Ống dẫn sóng quang học: 'Con đường ánh sáng' từ chip quang tử đến kính AR

Trong kính AR, ống dẫn sóng quang học là thành phần quang học cốt lõi quyết định trải nghiệm hiển thị. Nó truyền hình ảnh do động cơ quang học tạo ra vào ống kính và hướng nó về phía mắt người dùng thông qua một cấu trúc cụ thể, đồng thời duy trì độ trong suốt của ống kính để cho phép người dùng xem đồng thời cả thế giới thực và thông tin ảo.

Ống dẫn sóng quang học không bắt nguồn từ sự ra đời của AR. Trong các lĩnh vực như chip quang tử và truyền thông quang học, các thiết bị như bộ điều biến, máy dò và bộ tách chùm tia cũng dựa vào ống dẫn sóng để truyền tín hiệu quang. Nếu các kết nối kim loại đóng vai trò là đường truyền tín hiệu điện thì các ống dẫn sóng quang đóng vai trò là kênh cho tín hiệu quang - điểm khác biệt là ánh sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch chiết suất và ranh giới hình học để hạn chế đường truyền của nó.

Bất kể chúng là ống dẫn sóng ba chiều hình học, cách tử giảm bề mặt hay khối, mục tiêu của ống dẫn sóng quang học được sử dụng trong kính AR là hướng ánh sáng vào mắt người dọc theo đường được thiết kế.

Bản chất của ống dẫn sóng: thiết kế đường đi có thể điều khiển được cho ánh sáng

Chức năng cốt lõi của ống dẫn sóng quang là hạn chế sự truyền ánh sáng đến một vùng cụ thể.

Trong chip quang tử, ống dẫn sóng có thể được chế tạo từ các vật liệu như silicon, silicon nitride, InP hoặc lithium niobate; trong kính AR, ống dẫn sóng quang thường được làm từ thủy tinh hoặc nhựa có hệ số khúc xạ cao, mặc dù trong những năm gần đây, cacbua silic (SiC) cũng đã bắt đầu được sử dụng làm vật liệu nền cho ống dẫn sóng quang nhiễu xạ, sử dụng cách tử hoặc cấu trúc phản xạ để thu được ánh sáng trong và ngoài khớp nối.

Ống dẫn sóng không chỉ kiểm soát đường quang mà còn cả sự phân bố trường ánh sáng—xác định nơi ánh sáng truyền đi, cách ánh sáng được chuyển hướng và phân chia cũng như cách cuối cùng ánh sáng đi vào mắt người.

Một ống dẫn sóng xuất sắc phải đồng thời đạt được mức tổn thất thấp, hiệu suất ghép cao và tính đồng nhất tốt, đồng thời phù hợp cho sản xuất hàng loạt.

Cách ống dẫn sóng hạn chế ánh sáng: Phản xạ nội toàn phần và các chế độ

Các ống dẫn sóng quang học hạn chế sự truyền ánh sáng bằng phản xạ nội toàn phần.

Khi ánh sáng truyền từ vật liệu có chiết suất cao sang vật liệu có chiết suất thấp và góc tới vượt quá góc tới hạn, ánh sáng sẽ bị phản xạ hoàn toàn trở lại vật liệu có chiết suất cao. Hiện tượng này tạo thành cơ sở của ống dẫn sóng.

Độ tương phản chiết suất lớn hơn dẫn đến sự giam cầm trường quang mạnh hơn, cho phép các ống dẫn sóng nhỏ hơn. Tuy nhiên, sự giam cầm quá mạnh cũng làm cho ống dẫn sóng nhạy cảm hơn với những khiếm khuyết trong chế tạo và làm tăng tổn thất tán xạ.

Điều đáng chú ý là chỉ số khúc xạ xác định trực tiếp giới hạn trên của trường nhìn (FOV) đối với kính AR. Việc tăng chỉ số khúc xạ của vật liệu ống dẫn sóng sẽ mở rộng phạm vi góc truyền ánh sáng được hỗ trợ, từ đó tạo ra tiềm năng cho các thiết kế có trường nhìn rộng hơn. Ví dụ, các vật liệu có chiết suất cao thường có lợi hơn để đạt được hệ thống ống dẫn sóng có FOV lớn; đây là lý do chính tại sao cacbit silic (SiC, có chiết suất xấp xỉ 2,6) lại thu hút được sự chú ý đáng kể.

Ánh sáng không lan truyền tùy ý trong ống dẫn sóng. Nói một cách đơn giản, không phải mọi chùm ánh sáng đi vào ống dẫn sóng đều có thể truyền ổn định; chỉ những phân bố trường điện từ thỏa mãn các điều kiện biên cụ thể mới có thể truyền đi trên một khoảng cách dài. Các trạng thái ổn định này được gọi là 'chế độ'. Các chế độ truyền khác nhau có sự phân bố điện trường và hằng số lan truyền riêng biệt. Vì các vấn đề xuyên âm hoặc đồng nhất có thể phát sinh giữa nhiều chế độ nên việc kiểm soát chế độ là một yếu tố quan trọng trong thiết kế ống dẫn sóng AR.

Trong màn hình AR, điều khiển chế độ ảnh hưởng trực tiếp đến độ đồng đều độ sáng và hiệu suất màu sắc.

Tổn thất quang học xảy ra ở đâu trong ống dẫn sóng

Các ống dẫn sóng thực chắc chắn sẽ có tổn thất, chủ yếu có bốn loại:

1. Hấp thụ vật liệu: Sự mất năng lượng ánh sáng do đặc tính hấp thụ và tạp chất vốn có của vật liệu.

2. Mất tán xạ: Tán xạ ánh sáng do độ nhám của thành bên và sai lệch kích thước trong quá trình sản xuất. Các thông số chế tạo vi mô và nano—chẳng hạn như thời gian cách tử, độ sâu ăn mòn và độ nhám thành bên trong ống dẫn sóng AR—ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nhiễu xạ, tính đồng nhất và hiệu suất màu sắc.

3. Mất uốn: Khi bán kính uốn quá nhỏ, một số ánh sáng sẽ tỏa ra bên ngoài.

4. Suy hao ghép nối: Suy hao xảy ra do sự không khớp về kích thước chế độ, góc hoặc trạng thái phân cực khi ánh sáng chuyển từ cấu trúc này sang cấu trúc khác (ví dụ: động cơ quang học sang ống dẫn sóng hoặc ống dẫn sóng sang cấu trúc ghép nối ngoài).

Một trong những chìa khóa để cải thiện hiệu suất quang học của kính AR là giảm thiểu tổn thất trên toàn bộ đường quang: từ động cơ ánh sáng cho đến quá trình tách, truyền và tách rời, đến mắt người.

Tạo điều kiện thuận lợi cho việc đưa ánh sáng vào và ra khỏi ống dẫn sóng một cách trơn tru: tách và tách

Trong ống dẫn sóng quang AR, khớp nối ánh sáng vào và ra là các công nghệ cốt lõi:

1. Các ống dẫn sóng quang học nhiễu xạ sử dụng các cách tử để thay đổi hướng của ánh sáng.

2. Ống dẫn sóng quang hình học sử dụng cấu trúc phản xạ để chuyển hướng đường quang.

3. Ống dẫn sóng quang ba chiều khối sử dụng các phần tử ba chiều để kiểm soát sự truyền ánh sáng.

Bản chất của những công nghệ này nằm ở việc cho phép chuyển đổi chế độ ánh sáng hiệu quả cao.

Tiêu chí đánh giá kỹ thuật ống dẫn sóng

Đánh giá khả năng tồn tại của ống dẫn sóng đòi hỏi phải đánh giá toàn diện các yếu tố sau:

1. Suy hao lan truyền: Suy giảm công suất quang trên một đơn vị chiều dài.

2. Hiệu suất ghép nối: Hiệu suất của ánh sáng đi vào và thoát ra khỏi hệ thống, tác động trực tiếp đến độ sáng mà mắt cảm nhận được.

3. Mất uốn: Đánh giá độ ổn định quang học của cấu trúc ống dẫn sóng trong các thiết kế có cấu hình mỏng hoặc bề mặt cong.

4. Kiểm soát chế độ và phân cực: Các yếu tố ảnh hưởng đến tính đồng nhất của màn hình, hiệu suất màu sắc và độ ổn định của hệ thống, phải được xem xét cùng với thiết kế ống dẫn sóng.

5. Dung sai sản xuất: Khả năng kiểm soát các yếu tố như lỗi in thạch bản, độ lệch khắc và sự thay đổi độ dày màng.

Tóm lại

Dù ở chip quang tử hay màn hình AR, chức năng của ống dẫn sóng quang là kiểm soát đường truyền ánh sáng.

Với sự phát triển liên tục của các phương pháp kỹ thuật khác nhau—chẳng hạn như ống dẫn sóng quang hình học, cách tử giảm bề mặt và ống dẫn sóng ảnh ba chiều thể tích—và sự chuyển đổi của các vật liệu mới như cacbua silic từ phòng thí nghiệm sang các ứng dụng kỹ thuật, công nghệ ống dẫn sóng quang đang bước vào một giai đoạn cạnh tranh mới. Giai đoạn này vượt ra ngoài việc theo đuổi hiệu suất quang học duy nhất để cạnh tranh toàn diện liên quan đến hiệu suất, chi phí, năng suất và khả năng sản xuất hàng loạt.

Nguồn: Tổng hợp bởi Pingsheng Semiconductor và Aibang Zhizao