一种色散补偿波导
阅读说明：本技术 一种色散补偿波导 (Dispersion compensating waveguide ) 是由 杨陈楹 温俊仁 于 2021-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种色散补偿波导,包含作为基底的中心波导与两侧的色散补偿单元；所述的色散补偿单元由多层折射率、尺寸不同的波导堆叠而成。不同波长的入射光因以不同的角度入射至中心波导,在色散补偿波导中有着不同的光学路径；但在波导内部的全反射次数相同,且不同波长的光完成全反射之后进入中心波导的入射点均相同,实现了无色散传输。本发明的色散补偿波导,具有不额外增加波导的轴向尺寸,附加径向尺寸小,制备成本低,易于与扩瞳结构结合以增大人眼的动眼眶范围与总的出光面积等优点,且所用波导结构具有轻薄和高透过率的特点,可以运用于增强显示可穿戴设备(如增强现实近眼显示设备等)。(The invention discloses a dispersion compensation waveguide, which comprises a central waveguide as a substrate and dispersion compensation units on two sides; the dispersion compensation unit is formed by stacking a plurality of layers of waveguides with different refractive indexes and sizes. Because the incident light with different wavelengths is incident to the central waveguide at different angles, different optical paths exist in the dispersion compensation waveguide; however, the total reflection times in the waveguide are the same, and the incidence points of the light with different wavelengths entering the central waveguide after the total reflection are the same, so that the dispersion-free transmission is realized. The dispersion compensation waveguide has the advantages of no extra increase of the axial size of the waveguide, small additional radial size, low preparation cost, easy combination with a pupil expanding structure to increase the orbit moving range and the total light emitting area of human eyes and the like, and the used waveguide structure has the characteristics of lightness, thinness and high transmittance and can be applied to wearable equipment for augmented display (such as augmented reality near-to-eye display equipment and the like).)
技术领域
本发明涉及光线与图像传输领域，具体涉及一种色散补偿波导，可应用于可穿戴设备、通信、传感等领域。
背景技术
波导是一种常见的定向引导电磁波传输的结构，在可穿戴设备、光电通信、传感探测等领域有广泛用途。限制光线在波导结构中传输需要满足光线的全反射条件，即波导结构的折射率比周围介质的折射率更大以及入射角大于临界角。目前，波导的损耗、色散和非线性效应是阻碍波导传输性能提高的主要制约因素。不同波长的单色光在单层波导结构中会出现全反射次数、传输路径和传输速度不同等情况，导致脉冲的展宽和信号的失真，进而增加了系统的误码率和码间串扰，降低了系统的通信容量。
目前较为成熟的色散补偿技术是基于光学的色散补偿技术。通过设计相关的光学补偿元件，将其添加至光线的传输路径中以实现色散的补偿。主要的光学补偿元件有色散补偿光波导、啁啾光纤光栅等。近年来，较为新颖的技术不断出现，包含但不限于电色散补偿技术、基于数字信号处理的相干检测技术等。
随着增强现实技术的广泛应用，波导结构是消费级增强现实可穿戴设备(如增强现实近眼显示设备)必不可少的组成部分。在单层波导结构中，不同波长的光以同一入射角度在同一点入射，会因为波长的不同而产生不同大小的折射角，导致在波导结构中的全反射次数、传输路径不同，继而使离开波导时的出射点位置也不相同。不同波长的光出射点位置沿轴分布，产生轴向的颜色比例不均匀的“彩虹现象”，从而影响图像的成像效果。
因此，如何实现增强现实可穿戴设备波导结构的色散补偿，是设备研发人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种结构简单，不会增加波导轴向长度，能够在光线传输时避免出现“彩虹效应”的色散补偿波导。
本发明的色散补偿波导由中心波导与色散补偿单元组成。在中心波导两侧，沿轴向离散或者连续分布的色散补偿单元构成了色散补偿结构。单个色散补偿单元由一层或多层补偿波导堆叠而成，且补偿波导的数量、折射率和尺寸与对应的入射光匹配。
在应用时，本发明的色散补偿波导可与扩瞳结构相结合，以增加动眼眶范围使之适合更多人群。由于波导结构具有轻薄与高穿透性的特性，该色散补偿波导可运用于增强现实近眼显示设备等可穿戴设备，实现将图像由旁置的成像系统传输到人眼的基本功能与降低色散、减小“彩虹效应”等附加功能。
本发明中，所述色散补偿单元可以连续设置在中心波导两侧，也可以间隔布置在中心波导两侧。
间隔布置时，作为一种选择的方案，单个色散补偿单元中，多层补偿波导为自内向外，折射率、轴向尺寸、径向尺寸逐渐减小的波导堆叠分布。当然，所述色散补偿单元中的多层补偿波导的轴向尺寸也可以相同。
本发明中，所述的“轴向”一般是指中心波导中心轴的方向或者平行于该中心轴的方向。所述“径向”一般指垂直于上述“轴向”的方向，即垂直于波导轴线方向的尺寸，也即波导的厚度尺寸。
作为优选，间隔布置时，同一侧的色散补偿单元等间距布置。
作为进一步优选，两侧的色散补偿单元布置间距相同。
所有入射光线从同一个点、同一个平面入射进入中心波导；然后经过对应色散补偿单元后从同一个点再次进入中心波导，并在中心波导向前传播。
作为优选，每个色散补偿单元中色散补偿波导的数量为1～5个。
作为优选，所述中心波导的轴向尺寸为3-20cm，与增强现实近眼显示设备宽度相当；径向尺寸为0.5-5mm，与增强现实近眼显示设备镜片厚度相当。
多个色散补偿单元采用间隔布置时，作为优选，单个色散补偿单元的轴向尺寸为10-400μm，由色散补偿单元中最邻近中心波导、尺寸最大的最内层波导决定；径向尺寸为5-200μm，与色散补偿单元的波导层数相关，而波导层数由在色散补偿波导内传输的光波长范围决定。
色散补偿单元轴向的最大尺寸没有严格要求，即使采用连续结构，也可以满足本发明的需要。如果采用间隔布置，色散补偿单元轴向的最小尺寸受限于最内层补偿波导的尺寸，最内层补偿波导的最小尺寸需要满足波长最小的入射光线的折射要求。
对于非最外层补偿波导，入射的光线中，一束光线为全反射光线，其余光线为透射光线(折射)，其最小尺寸既需要满足全反射光线的全反射要求，也需要满足透射光线的入射/折射需要。
色散补偿单元内各层波导的轴向尺寸与径向尺寸也可以设置的不尽相同。单个色散补偿单元中，最靠近中心波导为最内层补偿波导，最内层补偿波导的尺寸最大，轴向尺寸为10-400μm，径向尺寸为5-200μm；最远离中心波导为最外层补偿波导，最外层补偿波导尺寸最小，轴向尺寸为1-100μm，径向尺寸为0.5-30μm。当然，这里的“最大”“最小”是指其临界值，实际轴向尺寸在满足临界值要求前提下，可以选择相等或不等的轴向尺寸。
色散补偿单元周期分布于中心波导的两侧。在中心波导边界一侧，色散补偿单元轴向间隔为0.2-8mm；采用等间距布置时，位于中心波导一侧的相邻色散补偿单元连线的中点对侧恰好有一色散补偿单元。各色散补偿单元的波导层数、各层波导的轴向与径向尺寸、各层波导折射率、总的轴向与垂轴尺寸等参数完全相同。
作为优选，每个色散补偿单元的整体尺寸、组成、材质均相同。
中心波导与色散补偿结构通常可以使用高折射率金属氧化物材料氧化钛、氧化钽、氧化铪、氧化铌、氧化锆等、氮化物材料氮化硅等、硫化物材料硫化锌等以及大分子聚合物材料及其衍生物芳香族聚酰亚胺、聚氨酯树脂(MR系列)等。
本发明的补偿波导可以采用微纳加工工艺进行制备。
在实际设计时，可以根据需要传输或者采集的光线的波长不同，设计特定的色散补偿单元。若波导中需要传输n条波长不同的光线，为确保每一条光线传播的路径不同、发生全反射的波导不同，我们需要(n-1)个补偿波导；不过实际应用时，入射光个数一般不超过3条；比如该波导应用于光学成像时，所传输的光线选择红、绿、蓝(RGB)三原色即可。
以三束入射光线为例，本发明的设计思路如下，同时参考图3：
(1)以三束入射光线为例：三束入射光线的波长已知(比如红、绿、蓝三色)，从外界空气入射到中心波导中的入射角相同，经过边缘处类闪耀光栅波导的偏折作用，各光线分别以偏折角θa、θb、θc进入中心波导，由于三束光线的波长不同，导致折射角θa、θb、θc不同。
(2)三束光，我们需要两层补偿波导，分别定为内层补偿波导(靠近中心波导设置)和外层补偿波导。在设计结构参数的过程中，我们限定补偿波导的径向尺寸为一系列定值(即d11，d121，d122均为定值)，由入射角θa、θb、θc和在中心波导、内层补偿波导处的边界面处仅有波长最大的入射光a(红光)发生全反射，以此确定内层补偿波导121的折射率n121；由入射光a、c(红光、蓝光)的折射角θa、θc，以及中心波导的宽度d11，可以确定A和B的位置，由A、B点的位置确定内层补偿波导的临界轴向尺寸(即a121)；
(3)类似地，在内层补偿波导与外层补偿波导的边界面处，光线b(绿光)全反射、光线c(蓝光)透射，可以确定外层补偿波导122的折射率n122；由光线b、c(绿光、蓝光)的折射角θb′、θc′，以及内层补偿波导的宽度d121，可以确定D和E的位置，由D、E点的位置确定外层补偿波导122的临界轴向尺寸(即a122)。
本发明的色散补偿波导，与传统基于光学的色散补偿技术(在波导轴向增加色散补偿光波导或啁啾光纤光栅)不同，它运用微纳加工工艺进行制备，仅在中心波导的径向添加堆叠分布的多层补偿波导。波长不同的入射光以不同的角度入射至中心波导，有着不同的光学路径。但是，本发明的色散补偿波导实现了短波长光的沿轴传输距离的增大，使不同波长的光线有着相同的全反射次数；并控制长波长光的全反射位置与短波长光从色散补偿波导透射进入中心波导的入射点相同，以实现色散补偿的功能，且没有额外增加中心波导的轴向尺寸。同时由于波导结构在进行图像传输时，不会对图像进行“缩放”等处理，是完全独立与成像系统存在的一个单独元件，因此选择波导作为近眼显示设备的传输渠道时，可以实现显示屏与成像系统的旁置，减小了光学元件对外界光线的阻挡，优化设备的重量分布、外观、结构，提高了用户的佩戴舒适感。本发明的色散补偿波导附加径向尺寸小，制备成本低，可以与扩瞳结构结合，运用于增强现实近眼显示设备时可以增大人眼的动眼眶范围与总的出光面积，使之适用于不同瞳距的用户且所用波导结构具有轻薄和高透过率的特点，可以运用于增强显示可穿戴设备(如增强现实近眼显示设备等)。
附图说明
图1为本发明的色散补偿波导的结构示意图；
图2为多束不同波长的单色光在本发明中的传播示意图；
图3为多束不同波长的单色光在中心波导与单个临界大小色散补偿单元中的传播示意图；
图4为经过入瞳等光束偏转器件后倾斜入射至中心波导的单色光在本发明中传输、与某扩瞳结构结合的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，本发明的色散补偿波导由多层波导结构构成，主要包含作为基底的中心波导与中心波导两侧离散分布的堆叠的色散补偿结构。
其中，多束不同波长的光线在本发明中的传播路径如图2所示：
(1)中心波导11轴向尺寸为cm级、径向尺寸为mm级，色散补偿单元12由径向尺寸为100μm级离轴补偿波导121、122组成，色散补偿单元13由径向尺寸为100μm级离轴补偿波导131、132组成。
(2)色散补偿单元12、色散补偿单元13分布于中心波导11的同侧边界面，在该侧变界面上色散补偿单元等间距离散分布；在色散补偿单元12、色散补偿单元13连线的中垂线、中心波导11的另一侧边界面上为色散补偿单元14，对侧的色散补偿单元也等距离散分布，且色散补偿单元之间的间隔与色散补偿单元12、色散补偿单元13的间距相等；色散补偿单元12、13、14结构完全相同。
(3)中心波导11、补偿波导121、补偿波导122的折射率关系为n11＞n121＞n122(n11为中心波导11的折射率、n121为补偿波导121的折射率、n122为补偿波导122的折射率)；本实施例中a、b、c为波长不同的入射光线，以不同的入射角同一平面于相同的入射点O进入色散补偿波导，波长关系为λa＞λb＞λc(λa为光线a的波长、λb为光线b的波长、λc为光线c的波长)，入射角关系满足θa＞θb＞θc(θa为光线a的入射角、θb为光线b的入射角、θc为光线c的入射角)。
(4)波长更长的光线a在中心波导11和补偿波导121的界面处满足全反射条件，故仅在中心波导11中全反射向前传输；波长较小的光线b在中心波导11和补偿波导121的界面处透射，在补偿波导121和补偿波导122的界面处发生全反射后再次透射进入中心波导11，故仅在中心波导11和补偿波导121中传输；波长更小的光线c在中心波导11、补偿波导121的界面处和补偿波导121、补偿波导122的界面均发生透射，在补偿波导122的边界面处发生全反射后再次透射进入中心波导11，故能够在中心波导11、补偿波导121和补偿波导122中传输。在一个色散补偿单元中传输之后，光线b、c透射进入中心波导11的位置与光线a发生全反射的位置相同，均为点A，故可以实现在单个周期结构内的色散补偿。
如图3所示，中心波导11的径向尺寸为d11，补偿波导121的径向尺寸为d121，且中心波导、补偿波导121的径向尺寸均为定值。在中心波导11和补偿波导121的交界面处，光线a满足：n1sinθa≥n121，即θa大于或等于全反射的临界角，因而光线a发生全反射；光线b满足：n1sinθb＜n121，即θb小于全反射的临界角，因而光线b透射进入色散补偿单元；光线c满足：n1sinθc＜n121，即θc小于全反射的临界角，因而光线c透射进入色散补偿结构。
补偿波导121的轴向尺寸a121可根据需要进行调整，临界轴向尺寸(即最小轴向尺寸)如图所示，满足：a121(min)＝d11(tanθa-tanθc)。补偿波导121的左侧端面AA′可以向左平移，不可向右平移，以限制光线a全反射的位置(光线b、c透射出补偿波导121的位置)在中心波导11与补偿波导121的交界面上，满足：AC≥d11tanθa；补偿波导121的右端面BB′可以向右平移，不可向左平移，以限制光线c透射进入色散补偿单元的入射点在中心波导11与补偿波导121的交界面上，满足：BC≤d11tanθc。补偿波导121的轴向尺寸a121应满足：a121≥d11(tanθa-tanθc)。
补偿波导122的轴向尺寸a122也可以根据需要调整，其临界轴向尺寸(即最小轴向尺寸)如图所示，满足：a122(min)＝2d122sinθc″。补偿波导122的左侧端面DD′可以向左平移，不可向右平移，以限制光线c透射出补偿波导122的位置在补偿波导121与补偿波导122的交界面上，满足DB′≥2d122sinθc″+d121tanθc′；波导122的右侧端面EE′可以向右平移，不可向左平移，以限制光线c透射进入补偿波导122的入射点在补偿波导121与补偿波导122的交界面上，满足：EF≤d121tanθc′。补偿波导122的轴向尺寸a122应满足：a122≥2d122sinθc″。
如图4所示，为经过入瞳等光束偏转器件后倾斜入射至中心波导的不同波长的光线在本发明的色散补偿波导中传输、与某扩瞳结构结合的示意图。其中：中心波导11轴向尺寸为cm级、径向尺寸为mm级，离轴补偿波导121、122径向尺寸为100μm级；扩瞳结构的径向尺寸为200nm级；光线a、b、c波长关系满足：λa＞λb＞λc；扩瞳结构41、42、43分别位于中心波导11、补偿波导121、122的边界面处(此仅为其中一种结构布置)，可以分别对波导内传输的光线a、b、c进行轴向扩束与分束，增大了人眼的总视场角、动眼眶范围和光场的出光面积，以适应于不同瞳距的使用者并且可以增强视觉效果。
实施案例
如图3所示，波导内传输的光线a、b、c分别是波长为650nm的红光、550nm的绿光和450nm的蓝光。中心波导11和补偿波导121、122分别使用折射率为2.30、2.00、1.70的氧化钛、氮化硅、氧化铝。红光、绿光、蓝光分别以65°、55°、45°的入射角进入中心波导11。
在中心波导11与补偿波导121的界面处，发生全反射的临界角：则红光满足全反射条件，在A点处发生全反射；绿光、蓝光不满足全反射条件，由中心波导透射进入色散补偿单元中的补偿波导121中。折射角满足：
在补偿波导121与补偿波导122的界面处，发生全反射的临界角：则绿光满足全反射条件，在补偿波导121与补偿波导122的界面处全反射后由A点透射进入中心波导11中；蓝光不满足全反射条件，由补偿波导121透射进入补偿波导122中，折射角满足：
在波导122与空气的边界面处，发生全反射的临界角： 则蓝光满足全反射条件，在波导122与空气的界面处全反射后在波导121与122中进行传播，在A点由色散补偿结构透射进入中心波导11。
可见，通过色散补偿单元之后，波长较短的蓝光(450nm)、绿光(550nm)的沿轴传输距离增大，且色散补偿结构可以控制长波长光的红光(650nm)在中心波导边界的全反射位置与短波长的蓝光、绿光从色散补偿结构透射进入中心波导的入射点相同(均为点A)，实现了色散的补偿。
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