Meta：基于大规模可见光PIC的超薄激光显示面板

看到Meta的Reality Labs Research发布的一个挺有意思的文章(https://arxiv.org/abs/2412.19274)，将氮化硅集成光PIC应用在了AR激光显示领域，做出了一个只有2mm厚的激光显示面板样机，性能也比传统LED显示提升。虽然这个工作距离应用还有挺多挑战需要解决，但可以打开一下集成光的应用场景思路，别总是在光模块CPO光互连里边卷，找点量大又支持定制化的消费场景也挺好。

◆ 激光显示技术应用的挑战 在显示技术的历史上，从笨重的阴极射线管（CRT）显示器向紧凑型平板显示器的转变是一个关键节点。基于 LED 的平板显示技术的出现引发了一波便携式设备的浪潮，重塑了我们在日常生活中与视觉技术的交互方式。从电视到智能手机，平板显示器无处不在。而显示技术的下一跳，就是激光投影技术。

激光显示具有卓越的亮度和色彩性能。激光的高方向性使得能够投影高亮度的图像，这也使得对于动态内容至关重要的低余晖显示器成为可能。其窄光谱特性提供了更饱和的颜色，从而产生更宽的色域。其偏振输出减少了在具有偏振敏感组件的显示系统中的损耗，从而提高了效率。这些特性对于沉浸式体验，如增强现实（AR）、虚拟现实（VR）和其他高性能显示系统尤为有价值。

然而，目前的激光显示器没有大规模应用很大程度上是受限于庞大的投影装置，如电影院中使用的装置需要使用复杂的光学系统将激光投射到屏幕上。如图 1a 所示，典型的激光投影仪由多个用于光束扩展、光束整形、颜色混合、偏振控制和其他功能的光学元件组成。此外，为了在大显示区域上扩展窄激光束，需要大量的自由空间传播。已经有一些开发平板激光显示器的尝试，但它们需要复杂的激光阵列或低通量的制造方法，这严重限制了它们的性能和可扩展性。

将激光投影仪转变为平板显示器的挑战在于管理激光所需的精确控制。例如，大多数基于 LED 的平板显示器，如液晶显示器（LCD），采用“匀化＋过滤”的方法，其中光首先通过薄波导中的随机散射均匀化，然后通过多层滤光片，如像素化彩色滤光片、偏振片和角度滤光片，以实现所需的光输出（图 1c）。然而，这种方法不能直接应用于激光显示器而不丧失高方向性、偏振和颜色纯度的优势。相反，激光显示器需要精确的光传输，将光精确地引导到需要的地方，并具有正确的空间、角度、光谱和偏振特性，以保持其性能优势。使用传统光学器件实现这种精度需要复杂庞大的光学系统，从而导致大型投影仪系统。

◆ 基于PIC＋LCOS的超薄高性能激光显示

因此，本工作通过使用大规模可见光光子集成电路（PIC）克服了激光显示器中的尺寸与性能之间的权衡。通过在单个光子芯片上集成了数千个具有不同光学功能的组件，经过精心设计以协同控制RGB颜色通道，以满足先进显示应用的高要求。PIC 的功能类似于 LCD 中的波导，根据显示系统的要求扩展光并调整其空间、角度、光谱和偏振特性。然而，其工作原理非常不同，它采用“导光和选择”的方法(其实就是功分和波分)。光的扩展是通过芯片上的波导路由和分光实现的，而不是随机扩散；角度扩展是光栅发射器控制的，而不是光束整形滤光片；偏振和颜色纯度得以保持，并且光被选择性地输出耦合，使得在照明侧不需要额外的彩色滤光片或偏振片（图 1d）。该架构还提供了新的功能，如跨显示器的按需主光线角度（CRA）调整，实现了照明模块和光学系统的协同设计，以实现最大的整体显示效率。PIC 器件的制造基于标准的 CMOS 兼容工艺，可大规模生产。在电信行业中已经应用的激光器异质集成/混合集成也可以适用于可见光领域。

该PIC架构为现有和新兴的显示技术提供了一个通用平台。它与多种显示面板兼容，包括液晶显示器（LCD）、硅基液晶显示器（LCoS）、数字光处理显示器（DLP），并且具有广泛的应用，从智能手机显示器到 AR 眼镜再到新兴的全息显示器。作为概念验证，本工作展示了一种基于 PIC 和 LCoS 的用于 AR 应用的平板激光显示器，其中紧凑性、高效率和高亮度至关重要。

◆ 装置详解 该平板激光显示器采用非自发光显示配置，即像素依赖于外部照明而不是自身发光。非自发光显示器中有三个关键模块：光源、照明单元和光调制器件，分别使用RGB激光器、PIC 照明器和 LCoS 显示面板（图 2a）来展示这个概念及其在 AR 眼镜中的应用。

结构如图 2a 所示。PIC 器件放置在 LCoS 盖玻片上方，在 PIC 器件顶部层压有偏振片用于成像。LCoS 是一种反射式显示器，通过改变每个像素处的液晶取向在反射时调制偏振（图 2b）。通过偏振滤波，起偏器将调制的偏振转换为调制的强度，形成图像。为了最大化显示分辨率，本工作使用无滤光片的时序彩色 LCoS，全彩图像是通过在一帧时间内快速连续显示 R、G、B 颜色通道创建的。为了快速制作原型，使用现成的光纤耦合激光器，在芯片外组合，并通过单个光纤连接耦合到 PIC 器件，后续可以演进为直接端面耦合或Flip chip bonding。

显示操作从 R、G、B 激光二极管产生光开始，这些激光二极管与 LCoS 颜色帧转换同步顺序开启。每个激光器以特定的脉冲宽度和占空比运行，以优化光谱和激光的 wall plug 效率（WPE）。在芯片上或芯片外将RGB 颜色合波，然后通过 Y 分支进行功率分束（图 2c）。在光束扩展之后，白光通过Demux分离回 RGB 颜色，以单独控制发射轮廓。在发射区域，光通过像素化光栅耦合器阵列发射（图 2d）。每个光栅发射器设计为 1 - 2 µm 长，以产生有限的衍射锥角，该角度可以与观察光学器件的数值孔径（NA）匹配（图 2d、2e）。发射区域比 LCoS 面板的有效区域略大，以避免边缘处的亮度下降。最后，照明光在 LCoS 面板反射时被调制，并在起偏器后形成图像。图 2f - i 分别显示了晶圆的光学图像、PIC 堆叠和 Y 分束器的 SEM 图像。

◆ PIC设计原理

PIC 照明单元有四个关键性能指标：均匀性、偏振消光比、透明度和效率，它们分别直接对应于关键的显示性能因素：显示均匀性、对比度、重影和功耗（图 3a）。这里的均匀性包括亮度和颜色。

其中亮度均匀性和光提取效率之间的平衡是很重要的。光栅的提取效率越高，发光的均匀性就越低。为了克服这个问题，这里采用了双向输入的方式，如图 2c 所示，光在芯片上通过两组 Y 分束器从相反方向馈入。这产生了一种补偿效应，尽管在每个方向上是单调衰减，但仍能保持均匀照明（图 3a）。 通过优化每种颜色的 PIC 层堆叠和光栅强度来实现高颜色均匀性。根据玻恩近似，光栅的耦合效率与光栅结构处的模式强度成正比。因此，为了实现良好的颜色均匀性，需要匹配 R、G 和 B 的光栅效率，这反过来又需要设计它们的模式轮廓。为了实现这一点，这里使用三层 PIC 设计——光栅在SiN波导层上方还有一层氧化铝（AlOx）层图形，中间有一个二氧化硅（SiO₂）Spacer（图 2d、2e）。三层堆叠提供了更多的设计自由度，以根据波长定制模式和光栅相互作用。

均匀性和效率之间的权衡如图 3b - c 所示，主要与氧化硅间隔层厚度 ts有关。效率和亮度均匀性与 ts 趋势相反，而颜色均匀性在 ts 约为 200nm 时达到最佳。因此最终选择 ts = 170nm，既可以满足均匀性要求，同时实现 60%的高光提取效率。

偏振消光比（PER）对于显示对比度至关重要，不过波导器件做单模还是比较容易的，光栅一般也都是偏振相关的，本工作仿真的PER 高于 10,000:1（图 3i）。但需要注意的是PER 在倾斜角度下会降低，从而在对比度和光学系统的数值孔径（NA）之间产生权衡（图 3f - 3h）。

由于 LCoS 的反射特性，光在从 LCoS 面板反射时再次穿过 PIC 照明器。这增加了另一个关键要求——PIC 必须具有高透明度以避免任何重影或图像质量下降。所以这里边用的氮化硅波导是先在硅衬底上加工，最后再转移到透明石英衬底上去的。由于反射时，光束尺寸已显著增长超过有效光栅横截面。因此光与 PIC 的再次相互作用主要由脊波导处的衍射主导，而不是光栅处。图 3j 显示了在收集锥角上积分的模拟衍射效率。由于 SiN 和 AlOx 层在光学上都很薄，在感兴趣的光谱范围内，PIC 波导的衍射效率小于 0.8%，满足系统重影规格 < 1%。

最后，通过优化所有组件来优化 PIC 器件的光学效率，最小化波导中的传播和弯曲损耗、Y 分束器和MUX/DEMUX的插入损耗、优化激光到 PIC 的耦合效率、设计光栅发射器处的模场匹配配以及最大化光栅提取效率。本工作采用的8英寸氮化硅波导平台，在R、G、B 波长（635、520、450nm）的传输损耗分别只有 0.1dB/cm、0.3dB/cm 和 1.1dB/cm。Y 分束器是通过逆向设计实现的，以实现最小插入损耗和宽带性能。通过一系列综合设计和进一步的工艺优化，预计该架构可以比传统 LCoS 投影仪实现超过 10 倍的改进。

◆ 性能评估结果 该激光显示面板的性能评估包含几部分，首先是对独立的 PIC 照明器进行表征，接着是组装后的平板激光显示器，最后是一个完整的 AR 系统。

图 3d 显示了在与 LCoS 集成之前测量的照明场。PIC 发射区域为 6mm×4.8mm，长轴沿波导方向。由于交错的光传播设计，照明在边缘处更亮，在中心处更暗。测量的亮度均匀性（最小/最大）为 71%，略低于设计值，这是由于制造偏差导致的层厚度变化，同时实现了良好的颜色均匀性，Δu'v' < 0.01。人类对颜色变化的感知在很大程度上取决于空间频率，对大视场（FoV）内缓慢变化的颜色变化不太明显。因此，虽然在图中颜色变化相当明显，但在设计的 30×40 度 FoV 上观察时，在感知上不太明显。图 3e 显示了 PIC 的放大视图，展示了单个光栅发射器，垂直方向（沿波导）的发射器单元间距是水平方向（横向于波导）的两倍。 本工作还测量了照明偏振消光比（PER）（图 3i）。由于表征设置的限制，测量的 PER 是在数值孔径（NA）为 0.2 上积分的。观察到测量的 PER 在 PIC 器件上存在空间变化，这主要是由于端面耦合区域的光散射引起。在远离端面耦合器且 NA~0.2 时，照明对比度超过 250:1，与模拟结果一致。

接下来评估了 PIC - LCoS 集成后的显示性能。图 4a 显示了一个具有紧凑外形和高亮度的全功能显示组件。这里使用的 LCoS 面板具有 4.5μm 的像素间距，FHD（1920×1080）分辨率，并以 120Hz 的视频帧率运行。

激光显示器的一个优点是更宽的色域。由于使用了窄谱激光，色域比任何其他基于 LED 的显示器都更宽（图 4b）。它提供了 211%的色域比，并完全覆盖了 sRGB/BT.709，这是国际电信联盟（ITU）定义的高清电视标准。作为比较，该显示器涵盖了 CIELAB 颜色空间指定的 74%的可见颜色，而标准 Adobe RGB 颜色空间仅涵盖 52%，sRGB 仅涵盖 36%。请注意，当前设备没有完全覆盖 Adobe RGB，因为由于绿色激光器（中心波长为 515nm）与 LED 显示器中的（中心波长约为 530 - 540nm）不同。在未来，可以使用具有中心波长对准的绿色激光二极管来进一步提高颜色性能。

直接观察下的显示性能如图 4c - 4f 所示。使用目镜放大显示的图像（见方法）。图像边缘的模糊是由于目镜的像差引起，不是器件本身问题。组装后的显示器顺序对比度约为 40:1，明显低于照明 PER。这是受到 LCoS 面板对比度以及 PIC、LCoS 和偏振片之间手动对齐误差引起的。在实际制造中，可以通过更精确的对准过程来缓解这个问题。

对于增强现实（AR）眼镜来说，紧凑高效的显示引擎尤为重要，因为它们的空间和功率预算受到眼镜尺寸和重量的严格限制。这里通过将其与现成的瞳孔复制 AR 几何玻璃配对，在系统层面展示了 PIC - 激光显示器的性能（图 4g）。来自平板激光显示器的光首先由定制的透镜模块准直，然后耦合到 AR 波导的输入瞳孔。出射瞳孔通过玻璃板内的多次全内反射（TIR）扩展。当前的演示是一个手持 AR 设置，投影仪支持 50 度对角线 FoV。体积主要来自大型现成的 LCoS 显示驱动板，未来可以通过定制的基于 ASIC 的驱动器显著缩小。通过更好的集成和封装，光引擎尺寸可以减小到 1 立方厘米以下，从而实现超紧凑和轻量化的 AR 体验（图 4h）。

这里展示了几种类型的 AR 用例。图 4i 展示了混合现实体验，其中虚拟对象与办公室环境中的真实世界场景无缝融合。即时消息和通知分别在图 4j - k 中展示。请注意，经过 AR 波导后，斑点明显不那么明显，部分原因是与透明背景的加性对比度降低。

◆ 本工作的不足与挑战 实现 PIC 激光显示器仍面临几个挑战。首先是激光散斑。散斑是激光显示器中已知的问题。比如这里可以观察到它们在图像中表现为颗粒状图案，这是由于不同 PIC 发射器在 LCoS 平面上的干涉造成的。当前设备中没有实施额外的去斑方法，采用 1nm 带宽的单模激光测量到约 20%的散斑对比度，超过了典型的感知阈值 4%。在现有激光投影仪中已经提出并测试了多种缓解方法，如波长或偏振分集、动态漫射器和微透镜阵列，并且可以适用于 PIC 激光显示器。去散斑的结果正准备在另一篇文章中发表。 另一个关键挑战是光源集成和封装。RGB 激光二极管与可见光光子学的集成仍处于早期阶段。本工作已经在原型级别通过有源对准的激光器端面耦合。对于大规模生产，倒装芯片键合可以作为一种具有成本效益的制造途径。

对于 AR 应用而言，在许多用例（如图 4i - k 所示）中，存在稀疏内容的功率浪费和对比度降低的挑战。目前，PIC 照明器只能全局开启和关闭，当只有一小部分 LCoS 显示器开启时，会导致不利的功耗。为了进一步提高照明效率，可以使用有源 PIC 调制来独立控制不同的照明区域（图 5a），这一概念类似于 LCD 中的局部调光。

除了 AR/VR，PIC 照明器还可用于一系列新的显示概念，包括超薄面板全息显示器、高分辨率光场显示器、瞳孔转向显示器等等。例如，图 5b 展示了 PIC 在全息显示器中的一个潜在应用，其中 PIC 照明器与空间光调制器（SLM）和全息pancake透镜集成。与以往依赖简单平面波入射的全息显示器不同，PIC 可以提供与全息显示系统协同优化的定制照明场，实现前所未有的紧凑性、亮度和沉浸感。