Nature: 光子芯片打造超薄平板激光顯示

在顯示技術(shù)的發(fā)展史上，從笨重的顯像管到輕薄的平板顯示器的轉(zhuǎn)變，深刻地改變了人類與視覺科技的互動方式。如今，平板顯示已成為生活中無處不在的核心界面。然而，要實現(xiàn)更高亮度、更廣色域以及更沉浸的視覺體驗，傳統(tǒng)的 LED 光源正逐漸顯現(xiàn)出瓶頸。尤其是在增強現(xiàn)實（AR）和虛擬現(xiàn)實（VR）中，對顯示的要求更加苛刻。AR/VR 設(shè)備必須在極為緊湊的體積和重量限制下，依然能夠提供足夠的亮度，以確保在戶外強光環(huán)境中清晰可見。與手機等常規(guī)顯示相比，AR/VR 顯示需要在整體顯示面積縮小數(shù)百倍的情況下保持相似的分辨率，甚至輸出高出數(shù)千倍的亮度。這對光的生成、傳輸與調(diào)控提出了前所未有的挑戰(zhàn)，迫切需要一種在架構(gòu)層面實現(xiàn)根本性提升的新型顯示方案。

激光憑借方向性強、色彩飽和度高以及天然的偏振特性，被認為是下一代顯示的理想光源。但長期以來，激光顯示主要依賴龐大的投影式架構(gòu)，復(fù)雜的自由空間光學(xué)組件不僅使系統(tǒng)體積臃腫，也難以滿足便攜化與集成化的需求。如何將激光顯示從笨重的投影機壓縮為真正的平板形態(tài)，成為顯示領(lǐng)域長期未解的難題。

近日，Meta Reality Labs Research團隊在Nature上報道了一項突破性成果。他們提出了一種基于大規(guī)模集成光路（PICs）的全新平板激光顯示架構(gòu)，將原本分散在自由空間的光學(xué)元件全部集成到單片光子芯片之上，從而大幅壓縮顯示器整體厚度。研究團隊在一塊芯片上集成了數(shù)千個不同功能的光學(xué)器件，實現(xiàn)了對紅、綠、藍三基色激光的精準導(dǎo)光、分色與出射控制，并與硅基液晶（LCoS）面板相結(jié)合，制備出全球首個超薄平板激光顯示器。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在體積上相比傳統(tǒng)微顯示器減少超過80%，色域覆蓋率達到211%，充分展示了激光平板顯示的潛力。

該工作由Meta Reality Labs Research多位研究人員共同完成，論文以“Flat-panel laser displays through large-scale photonic integrated circuits”為題發(fā)表在Nature上。論文共同第一作者為Zhujun Shi（石竹均）、Risheng Cheng（成日盛）、Guohua Wei（魏國華），通訊作者為Giuseppe Calafiore。

基于集成光路的激光照明系統(tǒng)

在傳統(tǒng)平板顯示中，LED背光采用的是“散射與濾光”架構(gòu)。光首先通過背光板被打散，然后再經(jīng)過彩色濾光片、偏振片和其他一系列濾光元件，最終形成符合顯示需求的照明光場。這種方式的優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單，工藝成熟，足以滿足手機、電視等常規(guī)應(yīng)用。然而，一旦將光源換成激光，這種架構(gòu)反而成為限制。

激光具有極高的方向性、窄光譜和天然偏振輸出。如果簡單地把激光耦合進LED式的背光板，擴散與濾光的過程會徹底抹去這些優(yōu)勢。結(jié)果不僅導(dǎo)致效率急劇下降，還會破壞色彩和偏振特性。為此，傳統(tǒng)激光顯示均為基于自由空間光學(xué)的投影儀，而非平板顯示。

Meta團隊提出的解決方案，是用集成光路（PIC）精準控制激光照明光場。在他們的設(shè)計中，所有光的擴展、分色、角度與偏振控制都在單片光子芯片上完成。與“散射與濾光”不同，PIC采用“導(dǎo)光與選擇”的模式：光在芯片波導(dǎo)中被有序地分束與傳輸，再通過設(shè)計化的光柵耦合器定向出射。這樣不僅保留了激光的方向性和偏振特性，還免除了龐大的自由空間光學(xué)器件，使得顯示系統(tǒng)能夠真正壓縮到平板形態(tài)。

圖1基于集成光路的激光平板顯示

圖源：Nature

集成光路的設(shè)計與實現(xiàn)

要實現(xiàn)這一架構(gòu)，研究團隊在氮化硅（SiN）光子芯片上集成了數(shù)千個不同功能的光學(xué)器件。首先，RGB激光通過邊緣耦合進入芯片，隨后在一系列Y型分束器的作用下被逐級分束，擴展為覆蓋整個LCoS面板的均勻光場。為了克服光強沿傳播方向的指數(shù)衰減，團隊采用了交錯式光路布局：光從兩端同時注入，在中心匯合形成均勻分布，從而保證亮度一致性。

圖2PIC激光顯示器件設(shè)計與實現(xiàn)

圖源：Nature

在色彩控制方面，研究人員使用片上粗波分復(fù)用器（CWDM）將白光重新分解為紅、綠、藍三色，分別優(yōu)化其傳播路徑和出射光柵設(shè)計。光柵的長度和間距決定了出射角度和發(fā)散錐角，使光能夠與LCoS面板和成像光學(xué)系統(tǒng)精準匹配。同時，芯片設(shè)計中還加入了反射型偏振片回收機制，將向下方出射的光反射回顯示方向，提高光能利用率。

工藝上，集成光路的加工全部基于CMOS兼容制程。研究團隊進行了一系列設(shè)計和工藝的優(yōu)化，使氮化硅波導(dǎo)損耗被壓縮至紅光0.1 dB/cm、綠光0.3 dB/cm、藍光1.1 dB/cm。這保證了光在厘米級尺度上傳輸仍能保持高效率。最終，團隊將光子芯片與硅基液晶（LCoS）面板直接集成，制備出僅2毫米厚的平板激光顯示器。測試結(jié)果顯示，其色域覆蓋率高達211%，超過sRGB與Adobe RGB標準；亮度均勻性達到71%，色彩均勻性Δu′v′ < 0.01，滿足人眼視覺要求。

在增強現(xiàn)實系統(tǒng)中的應(yīng)用

為了進一步驗證其實用價值，研究團隊將平板激光顯示與波導(dǎo)式增強現(xiàn)實（AR）光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合，展示了一個便攜手持式原型機。在該系統(tǒng)中，來自激光顯示的光場經(jīng)過透鏡模塊準直后耦合進波導(dǎo)，并通過全反射擴展出瞳。實驗表明，該原型機能夠在明亮的辦公室環(huán)境中清晰呈現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實疊加的畫面，展示出極具沉浸感的增強現(xiàn)實體驗。

與現(xiàn)有的微型投影式AR光機相比，基于PIC的平板激光顯示具有顯著優(yōu)勢。它無需龐大的光學(xué)透鏡陣列，體積縮減超過80%，同時提供更高的亮度和色彩飽和度。這意味著未來的AR眼鏡光機有望縮小到不足1立方厘米，真正實現(xiàn)輕量化和全天佩戴的可能。

圖3PIC平板激光顯示在AR中的應(yīng)用

圖源：Nature

展望未來，基于集成光路的激光平板顯示有望在AR/VR、全息顯示、光場顯示等多個層面重塑顯示技術(shù)版圖。正如從顯像管到LED平板的轉(zhuǎn)變帶來了一次顯示革命，集成光路驅(qū)動的激光顯示有望成為下一代顯示技術(shù)的里程碑，為視覺科技打開更加廣闊的想象空間。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09107-7