近年来,显示技术经历了从笨重的阴极射线管(CRT)到轻薄的平板液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(OLED)的重大变革。然而,凭借其在亮度、色彩表现和效率方面的诸多优势,激光显示技术被寄予厚望,尤其在增强现实(AR)、虚拟现实(VR)及高性能显示领域。尽管如此,传统激光显示设备体积庞大、系统复杂,制约了其广泛应用,特别是在追求轻薄便携的平板显示市场。本篇深入探讨利用大规模光子集成电路(PIC)实现平板激光显示的前沿技术,分析其设计理念、制造工艺、性能优势及未来潜力。 激光显示技术的独特优势主要体现在光源的高度方向性、窄带光谱以及强偏振性。高度方向性的激光输出能够实现极高的峰值亮度,同时能效提升,减少视觉运动伪影。
窄光谱使得色彩更加饱和,拓宽了显示的色域范围。强偏振光输出有利于减少基于偏振元件显示系统中的光损失,整体提升效率。这些特性使得激光显示成为打造沉浸式视觉体验的理想选择,特别是在对画质和颜色要求极高的AR/VR设备中。 然而,现有激光显示多采用投影机形式,需要复杂的光学组件完成激光束的扩展、整形、混色和偏振控制等功能,且必须预留较大自由空间才能覆盖较大显示面积。这不仅导致设备体积庞大,还带来了装配复杂、制造成本高等问题。已有采用扫描方式的激光显示虽然体积较小,但存在速度与分辨率的内在权衡,还会带来图像伪影和驱动复杂性,难以满足消费级和大规模应用需求。
此外,平板激光显示方面的探索曾尝试基于复杂激光阵列或低效率的制造工艺,难以实现高性能且具备规模化生产可能的设备。 大规模光子集成电路的出现,为平板激光显示提供了新的解决方案。光子集成电路是一种将数千个光学元件集成在单芯片上的技术,允许通过微纳光学结构实现对光的空间、角度、光谱和偏振特性的精准控制。该技术以其高集成度、制造流程兼容半导体CMOS工艺,具备潜力实现高性能与大规模量产兼顾的平板激光显示模块设计。 基于PIC的激光显示架构采用"引导与选择"策略,替代传统LED显示中的"漫射与滤波"方法。激光束通过芯片内的波导系统进行扩散和分裂,实现均匀大面积照明,而非通过随机漫射。
芯片内设计有周期性微结构(光栅发射器)实现光的定向发射,光的出射角度和发散度可通过光栅参数精确调控。由于不需使用传统滤光片和偏振片,整个系统的光损耗大幅减少;同时保留了激光光源的高方向性和纯净色彩优势。 具体实现方面,PIC采用多层薄膜结构,核心为低损耗的硅氮化物(SiN)波导层,隔以二氧化硅(SiO2)的缓冲层,上覆氧化铝(AlOx)制成光栅发射器。该结构针对红、绿、蓝三色波长分开设计,调节光栅周期和波导宽度,实现不同颜色光的均一输出。通过在芯片内部采用耦合和反向传播的波导网络,解决了光强衰减带来的照明不均问题,获得亮度均匀、色彩一致的输出效果。此外,PIC的光极化性质经过优化,确保输出光的偏振灭比极高,使得与液晶光阀(如液晶硅基LCoS面板)配合使用时获得高对比度图像。
作为验证,研究团队结合PIC和高分辨率的LCoS面板,打造出厚度仅约2毫米的超薄平板激光显示器,实现了高达211%的标准色域覆盖,色彩表现远超传统LED显示。与传统激光投影仪相比,体积减小超过80%,极大地契合便携式AR设备对轻薄、紧凑的需求。实验中,激光信号通过单光纤输入,芯片内用Y型分路器和多路复用技术完成光分布与颜色重组,避免了复杂的自由空间光学调节。此外,借助反射型偏振片回收反向发射的部分光线,有效提升能源利用率。 虽然性能突破显著,平板激光显示基于PIC的技术仍面临一定挑战。其中激光散斑效应会影响图像质量,需要引入波长、偏振多样性等去散斑方法加以缓解。
另一方面,高品质红绿蓝激光源的紧密集成及可靠封装尚处于发展初期,未来需结合倒装焊和异质集成技术实现规模化生产。针对AR应用,如何实现区域光源的动态控制以进一步提升能效,也是在研方向。通过集成活性调制器,实现按需照明的"区域照明"功能,能够减少功耗,提高图像对比度。 未来,大规模光子集成电路将不仅限于平板激光显示,更可拓展到全息显示、光场显示和眼球追踪显示等新兴视觉技术。凭借高精度定制的光场输出,结合多层空间光调制设备,PIC能为下一代三维显示提供更紧凑、更明亮、更沉浸的视觉方案。随着工艺逐步成熟,预计激光显示在手机、可穿戴设备及大尺寸超高清电视等市场的应用将不断扩大。
总之,大规模光子集成电路为激光显示技术的平板化提供了强有力的技术支撑,打破了尺寸和性能之间的传统限制,带来了薄型化、高色彩饱和度和高能效的显示解决方案。通过精密设计的波导结构和光栅系统,激光光源的优势被充分发挥,实现了体积大幅压缩的同时,保持了优异的均匀性、对比度与色彩表现。未来,随着激光器与光子芯片的深度集成和制造工艺的革新,基于PIC的激光显示有望催生多样化且创新丰富的视觉显示产品,推动整个显示行业迈向新纪元。 。
