen meer bevorderlijk voor het realiseren van golfgeleidersystemen met een groot gezichtsveld; dit is een belangrijke reden waarom siliciumcarbide (SiC, met een brekingsindex van ongeveer 2,6) veel aandacht heeft getrokken.

Licht plant zich niet willekeurig voort binnen een golfgeleider. Simpel gezegd kan niet elke lichtstraal die de golfgeleider binnenkomt zich stabiel voortplanten; alleen elektromagnetische veldverdelingen die aan specifieke randvoorwaarden voldoen, kunnen zich over lange afstanden verplaatsen. Deze stabiele toestanden staan ​​bekend als 'modi'. Verschillende voortplantingsmodi bezitten verschillende elektrische veldverdelingen en voortplantingsconstanten. Omdat er tussen meerdere modi overspraak- of uniformiteitsproblemen kunnen optreden, is moduscontrole een kritische factor bij het ontwerp van AR-golfgeleiders.

In AR-displays heeft de modusregeling rechtstreeks invloed op de helderheidsuniformiteit en kleurprestaties.

Waar treden optische verliezen op in een golfgeleider?

Echte golfgeleiders vertonen onvermijdelijk verliezen, voornamelijk van vier typen:

1. Materiaalabsorptie: Lichtenergieverlies veroorzaakt door de inherente absorptie-eigenschappen en onzuiverheden van het materiaal.

2. Verstrooiingsverlies: lichtverstrooiing veroorzaakt door ruwheid van de zijwand en maatafwijkingen tijdens het productieproces. Micro- en nanofabricageparameters, zoals roosterperiode, etsdiepte en zijwandruwheid in AR-golfgeleiders, hebben een directe invloed op de diffractie-efficiëntie, uniformiteit en kleurprestaties.

3. Buigverlies: Wanneer de buigradius te klein is, straalt er wat licht naar buiten.

4. Koppelingsverlies: Verliezen treden op als gevolg van discrepanties in modusgrootte, hoek of polarisatietoestand wanneer licht van de ene structuur naar de andere overgaat (bijvoorbeeld optische motor naar golfgeleider, of golfgeleider naar uitkoppelingsstructuur).

Een van de sleutels tot het verbeteren van de optische efficiëntie van AR-brillen is het minimaliseren van verliezen over het hele optische pad: van de lichtmotor via inkoppeling, voortplanting en uitkoppeling tot aan het menselijk oog.

Faciliteren van een soepele in- en uitgang van licht in en uit de golfgeleider: in- en uitkoppeling

In optische AR-golfgeleiders zijn het in- en uitkoppelen van licht kerntechnologieën:

1. Diffractieve optische golfgeleiders gebruiken roosters om de richting van het licht te veranderen.

2. Geometrische optische golfgeleiders gebruiken reflecterende structuren om het optische pad om te leiden.

3. Volume holografische optische golfgeleiders gebruiken holografische elementen om de voortplanting van licht te regelen.

De essentie van deze technologieën ligt in het mogelijk maken van zeer efficiënte modusconversie voor het licht.

Evaluatiecriteria voor golfgeleidertechniek

Het beoordelen van de levensvatbaarheid van een golfgeleider vereist een uitgebreide evaluatie van de volgende factoren:

1. Voortplantingsverlies: verzwakking van het optische vermogen per lengte-eenheid.

2. Koppelingsefficiëntie: De efficiëntie van het licht dat het systeem binnenkomt en verlaat, wat rechtstreeks van invloed is op de helderheid die door het oog wordt waargenomen.

3. Buigverlies: een beoordeling van de optische stabiliteit van de golfgeleiderstructuur in ontwerpen met dunne profielen of gebogen oppervlakken.

4. Modus- en polarisatiecontrole: factoren die de weergave-uniformiteit, kleurprestaties en systeemstabiliteit beïnvloeden, waarmee rekening moet worden gehouden in combinatie met het golfgeleiderontwerp.

5. Productietoleranties: De beheersbaarheid van factoren zoals lithografiefouten, etsafwijkingen en variaties in filmdikte.

Tot slot

Of het nu gaat om fotonische chips of AR-displays, de functie van optische golfgeleiders is het controleren van het voortplantingspad van licht.

Met de voortdurende evolutie van verschillende technische benaderingen – zoals geometrische optische golfgeleiders, oppervlaktereliëfroosters en volume-holografische golfgeleiders – en de overgang van nieuwe materialen zoals siliciumcarbide van het laboratorium naar technische toepassingen, gaat de optische golfgeleidertechnologie een nieuwe fase van concurrentie in. Deze fase gaat verder dan het louter streven naar optische prestaties naar een alomvattende strijd waarbij prestatie, kosten, opbrengst en massaproductiecapaciteiten betrokken zijn.

Bron: Samengesteld door Pingsheng Semiconductor en Aibang Zhizao