ท่อนำคลื่นแสง: 'เส้นทางแห่งแสง' จากชิปโฟโตนิกไปจนถึงแว่นตา AR

ในแว่นตา AR ท่อนำคลื่นแบบออปติคอลเป็นส่วนประกอบทางแสงหลักที่กำหนดประสบการณ์การแสดงผล โดยจะส่งสัญญาณภาพที่สร้างโดยกลไกออพติคอลไปยังเลนส์และนำภาพนั้นไปยังดวงตาของผู้ใช้ผ่านโครงสร้างเฉพาะ ในขณะที่ยังคงความโปร่งใสของเลนส์เพื่อให้ผู้ใช้สามารถดูทั้งข้อมูลจริงและข้อมูลเสมือนได้พร้อมกัน

ท่อนำคลื่นแสงไม่ได้เกิดจากการถือกำเนิดของ AR ในด้านต่างๆ เช่น ชิปโฟโตนิกและการสื่อสารด้วยแสง อุปกรณ์ต่างๆ เช่น โมดูเลเตอร์ อุปกรณ์ตรวจจับ และตัวแยกลำแสง ยังต้องอาศัยท่อนำคลื่นในการส่งสัญญาณแสงด้วย หากการเชื่อมต่อระหว่างโลหะทำหน้าที่เป็นเส้นทางสำหรับสัญญาณไฟฟ้า ท่อนำคลื่นแสงจะทำหน้าที่เป็นช่องทางสำหรับสัญญาณแสง ความแตกต่างก็คือแสงจะขึ้นอยู่กับความแตกต่างของดัชนีการหักเหของแสงและขอบเขตทางเรขาคณิตเพื่อจำกัดเส้นทางการแพร่กระจาย

ไม่ว่าจะเป็นรูปทรงเรขาคณิต ตะแกรงนูนพื้นผิว หรือท่อนำคลื่นโฮโลแกรมเชิงปริมาตร วัตถุประสงค์ของท่อนำคลื่นแบบออปติคอลที่ใช้ในแว่นตา AR คือการส่องแสงเข้าสู่ดวงตามนุษย์ตามเส้นทางที่ออกแบบไว้

สาระสำคัญของท่อนำคลื่น: การออกแบบเส้นทางแสงที่ควบคุมได้

หน้าที่หลักของท่อนำคลื่นแสงคือการจำกัดการแพร่กระจายของแสงไปยังบริเวณเฉพาะ

ในชิปโฟโตนิก ท่อนำคลื่นสามารถทำจากวัสดุต่างๆ เช่น ซิลิคอน ซิลิคอนไนไตรด์ InP หรือลิเธียมไนโอเบต ในแว่นตา AR ท่อนำคลื่นแบบออปติคัลมักประกอบด้วยแก้วหรือเรซินที่มีดัชนีการหักเหของแสงสูง แม้ว่าในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ก็เริ่มถูกนำมาใช้เป็นวัสดุตั้งต้นสำหรับท่อนำคลื่นแบบออปติคอลแบบเลี้ยวเบน โดยใช้ตะแกรงหรือโครงสร้างสะท้อนแสงเพื่อให้ได้แสงในการเชื่อมต่อและการเชื่อมต่อออก

ท่อนำคลื่นไม่เพียงแต่ควบคุมเส้นทางแสงเท่านั้น แต่ยังควบคุมการกระจายสนามแสงด้วย โดยกำหนดว่าแสงจะแพร่กระจายไปที่ใด จะเปลี่ยนเส้นทางและแยกอย่างไร และในที่สุดแสงจะเข้าสู่ดวงตามนุษย์ได้อย่างไร

ท่อนำคลื่นที่ดีเยี่ยมจะต้องมีการสูญเสียต่ำ ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อสูง และความสม่ำเสมอที่ดีไปพร้อมๆ กัน ในขณะเดียวกันก็เหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมากด้วย

ท่อนำคลื่นจำกัดแสงอย่างไร: การสะท้อนภายในและโหมดทั้งหมด

ท่อนำคลื่นแสงจำกัดการแพร่กระจายของแสงโดยการสะท้อนภายในทั้งหมด

เมื่อแสงเดินทางจากวัสดุดัชนีการหักเหของแสงสูงไปยังวัสดุดัชนีการหักเหของแสงต่ำและมุมตกกระทบเกินมุมวิกฤติ แสงจะสะท้อนกลับเข้าไปในวัสดุดัชนีการหักเหของแสงสูงโดยสิ้นเชิง ปรากฏการณ์นี้เป็นพื้นฐานของท่อนำคลื่น

คอนทราสต์ของดัชนีการหักเหของแสงที่มากขึ้นส่งผลให้สนามแสงถูกจำกัดมากขึ้น ส่งผลให้ท่อนำคลื่นมีขนาดเล็กลง อย่างไรก็ตาม การกักขังที่แข็งแกร่งมากเกินไปยังทำให้ท่อนำคลื่นไวต่อความไม่สมบูรณ์ของการประดิษฐ์มากขึ้น และเพิ่มการสูญเสียการกระเจิง

เป็นที่น่าสังเกตว่าดัชนีการหักเหของแสงจะกำหนดขีดจำกัดสูงสุดของขอบเขตการมองเห็น (FOV) สำหรับแว่นตา AR โดยตรง การเพิ่มดัชนีการหักเหของวัสดุท่อนำคลื่นจะขยายช่วงของมุมการแพร่กระจายของแสงที่รองรับ ดังนั้นจึงสร้างศักยภาพในการออกแบบด้วยขอบเขตการมองเห็นที่กว้างขึ้น ตัวอย่างเช่น วัสดุดัชนีการหักเหของแสงสูงโดยทั่วไปจะเอื้อต่อการบรรลุระบบท่อนำคลื่นที่มี FOV ขนาดใหญ่มากกว่า นี่คือเหตุผลสำคัญว่าทำไมซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC ซึ่งมีดัชนีการหักเหของแสงประมาณ 2.6) จึงได้รับความสนใจอย่างมาก

แสงไม่แพร่กระจายภายในท่อนำคลื่นโดยพลการ พูดง่ายๆ คือไม่ใช่ทุกลำแสงที่เข้าสู่ท่อนำคลื่นจะสามารถแพร่กระจายได้อย่างเสถียร เฉพาะการกระจายสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตรงตามเงื่อนไขขอบเขตเฉพาะเท่านั้นที่สามารถเดินทางในระยะทางไกลได้ สถานะเสถียรเหล่านี้เรียกว่า 'โหมด' โหมดการแพร่กระจายที่แตกต่างกันมีการกระจายของสนามไฟฟ้าและค่าคงที่การแพร่กระจายที่ชัดเจน เนื่องจากปัญหา crosstalk หรือความสม่ำเสมออาจเกิดขึ้นได้ระหว่างหลายโหมด การควบคุมโหมดจึงเป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบท่อนำคลื่น AR

ในจอแสดงผล AR การควบคุมโหมดจะส่งผลโดยตรงต่อความสม่ำเสมอของความสว่างและประสิทธิภาพของสี

การสูญเสียทางแสงเกิดขึ้นที่ใดในท่อนำคลื่น

ท่อนำคลื่นจริงแสดงการสูญเสียอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ โดยหลักๆ แล้วมีสี่ประเภท:

1. การดูดซับวัสดุ: การสูญเสียพลังงานแสงที่เกิดจากลักษณะการดูดซึมและสิ่งสกปรกโดยธรรมชาติของวัสดุ

2. การสูญเสียการกระเจิง: การกระเจิงของแสงที่เกิดจากความขรุขระของแก้มยางและการเบี่ยงเบนมิติระหว่างกระบวนการผลิต พารามิเตอร์การผลิตระดับไมโครและนาโน เช่น ระยะเวลาการเกรตติ้ง ความลึกของการแกะสลัก และความหยาบของผนังท่อนำคลื่น AR ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการเลี้ยวเบน ความสม่ำเสมอ และประสิทธิภาพของสี

3. การสูญเสียการดัดงอ: เมื่อรัศมีการดัดงอน้อยเกินไป แสงบางส่วนจะแผ่ออกไปด้านนอก

4. การสูญเสียการเชื่อมต่อ: การสูญเสียเกิดขึ้นเนื่องจากขนาดโหมด มุม หรือสถานะโพลาไรเซชันไม่ตรงกันเมื่อแสงเปลี่ยนจากโครงสร้างหนึ่งไปยังอีกโครงสร้างหนึ่ง (เช่น เครื่องยนต์ออปติคอลไปเป็นท่อนำคลื่น หรือท่อนำคลื่นไปเป็นโครงสร้างข้อต่อออก)

กุญแจสำคัญอย่างหนึ่งในการปรับปรุงประสิทธิภาพการมองเห็นของแว่นตา AR คือการลดการสูญเสียตลอดเส้นทางแสงทั้งหมด ตั้งแต่กลไกเบาไปจนถึงการแยกส่วน การขยายพันธุ์ และการแยกส่วนออก ไปจนถึงดวงตามนุษย์

ช่วยให้แสงเข้าและออกจากท่อนำคลื่นได้อย่างราบรื่น: การแยกส่วนและการแยกส่วนออก

ในท่อนำคลื่นแบบออปติคอล AR การคัปปลิ้งเข้าและคัปปลิ้งออกเป็นเทคโนโลยีหลัก:

1. ท่อนำคลื่นแสงแบบเลี้ยวเบนใช้ตะแกรงเพื่อเปลี่ยนทิศทางของแสง

2. ท่อนำคลื่นแสงเชิงเรขาคณิตใช้โครงสร้างสะท้อนแสงเพื่อเปลี่ยนเส้นทางเส้นทางแสง

3. ท่อนำคลื่นแสงแบบโฮโลแกรมแบบปริมาตรใช้องค์ประกอบโฮโลแกรมเพื่อควบคุมการแพร่กระจายของแสง

สาระสำคัญของเทคโนโลยีเหล่านี้อยู่ที่การเปิดใช้งานการแปลงโหมดที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับแสง

เกณฑ์การประเมินทางวิศวกรรมท่อนำคลื่น

การประเมินความมีชีวิตของท่อนำคลื่นจำเป็นต้องได้รับการประเมินที่ครอบคลุมของปัจจัยต่อไปนี้:

1. การสูญเสียการแพร่กระจาย: การลดทอนพลังงานแสงต่อความยาวหน่วย

2. Coupling Efficiency: ประสิทธิภาพของแสงที่เข้าและออกจากระบบ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความสว่างที่ดวงตารับรู้

3. การสูญเสียจากการดัดงอ: การประเมินความเสถียรทางแสงของโครงสร้างท่อนำคลื่นในการออกแบบที่มีโปรไฟล์บางหรือพื้นผิวโค้ง

4. การควบคุมโหมดและโพลาไรเซชัน: ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อความสม่ำเสมอของจอแสดงผล ประสิทธิภาพของสี และความเสถียรของระบบ ซึ่งจะต้องพิจารณาร่วมกับการออกแบบท่อนำคลื่น

5. เกณฑ์ความคลาดเคลื่อนในการผลิต: การควบคุมปัจจัยต่างๆ เช่น ข้อผิดพลาดในการพิมพ์หิน การเบี่ยงเบนจากการแกะสลัก และการเปลี่ยนแปลงความหนาของฟิล์ม

สรุปแล้ว

ไม่ว่าจะเป็นในชิปโฟโตนิกหรือจอแสดงผล AR หน้าที่ของท่อนำคลื่นแสงคือการควบคุมเส้นทางการแพร่กระจายของแสง

ด้วยวิวัฒนาการอย่างต่อเนื่องของแนวทางทางเทคนิคต่างๆ เช่น ท่อนำคลื่นแสงเชิงเรขาคณิต ตะแกรงบรรเทาพื้นผิว และท่อนำคลื่นโฮโลแกรมเชิงปริมาตร และการเปลี่ยนวัสดุใหม่ เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ จากห้องปฏิบัติการไปสู่การใช้งานทางวิศวกรรม เทคโนโลยีท่อนำคลื่นแสงกำลังเข้าสู่ระยะใหม่ของการแข่งขัน ระยะนี้ก้าวไปไกลกว่าการแสวงหาประสิทธิภาพด้านออพติคอลเพียงอย่างเดียว ไปสู่การแข่งขันที่ครอบคลุมซึ่งเกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพ ต้นทุน ผลผลิต และความสามารถในการผลิตจำนวนมาก

ที่มา: เรียบเรียงโดย Pingsheng Semiconductor และ Aibang Zhizao