平板激光显示器通过大规模光子集成电路实现

导论

在显示技术的发展历程中，从笨重的阴极射线管显示向紧凑型平板显示的转变标志着一个关键转折点。近半个世纪以来，阴极射线管一直主导着市场，直到基于发光二极管（LED）的平板显示器出现，催生了便携设备浪潮，重塑了日常生活中与视觉技术的交互方式——从电视机到智能手机。如今，平板显示器已无处不在，但下一代技术飞跃——将激光技术集成至平板显示器以实现终极视觉体验——仍面临重大挑战。

与传统LED显示器相比，激光具有卓越的亮度和色彩表现力。激光的高定向性可实现高峰值亮度的图像投射，同时使显示器能在更低占空比下运行，这对抑制动态模糊至关重要；其窄光谱特性可呈现更高色彩饱和度，从而实现更宽色域；其偏振输出能减少对偏振敏感元件的系统光损，进而提升能效。这些特性对于增强现实（AR）、虚拟现实（VR）等沉浸式体验及其他高性能显示系统具有重要价值。

然而尽管具有这些优势，目前的激光显示技术主要局限于笨重的投影仪形式（例如电影院使用的机型），这类设备需要复杂的光学系统将激光投射至屏幕。如图1a所示，典型激光投影仪包含用于光束扩展、光束整形、混色、偏振控制等多种功能的光学元件。此外，由于需要将狭窄的激光束扩展至大面积显示区域，系统必须保留相当大的自由传播空间。

 

图1：(a)采用自由空间照明方案的常规激光投影仪示意图。包含激光源、准直透镜、二向色镜、光束整形元件、偏振分束器及显示面板；(b)提出的平板激光显示器示意图。采用PIC取代自由空间照明模块，直接集成于显示面板，实现紧凑平板形态；(c)典型LED光导照明器（背光模组）使用多层扩散片与滤光片来调控光线的空间分布、角度特性、光谱特征及偏振状态，导致光学效率低下；(d)PIC照明器通过片上导波与光学特性调控，无需使用高损耗的扩散片与滤光片

基于扫描技术的微型化激光显示器已有示范案例，但受限于固有的速度-分辨率权衡问题、多种视觉伪影现象以及显示驱动和渲染的复杂性。虽然已有若干开发平板激光显示器的尝试，但这些方案或需复杂的激光阵列，或依赖低效的制造方法，极大限制了性能表现与规模化潜力。

将激光投影仪转型为平板显示器的挑战在于调控激光所需的精密控制。大多数基于LED的平板显示器（如液晶显示器LCD）采用“扩散过滤”法：光线首先通过薄光导板中的随机散射实现均匀化，随后穿透像素化彩色滤光片、偏振片和角度滤光片等多层过滤系统（图1c），最终获得理想的光输出。

然而若直接将此法应用于激光显示，会不可避免地削弱其高定向性、偏振性和色纯度优势。相反，激光显示需要精确的光子输运——必须依据所需的空间分布、角度特性、光谱特征和偏振状态进行精准配光，方能保持其性能优势。使用传统光学元件实现此种精度需要复杂的庞大光学系统，这正是导致投影系统难以小型化的根本原因。

在此，研究团队提出一种新型激光显示架构，采用纤薄平板形态（图1b）并通过大规模可见光光子集成电路（PIC），突破了激光显示器长期存在的尺寸与性能间的权衡矛盾。在单一光子芯片上集成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红绿蓝（RGB）三原色通道，满足先进显示应用的高标准要求。

该PIC的功能类似于LCD中的光导板——根据显示系统要求扩展光线并定制其空间分布、角度特性、光谱特征和偏振状态。然而其工作原理截然不同：采用“引导-选择”机制而非“扩散-过滤”方案。光扩展通过片上导波与分束实现，而非随机散射；角度扩散由工程化光栅发射器控制，而非光束整形滤光片；偏振性与色纯度得以保持，并通过选择性光耦合输出，照明侧不再需要彩色滤光片或偏振片（图1d）。

该架构还具备新功能，例如跨显示屏的按需主光线角度调节，可实现照明模块与光学系统的协同设计以获得最佳整体显示性能。PIC器件制造基于标准互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容工艺，具备大规模生产的扩展性。目前，激光器与光子芯片的集成技术已在通信领域成熟应用，经适配后亦可延伸至可见光波段。

团队提出的PIC照明架构，为现有及新兴显示技术提供了一个多功能平台。该架构兼容多种显示面板，包括液晶显示器（LCD）、液晶覆硅（LCoS）显示器，以及数字光处理（DLP）显示器，其应用范围涵盖智能手机显示屏、增强现实眼镜乃至新兴全息显示等领域。作为概念验证，本文展示了一种基于PIC与LCoS技术的平板激光显示器，专为对紧凑性、高能效和高亮度有严格要求的AR应用而开发。

 

图2：(a)平板激光显示堆栈结构示意图。PIC置于LCoS显示面板与偏振片之间，将输入激光扩展至区域面积以照明LCoS面板。LCoS面板反射光线并对其进行空间偏振调制，经偏振片后转换为强度调制形成图像；(b)液晶层偏振旋转原理。暗态时液晶分子垂直排列保持偏振不变，反射光被交叉偏振片阻挡；亮态时液晶分子形成扭曲结构使反射光偏振旋转90°，从而呈现亮态；(c)PIC布局示意图；(d)光栅发射器局部放大视图。RGB发射器并列排布，共享相同芯层与光栅层。各发射器中垂直于波导芯的沟槽为用于光提取的短光栅，光栅间距决定发射方向，光栅长度控制发散角；平行于波导芯的沟槽为阻抗匹配结构，置于相邻发射器间以最小化散射损耗；(e)PIC堆栈截面视图。包含50纳米SiN芯层（tc）、170纳米SiO2间隔层（ts）及55纳米AlOX光栅层（tg）。波导宽度（wr/g/b）与光栅间距（pr/g/b）分别针对RGB三色独立优化；(f)200毫米直径PIC晶圆光学图像；(g)晶圆转移至玻璃基板前的器件光学图像（参见方法）；(h)截面层堆栈SEM图像；(i)Y形分束器SEM图像

显示架构

本文提出的平板激光显示器采用非自发光显示构型。平板显示器通常分为两类：自发光显示器（如有机发光二极管OLED），其每个像素直接发光；非自发光显示器（如液晶显示器LCD），其像素依赖外部照明而非自身发光。本研究选择非自发光构型，是为了避免在微米级高密度像素阵列上集成与控制大量激光二极管的复杂性。非自发光显示器包含三个核心模块：光源、照明单元和光调制装置。本文分别采用红绿蓝半导体激光二极管、PIC照明器和色序式LCoS显示面板（图2a）来验证该概念及其在增强现实眼镜中的应用。

显示堆栈结构如图2a所示。PIC器件置于LCoS盖板玻璃上方，其顶部层压有偏振片用于图像形成。LCoS是一种反射式显示器，通过改变每个像素的液晶取向（图2b）来调制反射光的偏振态。通过偏振滤波，偏振片将调制的偏振态转换为强度调制，从而形成图像。为最大化显示分辨率，团队采用无RGB子像素的色序式LCoS——全彩图像通过在帧时间内快速连续显示RGB色彩通道来实现。为快速原型验证，采用商用光纤耦合激光器，在芯片外合并后通过单根光纤附件耦合至PIC器件。激光器与PIC的直接边缘耦合或倒装焊连接以及片上混色方案详见补充信息章节。

显示器工作流程始于RGB激光二极管的光源生成，这些激光器与LCoS色彩帧切换同步顺序点亮。每个激光器以特定脉冲宽度和占空比运行，以优化光谱特性并提高激光器电光转换效率。为最小化器件尺寸，团队首先通过片上或片外方式合并RGB三色光，并采用共享的级联Y形分束器进行光扩展（图2c）。完成光扩展后，白光通过粗波分复用器重新分离为RGB三色光。此处需要进行分色处理以实现对红、绿、蓝光发射特性的独立控制。在发射区域，光线通过像素化光栅耦合器阵列进行提取（图2d）。每个光栅发射器设计长度为1-2微米，可产生有限的衍射锥角，该角度可与观看光学系统的数值孔径相匹配（图2d、e）。

发射区域相较于LCoS面板的有效区域略大，以避免边缘出现亮度衰减。最终，照明光经LCoS面板反射调制后，通过偏振片形成图像。需要特别说明的是，光栅发射器会向两个方向发射光线。为提升光能利用效率，研究团队采用反射型偏振片回收反向发射的光线，将其重新导向LCoS侧。图2f-i展示了晶圆的光学图像、PIC堆栈结构和Y形分束器的扫描电子显微镜（SEM）图像。

 

设计原理

团队的设计精心权衡了PIC照明器四大关键性能指标的平衡关系：均匀性、偏振消光比、透射度与效率，这些指标分别直接对应显示器的核心性能参数：显示均匀性、对比度、重影现象与功耗（图3a）。此处的均匀性包含亮度与色彩双重维度。

一个显著的权衡关系存在于亮度均匀性与光提取效率之间：更强的光栅虽能提高提取效率，但由于波导中光强度的指数衰减，会降低均匀性。为突破此限制，我们引入了新型光路设计——波导电路的空间交错构型。如图2c所示，光线在芯片上被分束后，通过两组Y形分束器从相反方向馈入。这种设计产生补偿效应，即便每个方向都存在单调衰减，仍能保持均匀照明（图3a）。

 

图3：(a)关键显示性能指标与对应PIC设计维度；(b)模拟光栅强度随SiO2间隔层厚度ts的变化（RGB三色）。SiN芯层与AlOx光栅层厚度分别固定为50纳米和55纳米；(c)模拟亮度均匀性、色彩均匀性及光提取效率随ts的变化。绿色阴影区表示亮度均匀性允许范围（最小/最大比＞0.8），橙色阴影区表示色彩均匀性允许范围（Δu′v′＜0.01）；(d)实测PIC照明器均匀性分布图。器件尺寸为6.0毫米×4.8毫米；(e)PIC发射器局部放大视图；(f)光栅发射器工作原理示意图；(g)Y偏振（垂直于偏振片透射轴）模拟远场光强分布。虚线圆表示目标锥角；(h)X偏振（平行于偏振片透射轴）模拟远场光强分布；(i)曲线：模拟偏振消光比（PER）随集光半角的变化；星点：11°半锥角处实测PER值；(j)重影衍射效率模拟结果。KPI为关键绩效指标

通过优化PIC层堆栈结构和各色光栅强度，以实现优异色彩均匀性。根据玻恩近似理论，光栅外耦合效率与光栅结构处的模场强度成正比。因此，要实现良好的色彩均匀性需匹配红、绿、蓝三色的光栅效率，需要通过设计其模场分布来实现。为此，团队采用三层PIC设计——光栅图案化在氮化硅（SiN）波导芯层上方的独立氧化铝（AlOX）层中，中间以二氧化硅（S_iO₂）间隔层分隔（图2d、e）。相较于传统的直接波导刻蚀工艺，这种三层堆栈结构为定制模场-光栅相互作用的波长响应提供了更多设计自由度。

均匀性与效率之间的权衡关系如图3b、c所示，其中以间隔层厚度ts为例进行具体说明。遵循显示行业惯例，亮度均匀性由最小/最大亮度比定义，该值必须超过80%；色彩均匀性通过Δu′v′（相对白点偏差）衡量，需保持在0.01以下。我们可以清晰看到设计中的权衡关系：效率与亮度均匀性随ts变化呈相反趋势，而色彩均匀性在ts≈200纳米处达到最优。在本器件中，选择ts=170纳米以获得最佳综合性能：在满足均匀性要求的同时，实现60%的高光提取效率。

偏振消光比（PER）对显示对比度至关重要，通过采用单模波导和偏振选择光栅对其进行了优化。如图3a所示，照明偏振态被设计为与偏振片透射轴正交。任何交叉偏振都会导致暗态漏光，从而降低显示对比度。通过精确保障波导和光栅耦合器的高偏振选择性，我们在仿真中实现了超过10000:1的轴向PER（图3i）。需要注意的是，PER值随角度增大而降低，由此产生了对比度与光学系统数值孔径之间的权衡关系（图3f-h）。

由于LCoS的反射特性，光线从面板反射后会再次穿过PIC照明器。这带来了另一项关键要求——PIC必须具备高透射度以避免重影或图像质量下降。需注意的是，PIC在成像路径中的高透射性与照明路径中的高效率并不违反互易定理，因为出射光呈发散状态。经反射后，光束尺寸已远超过有效光栅截面。实际上，光线与PIC的二次相互作用主要发生在脊形波导的衍射层面，而非光栅处。图3j显示了在收集锥角范围内积分的模拟衍射效率。由于氮化硅（SiN）和氧化铝（AlOX）层均具有光学薄层特性，PIC波导在整个目标光谱范围内的衍射效率低于0.8%，满足典型AR应用要求。

最后，通过优化所有组件来提升PIC器件的光学效率：最小化波导的传播与弯曲损耗、Y形分束器与粗波分复用器的插入损耗，优化激光器至PIC的耦合效率，设计光栅发射器的阻抗失配以最大化光栅提取效率。低损耗氮化硅（SiN）波导平台此前已在近红外至通信波段得到验证。

本研究通过实现整个可见光谱范围内的极低传播损耗及小器件尺寸，进一步拓展了该技术边界。团队实测RGB波长（分别为635nm、520nm和450nm）的波导损耗分别为0.1 dB·cm-1、0.3 dB·cm-1和1.1 dB·cm-1，低于现有SiN光子代工厂报告值。通过精心设计SiN芯层厚度，在确保全色单模运行与结构紧凑性的同时，最大限度降低了弯曲与插入损耗。采用逆向设计方法优化Y形分束器，实现插入损耗最小化与宽带性能。通过系列综合设计及进一步工艺优化，预计该架构可实现相较于传统LCoS投影仪近十倍的光学效率提升。

 

性能评估

通过系列实验评估了平板激光显示架构的性能：首先对独立PIC照明器进行表征，随后测试组装的平板激光显示器，最终完成完整AR系统验证。实验实现了高照明均匀性。图3d展示了与LCoS集成前测得的照明场分布。PIC发射区域尺寸为6.0毫米×4.8毫米，长轴沿波导方向排列。得益于交错光传播设计，照明场呈现边缘亮、中心暗的特征。实测亮度均匀性（最小/最大比）为71%，略低于设计值（源于制造工艺偏移导致的层厚变化），同时实现了Δu′v′＜0.01的优异色彩均匀性。

 

需注意的是，人眼对色彩变化的感知高度依赖空间频率——即在大视场角（FoV）内缓慢变化的色彩差异较难察觉。因此尽管图中可见色彩变化，但在设计的30°×40°视场角范围内观察时，视觉感知并不明显。图3e展示了PIC的局部放大视图，清晰呈现单个光栅发射器结构。需要说明的是，由于电路交错设计，沿波导方向的发射器晶格间距是垂直波导方向间距的两倍。

此外，研究团队还测量了照明偏振消光比（PER）（图3i）。受表征设备限制，测得PER值是在0.2数值孔径范围内的积分值。观察到PIC器件表面存在PER空间分布差异，主要源于边缘耦合区域的非理想光散射。在远离边缘耦合器的区域，当NA≈0.2时照明对比度超过250:1，与仿真结果一致。接下来，评估了PIC-LCoS集成后的显示性能。图4a展示了具有紧凑形态和高亮度的全功能显示组件。所用LCoS面板具备4.5微米像素间距，支持全高清（1920×1080）分辨率，并以每色彩通道180Hz帧率运行。

 

图4：(a)组装完成的平板激光显示器置于美元硬币上的展示图。光纤接入PIC用于光输入，柔性电缆用于LCoS控制。光源与激光控制器未在图中显示；(b)本研究色彩性能与标准色彩空间的对比；(c-f)实测显示图像；(g)实验中采用的手持AR装置实物图；(h)与形态优化平板激光显示器集成的AR系统概念可视化图；(i-j)通过面板g中AR装置眼位相机拍摄的图像，呈现办公室环境中显示的虚拟物体与真实场景

激光显示器的优势在于更广的色域范围。由于采用窄波段基色激光源，其色域覆盖远超任何LED显示器（图4b）。该系统提供211%的色域占比率，并完全覆盖国际电信联盟（ITU）定义的高清电视标准sRGB/BT.709。作为对比：团队研制的显示器可呈现CIELAB色彩空间74%的可见色，而标准Adobe RGB色彩空间仅覆盖52%，sRGB仅覆盖36%。

直视条件下的显示性能如图4c-f所示。使用目镜放大显示图像（参见方法学部分）。图像边缘模糊源于目镜透镜像差，而非显示器本身。组装显示器的序列对比度约为40:1，远低于照明偏振消光比。该数值受限于LCoS面板对比度以及PIC、LCoS与偏振片之间的人工对准误差（演示采用手动对准）。在实际制造中，可通过基于优化对准标记的精密封装工艺改善此问题。

紧凑高效的显示引擎对增强现实眼镜至关重要——因其受限于镜片尺寸与重量，空间和功耗预算极为严格。通过将PIC激光显示器与商用瞳孔复制型增强现实几何光波导眼镜配对（图4g），在系统层面展示了其性能。来自平板激光显示器的光线首先通过定制透镜模块准直，随后耦合至增强现实光波导的输入瞳孔。通过玻璃板内的多次全内反射实现出瞳扩展。本次演示采用手持增强现实装置，投影仪支持50°对角线视场角。

当前体积主要来自大型商用LCoS显示驱动板，若采用定制化应用特定集成电路（ASIC）驱动器可实现大幅小型化。通过优化集成与封装，光引擎尺寸可缩减至1立方厘米以下，从而实现超紧凑轻量化AR体验（图4h）。我们演示了多种AR应用场景：图4i-j展示了混合现实体验——在办公环境中虚拟图像与真实场景无缝融合。值得注意的是，经AR光波导后散斑显著减弱，部分原因在于透过式背景降低了叠加对比度。

 

讨论

实现PIC激光显示器的全部潜力仍面临若干挑战。首当其冲的是激光散斑问题——这是激光显示领域的已知技术难题。本研究观察到图像中出现颗粒状图案，这是由不同PIC发射器在LCoS平面上产生干涉所致。作为首次原理验证演示，当前设备未实施额外的消散斑技术。使用1纳米带宽单模激光器测得散斑对比度约为20%，远超4%的典型感知阈值。现有激光投影仪已提出并测试多种缓解方案（如波长/偏振多样性、动态扩散片和微透镜阵列），这些技术均可适配于PIC激光显示器。

另一关键挑战在于光源集成与封装。虽然激光集成技术在通信波段的硅光子学中已成熟，但将RGB激光二极管与可见光光子学集成仍处于早期阶段。团队已通过主动对准在原型层面演示了激光器-光子芯片边缘耦合方案。就大规模生产而言，芯片-晶圆倒装焊可作为成本效益优化的可扩展制造路径，而异质可见光激光器与氮化硅光子学集成的最新进展为此提供了另一种可能性。

具体到AR应用，还存在稀疏内容场景下的功耗浪费与对比度下降挑战（如图4i-j所示案例）。当前PIC照明器仅支持全局开关控制，当LCoS显示器仅小部分区域工作时会导致不利功耗。为提升照明能效，可采用主动式PIC调制技术独立控制不同照明区域（图5a），该概念类似于LCD中的局部调光技术。

 

图5：(a)分区照明概念示意图。通过仅在需要区域开启照明，分区照明可提升图像对比度与能效。该技术可通过主动式PIC调制器实现；(b)PIC赋能的全息显示方案示意图。PIC提供定制化照明场，馈入一层或多层空间光调制器用于生成全息图，随后通过全息光学元件等平板透镜进行图像投影与放大

超越AR/VR领域，PIC照明器可作为支撑众多新型显示概念的平台，包括超薄全息显示器、高分辨率光场显示器等。例如图5b展示了PIC在全息显示中的潜在应用：将PIC照明器与空间光调制器及全息薄饼透镜集成。不同于以往依赖简单平面波入射的全息显示方案，PIC能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、亮度及沉浸感。

本研究引入了大规模可见光光子集成电路，作为紧凑高效激光照明的强大平台。展示的平板激光显示架构实现了显著小型化，为AR及其他前沿应用铺平道路。此项工作将推动显示行业更多利用先进纳米光子学的创新，驱动下一代视觉技术的跨越式发展。

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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