Оптические волноводы: «Путь света» от фотонных чипов до AR-очков

В очках AR оптический волновод является основным оптическим компонентом, определяющим качество изображения. Он направляет изображение, генерируемое оптическим механизмом, в линзу и направляет его к глазу пользователя через специальную структуру, сохраняя при этом прозрачность линзы, что позволяет пользователю одновременно видеть как реальный мир, так и виртуальную информацию.

Оптические волноводы возникли не с появлением дополненной реальности. В таких областях, как фотонные чипы и оптическая связь, такие устройства, как модуляторы, детекторы и светоделители, также используют волноводы для передачи оптических сигналов. Если металлические межсоединения служат путями для электрических сигналов, то оптические волноводы действуют как каналы для оптических сигналов — отличие состоит в том, что свет зависит от разницы показателей преломления и геометрических границ, чтобы ограничить путь своего распространения.

Независимо от того, являются ли они геометрическими, решетчатыми или объемными голографическими волноводами, задача оптических волноводов, используемых в очках AR, — направлять свет в человеческий глаз по заданному пути.

Сущность волновода: создание управляемого пути света

Основная функция оптического волновода — ограничить распространение света определенной областью.

В фотонных чипах волноводы могут быть изготовлены из таких материалов, как кремний, нитрид кремния, InP или ниобат лития; в AR-очках оптические волноводы обычно состоят из стекла или смолы с высоким показателем преломления, хотя в последние годы карбид кремния (SiC) также начал использоваться в качестве материала подложки для дифракционных оптических волноводов с использованием решеток или отражающих структур для достижения входа и выхода света.

Волновод контролирует не только оптический путь, но и распределение светового поля, определяя, где распространяется свет, как он перенаправляется и разделяется и как он в конечном итоге попадает в человеческий глаз.

Отличный волновод должен одновременно обеспечивать низкие потери, высокую эффективность связи и хорошую однородность, а также быть пригодным для массового производства.

Как волноводы удерживают свет: полное внутреннее отражение и режимы

Оптические волноводы ограничивают распространение света посредством полного внутреннего отражения.

Когда свет распространяется от материала с высоким показателем преломления к материалу с низким показателем преломления и угол падения превышает критический угол, свет полностью отражается обратно в материал с высоким показателем преломления. Это явление лежит в основе волноводов.

Больший контраст показателей преломления приводит к более сильному ограничению оптического поля, что позволяет использовать волноводы меньшего размера. Однако чрезмерно сильное ограничение также делает волновод более чувствительным к дефектам изготовления и увеличивает потери на рассеяние.

Стоит отметить, что показатель преломления напрямую определяет верхнюю границу поля зрения (FOV) для AR-очков. Увеличение показателя преломления материала волновода расширяет диапазон поддерживаемых углов распространения света, тем самым создавая возможность создания конструкций с более широким полем зрения. Например, материалы с высоким показателем преломления обычно более подходят для создания волноводных систем с большим полем зрения; это основная причина, по которой карбид кремния (SiC с показателем преломления около 2,6) привлек значительное внимание.

Свет не распространяется произвольно внутри волновода. Проще говоря, не каждый луч света, попадающий в волновод, может распространяться стабильно; только распределения электромагнитного поля, удовлетворяющие определенным граничным условиям, могут распространяться на большие расстояния. Эти стабильные состояния известны как «моды». Различные моды распространения обладают разными распределениями электрического поля и константами распространения. Поскольку между несколькими модами могут возникнуть проблемы с перекрестными помехами или однородностью, управление режимами является критическим фактором при проектировании волновода AR.

В дисплеях AR управление режимами напрямую влияет на однородность яркости и цветопередачу.

Где возникают оптические потери в волноводе

В реальных волноводах неизбежно наблюдаются потери, прежде всего четырех типов:

1. Поглощение материала: потеря энергии света, вызванная присущими материалу характеристиками поглощения и примесями.

2. Потери на рассеяние: Рассеяние света, вызванное шероховатостью боковых стенок и отклонениями размеров в процессе производства. Параметры микро- и нанопроизводства, такие как период решетки, глубина травления и шероховатость боковых стенок в волноводах AR, напрямую влияют на эффективность дифракции, однородность и цветопередачу.

3. Потери на изгибе: когда радиус изгиба слишком мал, часть света излучается наружу.

4. Потери связи: потери возникают из-за несоответствия размера моды, угла или состояния поляризации, когда свет переходит от одной структуры к другой (например, от оптического двигателя к волноводу или от волновода к выходной структуре).

Одним из ключей к повышению оптической эффективности AR-очков является минимизация потерь на всем оптическом пути: от светового двигателя через ввод, распространение и вывод до человеческого глаза.

Обеспечение плавного входа и выхода света в волновод и из него: ввод и вывод света.

В оптических волноводах AR вход и выход света являются основными технологиями:

1. В дифракционных оптических волноводах используются решетки для изменения направления света.

2. Геометрические оптические волноводы используют отражающие структуры для перенаправления оптического пути.

3. В объемных голографических оптических волноводах для управления распространением света используются голографические элементы.

Суть этих технологий заключается в обеспечении высокоэффективного преобразования мод света.

Критерии оценки волноводной техники

Оценка жизнеспособности волновода требует комплексной оценки следующих факторов:

1. Потери при распространении: затухание оптической мощности на единицу длины.

2. Эффективность связи: эффективность света, входящего в систему и выходящего из нее, что напрямую влияет на яркость, воспринимаемую глазом.

3. Потери на изгибе: оценка оптической стабильности волноводной структуры в конструкциях с тонкими профилями или изогнутыми поверхностями.

4. Управление режимом и поляризацией: факторы, влияющие на однородность отображения, цветопередачу и стабильность системы, которые необходимо учитывать при проектировании волновода.

5. Производственные допуски: контролируемость таких факторов, как ошибки литографии, отклонения при травлении и изменения толщины пленки.

В заключение

Будь то фотонные чипы или AR-дисплеи, функция оптических волноводов заключается в контроле пути распространения света.

Благодаря непрерывному развитию различных технических подходов, таких как геометрические оптические волноводы, решетки с рельефом поверхности и объемные голографические волноводы, а также переходу новых материалов, таких как карбид кремния, из лабораторных исследований в инженерные приложения, технология оптических волноводов вступает в новую фазу конкуренции. Этот этап выходит за рамки единственной погони за оптическими характеристиками и переходит к всестороннему соревнованию, включающему производительность, стоимость, производительность и возможности массового производства.

Источник: составлено Pingsheng Semiconductor и Aibang Zhizao.