光波导：从光子芯片到AR眼镜的“光之路”

在AR眼镜中，光波导是决定显示体验的核心光学器件之一。它将光机产生的图像导入镜片，经特定结构释放到人眼，同时保持镜片透明，让用户同时看到现实与虚拟信息。

超表面波导AR显示系统示意图（图源：Nature）

光波导并非AR时代才有。在光子芯片、光通信等领域，调制器、探测器、分束器等器件同样依赖波导传输光信号。如果说金属互连是电信号的道路，光波导就是光信号的通道——区别在于，光依靠折射率差和几何边界来约束传播路径。

AR眼镜中的光波导，无论是几何光波导、表面浮雕光栅波导还是体全息光波导，目标都是让光按设计路径进入人眼。

一、波导的本质：给光设计一条可控的路径

光波导的核心作用是将光限制在指定区域内传播。

光子芯片中，波导可以是硅、氮化硅、InP或铌酸锂等材料；AR眼镜中，光波导通常由高折射率玻璃或树脂构成，近年来碳化硅（SiC）也开始被应用于衍射光波导基底材料，通过光栅或反射结构实现光的耦入与耦出。

波导控制的不仅是光路，还包括光场分布——光在何处传播、如何转向、如何分裂、如何最终进入人眼。

一条优秀的波导，需要同时满足低损耗、高耦合效率、良好的均匀性，并具备可量产性。

二、波导如何约束光：全反射与模式

光波导能够限制光的传播，靠的是全反射。

AR设备全内反射（TIR）机制示意图（图源：瑞淀光学）

当光从高折射率材料射向低折射率材料，且入射角大于临界角时，光会被完全反射回高折射率材料内部。这就是波导的基础。

折射率差越大，光场约束越强，波导可做得更小。但过强的约束也会使波导对制造偏差更敏感，增加散射损耗。

需要指出的是，折射率直接影响AR眼镜的视场角上限。提高波导材料折射率，可以扩大可支持的光线传播角度范围，从而为更大视场角设计提供空间。例如，高折射率材料通常更有利于实现大FOV波导系统。这也是碳化硅（SiC，折射率约2.6）受到关注的重要原因之一。

波导中的光并非任意传播。简单来说，不是任意一束光射入波导都能稳定传播，只有满足特定边界条件的电磁场分布才能传得远。这些稳定状态被称为‘模式’。不同传播模式具有不同的电场分布和传播常数，多模式之间可能产生串扰或均匀性问题，因此模式控制是AR波导设计的重要因素。

在AR显示中，模式控制直接影响亮度均匀性和色彩表现。

三、光在波导中损失在哪里

真实波导必然存在损耗，主要有四类：

· 材料吸收：材料自身的吸收特性及杂质导致光能损失。

· 散射损耗：制造过程中侧壁粗糙、尺寸偏差导致光被散射。AR波导中的光栅周期、刻蚀深度、侧壁粗糙度等微纳加工参数，会直接影响衍射效率、均匀性和色彩表现。

· 弯曲损耗：弯曲半径过小时，部分光会向外辐射。

· 耦合损耗：光从一种结构进入另一种结构时（如光机→波导、波导→耦出结构），模式尺寸、角度或偏振状态不匹配会造成损失。

AR眼镜提高光效的关键之一，就是减少“光机—耦入—传播—耦出—人眼”全程的损耗。

四、如何让光顺利进入和离开波导：耦入与耦出

在AR光波导中，耦入和耦出是核心技术：

· 衍射光波导利用光栅改变光的方向；

· 几何光波导利用反射结构折转光路；

· 体全息光波导利用全息元件控制光传播。

这些技术的本质，都是让光完成高效率的模式转换。

五、波导工程评价维度

评价一条波导是否可用，需综合考量：

· 传播损耗：单位长度的光功率衰减；

· 耦合效率：光进出系统的效率，直接影响入眼亮度；

· 弯曲损耗：评估波导结构在薄型化、曲面化设计中的光学稳定性；

· 模式与偏振控制：影响显示均匀性、色彩表现和系统稳定性，需与波导设计协同考量；

· 制造容忍度：光刻误差、刻蚀偏差、膜厚变化等因素的可控性。

结语

无论是在光子芯片还是AR显示中，光波导的任务都是控制光的传播路径。

随着几何光波导、表面浮雕光栅、体全息光波导等不同技术路线的持续演进，以及碳化硅等新材料从实验室走向工程化应用，光波导技术正在从单纯追求光学性能，进入性能、成本、良率和规模制造能力综合竞争的新阶段。

来源：平生半导体、艾邦智造综合整理

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