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摘要
增强现实眼镜提供了一种变革性的界面，有望重塑人类信息交互方式。在此背景下，碳化硅（SiC）凭借其高折射率和优异的热导率，为衍射波导提供了独特的优势。然而，在单层全彩显示中，现有的SiC波导通常需要厚于0.5 mm以减少全内反射的弹跳次数，从而避免亮度和颜色的严重空间变化。在此，我们展示了一种厚度仅为0.35 mm、超轻重量仅1.98 g的SiC衍射波导。空间不均匀性的挑战通过深度和占空比连续变化的双参数变迹光栅解决，实现了对局部衍射效率的精细空间控制。为实现高通量生产，引入了一种与纳米压印光刻兼容的并行梯度转移方法，能够在每个8英寸SiC晶圆上实现四对透镜的晶圆级图案化。此外，氟化镁平坦化抑制了光栅可见性，并实现了92%的高透视透射率。光学仿真证实，该架构在30度视场角内实现了均衡的全彩透射。该策略为超轻且视觉上不显眼的眼镜提供了一条可扩展的路径，为实用的消费级可穿戴显示器开辟了新机遇。
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文章名：A 0.35 mm Silicon Carbide Diffractive Waveguide with Dual Parameter Apodization for Full Color Augmented Reality
作者:Xiaoxuan Li1, Ce Li2, Yinggang Chen3, Chenting Fang3, Boqu Chen1, Lu Cai3*, Kaikai Du3*, and Min Qiu1,2*
单位：1. Zhejiang Key Laboratory of 3D Micro/Nano Fabrication and Characterization, Department of Electronic and Information Engineering, School of Engineering, Westlake University, Hangzhou, Zhejiang 310030, China.
2. Westlake Institute for Optoelectronics, Fuyang, Hangzhou, Zhejiang 311400, China
3. Moldnano (Hangzhou) Technology Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang 311100, China
引言
增强现实（AR）连接了物理世界和数字世界，为空间计算、情境感知传感和人机交互提供了关键接口 [1-6]。为了将虚拟图像叠加到周围环境上，已经开发了多种光学合束器架构，包括鸟盆光学 [7,8]、自由曲面棱镜 [9-11] 和几何波导 [12,13]。其中，具有表面浮雕光栅（SRGs）的衍射光学波导因其平面几何结构 [1]、大视场角（FOV）[13-15] 以及适合大规模制造 [16,17] 而成为主要选择。然而，传统的衍射波导需要堆叠多个平板来独立路由红、绿、蓝（RGB）通道以实现全彩显示 [18-20]，这增加了系统的体积和重量。在此背景下，碳化硅（SiC）已成为一个有吸引力的候选材料。其在可见光区约 2.65 的高折射率扩展了全内反射（TIR）的波矢域，在单板内支持扩展的 FOV [16,21]，同时抑制环境彩虹散射伪影 [16,22]。此外，SiC 的高热导率为相邻的光电模块提供了内置散热能力 [23]。
尽管具有这些材料优势，已报道的全彩单板 SiC 波导仍然厚于 0.50 mm，以抑制 TIR 弹跳密度，同时需要将扩展光栅和耦出光栅进行空间分区为离散效率层级以平衡输出场 [24-27]。这种配置导致器件笨重，离散分区以多次图案化循环为代价提供有限的场均匀化，这不可避免地引入套刻误差。相比之下，连续变迹光栅避免了局部耦合强度的阶跃变化，并在光栅深度和占空比方面提供了额外的空间自由度，以定制整个板上的耦出效率 [28,29]。然而，对于晶圆级制造，生产这种深度渐变的纳米结构依赖于离子束修整，这带来了吞吐量限制并增加了制造成本 [30]。另一个实际挑战来自光栅区域透射率降低，这是由高折射率纳米结构的强菲涅耳反射引起的，这使得光栅轮廓显眼并损害了可穿戴眼镜的外观 [14,31]。
在此，我们展示了一种全彩、无彩虹的 SiC 衍射波导，将玻璃厚度削减至 0.35 mm，镜片重量降至 1.98 g。与主流同类产品相比，这种配置在厚度和重量上均有显著减少，同时保持了均衡的色彩还原。为了克服高均匀性显示的制造瓶颈，我们开发了一种与纳米压印光刻（NIL）兼容的并行梯度转移技术，实现了在 8 英寸 SiC 晶圆上高通量、晶圆级制备深度渐变光栅。此外，将氟化镁（MgF₂）回填到光栅图案中，有效降低了环境光下光栅足迹的视觉可见性。与商用高分辨率光学引擎集成后，所得合束器在 30° 视场角内实现了高质量成像。通过将连续参数调制与可扩展光刻技术协调统一，这项工作为超薄高折射率平面光学提供了一条可行的制造途径，为未来的可穿戴显示合束器提供了可靠的硬件基础。
设计与原理
超薄 SiC 波导的光学架构旨在同时支持单层全彩传播、空间均匀的出瞳扩展以及高环境透视透明度，并抑制光栅可见性。如图1a所示，耦入（IC）区域采用覆盖有反射银（Ag）层的不对称倾斜光栅，以提高光学引擎的光利用效率。打破横向空间对称性将光功率主要引导到所需的导波衍射级次，有效抑制了不需要的级次并最大化耦入效率。出瞳扩展（EPE）和耦出（OC）区域被配置为具有连续渐变几何深度和线宽的表面浮雕光栅，并覆盖有 MgF₂ 介电层进行平坦化。单层全彩传播的物理可行性在动量空间中得到了验证（图1b）。SiC 的超高折射率扩展了空气光锥与材料边界之间的可用 TIR 区域。在指定的 30° 对角视场角内，红、绿、蓝光谱带的平移波矢量完全被限制在 TIR 导波范围内。因此，三个光谱通道可以在同一 SiC 平板内同时传播，无需多层波导堆叠。
对于增强现实光学合束器，最小化衍射图案的可见性对于用户舒适度至关重要。在传统设计中，暴露的 SiC 浮雕光栅在 SiC-空气界面引入了强烈的折射率不连续性，这增加了反射并使图案化区域与周围衬底在视觉上可区分。因此引入了 70 nm 的 MgF₂ 填充层来改变局部介电环境并降低光栅区域的有效光学对比度。由于 EPE 和 OC 光栅包含连续变化的几何形状，它们的环境透射率也在空间上变化。为了表征整体响应，对每个光栅区域内最高和最低值对应的透射率进行了平均。如图1c所示，MgF₂ 填充使 EPE 区域的平均透射率提高了 12.8%，达到 88.9%，而 OC 区域提高了 13.2%，达到 92.3%。这一改善表明介电填充可以显著降低浮雕结构引入的透射损失。
减小的衬底厚度对衍射强度的空间分布提出了更严格的要求。对于给定的传播角度和横向距离，减小波导厚度会增加导波光与光栅区域之间的相互作用次数。由于每次相互作用提取剩余光功率的一部分，均匀光栅往往会在相互作用密度增加时产生越来越不均匀的输出。因此，我们在 EPE 和 OC 区域都采用了双参数变迹，通过连续变化光栅深度和线宽来实现。EPE 光栅的占空比从 0.30 变化到 0.80，同时深度从 18 nm 变化到 38 nm；而 OC 光栅的占空比从 0.40 变化到 0.80，深度从 32 nm 变化到 56 nm。这两个几何自由度的联合调制提供了比单参数或离散分段设计更精细的局部衍射效率控制，使得提取强度能够适应空间变化的导波功率和波长相关的衍射响应。由此产生的空间变迹设计随后在 0.35 mm SiC 波导中进行了评估。图1d-f分别显示了红、绿、蓝通道的计算耦出分布。通过光栅深度和占空比的耦合变化，局部提取强度在视场上连续重新分布，补偿了导波功率的逐渐损耗和波长相关的衍射响应。得到的分布在设计角度范围内表现出平坦的亮度响应，为后续全彩显示实验中同时实现亮度和色度均匀性提供了基础。
图1. 单层全彩SiC衍射波导的光学架构与仿真。(a) 功能光栅区域的示意横截面：覆盖Ag层的不对称倾斜IC光栅（顶部），以及具有连续变迹轮廓并由MgF₂层平坦化的表面浮雕EPE和OC光栅（底部）。(b) RGB衍射路径的动量空间（k-space）图，显示了设计30°视场角内的导波波矢。(c) EPE和OC区域的仿真透射率随波长的变化，比较了有无填充层的性能。(d)-(f) 通过双参数几何变迹实现的(d) 635 nm、(e) 528 nm和(f) 463 nm光谱通道的计算角亮度分布。
结果
为了展示可扩展的高通量制造，所提出的双参数变迹波导在 8 英寸 SiC 晶圆上制备。如图2a所示，单个 8 英寸晶圆可容纳八个功能芯片，在单批次生产中产生四副眼镜合束器。通过并行梯度转移工艺结合纳米压印光刻（NIL），在出瞳扩展（EPE）和耦出（OC）区域形成了连续深度轮廓，规避了传统多步套刻光刻和循环刻蚀的吞吐量瓶颈，大幅提高了生产效率。
制备的纳米结构的横截面形貌通过扫描电子显微镜（SEM）进行了表征（图2b）。不对称倾斜的耦入（IC）光栅显示出均匀的倾斜角度和清晰的侧壁定义。在OC区域不同空间坐标处拍摄的代表性SEM显微照片证实了沟槽深度和线宽的变化，验证了并行梯度转移协议将连续双变量设计转化为具有高结构保真度的物理纳米结构。
表面图案化后，8 英寸 SiC 晶圆经过定制轮廓切割，得到眼镜形状的镜片（图2c）。用游标卡尺进行物理轮廓测量确认衬底厚度仅为 0.35 mm。当平放在水平表面上时，镜片呈现出极薄的轮廓，结构翘曲可忽略不计（图2d），表明晶体衬底即使在如此超薄的厚度下仍保持稳健的机械自支撑性。在分析天平上进行质量评估，单个镜片重量为 1.9808 g（图2e）。这代表了可穿戴 AR 镜片重量的显著降低，为超薄超轻单板全彩眼镜设定了新的物理基准。
图2. 超薄SiC AR波导镜片的晶圆级制造、纳米结构形貌和物理表征。(a) 含有八个功能芯片的8英寸SiC晶圆照片，通过纳米压印光刻和并行梯度转移进行图案化。(b) 横截面扫描电子显微镜（SEM）图像，显示耦入（IC）光栅的不对称倾斜轮廓（顶部）以及耦出区域两个代表性位置（OC1和OC2）的深度渐变纳米结构（底部）。比例尺：300 nm。(c) 从8英寸晶圆切割的单个眼镜形状SiC镜片照片。(d) 制备的镜片平放在平台上的侧视图，突出其超薄轮廓和结构完整性。(e) 在分析天平上对单板镜片的质量测量，显示重量为1.9808 g。
讨论
在本工作中，我们展示了一种超薄、轻量化的单板全彩 SiC 衍射波导，解决了 AR 显示中衬底厚度、视觉美观度和视场均匀性之间长期存在的权衡问题。通过将镜片厚度减至 0.35 mm、重量减至 1.98 g，所提出的架构为全天候可穿戴眼镜确立了令人信服的物理形态。虽然减小衬底厚度会增加内部 TIR 弹跳密度，但由此产生的空间非均匀性通过连续双参数变迹成功抵消。光栅深度和占空比的同步变化提供了对局部衍射效率的精细空间控制，使亮度响应平坦化，并在整个 30° 视场角内抑制色差。同时，折射率匹配的 MgF₂ 回填层的引入有效抑制了高折射率界面处的菲涅耳反射，将平均透视透射率提升至 92% 以上。
超薄 SiC 平台从制造角度来看也具有重要优势。单晶 SiC 传统上被认为对于大面积消费光学器件成本较高，因为晶体生长仍然比传统光学玻璃昂贵得多。将衬底减薄至 0.35 mm 大幅减少了每个衬底所需的原材料体积，使得从单个晶锭中获取更多可用的光学板，显著降低了每个镜片的原材料成本。关键在于，将并行梯度转移方法与纳米压印光刻（NIL）相结合实现了高通量、晶圆级生产。通过在单个批次中展示在 8 英寸 SiC 晶圆上批量制造八个功能芯片，该技术规避了与传统多掩模套刻光刻或串行离子束修整相关的吞吐量瓶颈和高设备开销，为大规模生产建立了一条可行的高良率制造途径。此外，SiC 还为高度集成的 AR 系统提供了固有的热学优势。得益于其极高的热导率，眼镜形状 SiC 镜片的 18 cm² 表面积自然地充当了有效的平面散热器，将耦入微型显示引擎产生的局部热量散发到周围环境中。这种内置散热缓解了热节流，无需专用的笨重散热器，从而在直接户外照明下实现了持续的、全屏的高亮度运行。总之，通过将超薄超轻的外形与不显眼的透视美学和均衡的光学性能相协调，本工作为日常佩戴的消费级 AR 眼镜提供了实用且可扩展的硬件基础。
