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一種光波導結構的制作方法

文檔序號:40556652發(fā)布日期:2025-01-03 11:16閱讀:12來源:國知局
一種光波導結構的制作方法

本技術涉及光學元件的,尤其是涉及一種光波導結構。


背景技術:

1、光波導作為一種輕薄的ar技術方案備受青睞,尤其是衍射光波導技術獨特的量產性和經濟性,具備成為主流技術的可能性。從工藝制備角度來看,表面浮雕光柵的光波導制備工藝可以分為兩大類,一類是通過納米壓印方式制備光柵,另外一類方法則是通過直接刻蝕的方式制備光柵。通過壓印方法得到的光波導,受限于壓印膠材料的制作工藝,折射率很難超過2.0,導致光柵的衍射效率難以提升;壓印工藝對光柵的深寬比有限制,通常光柵深寬比不能超過3:1,這在很大程度上限制了光波導設計的自由度。此外,壓印膠材料屬于有機高分子材料,性能不穩(wěn)定,對于光照、溫度等物理環(huán)境比較敏感,長時間室外佩戴會影響ar鏡片的使用壽命。

2、申請人日前申請的公開號為cn117572556a的中國專利公開了一種與鏡片折射率匹配的ar光波導結構及其加工方法,光波導結構包括玻璃基底、以及設置于所述玻璃基底上的光柵層,所述玻璃基底包括折射率為1.5以上的高折射率玻璃,所述光柵層包括氧化硅、氧化鈦、氧化鋁、氧化鉿、氧化鋯、氧化鈰和氮化硅中的至少兩種的組合物;加工方法包括以下步驟,s1在高折射率玻璃表面沉積透明介電薄膜;s2得到壓印模板;s3得到待刻蝕基板;s4在所述待刻蝕基板表面進行刻蝕,以去除光柵結構區(qū)域的壓印膠和非光柵結構區(qū)域的透明介電薄膜,得到光波導結構。上述方法使得光柵材料的選擇更具靈活性,常規(guī)的半導體材料如氧化硅、金屬氧化物材料如氧化鈦等,均可以作為光柵材料,這些材料在可見光波段折射率高(≥2.0),可以實現(xiàn)更高的耦出效率,并且這些材料的物理性質穩(wěn)定,不易受到外界環(huán)境的影響,對于提升光波導的穩(wěn)定性更為有利。

3、目前,最受關注的刻蝕光柵材料是氧化鈦,其通過磁控濺射、熱蒸鍍等方法在玻璃基底表面沉積氧化鈦,以作為制作光波導的基底。氧化鈦的折射率在可見光波段約2.3,且沒有吸收,是比較理想的光柵材料,但該材料在刻蝕過程中存在刻蝕速率慢、光柵截面形貌難以保持等問題,此外,氧化鈦刻蝕過程產生的金屬濺射產物對會污染刻蝕腔體,導致良品率和潔凈度很難保證。因此,雖然隨著刻蝕設備的日趨完善,刻蝕光波導產品的批量化生產也已經成為了可能,但是受限于刻蝕工藝,目前氧化鈦光柵并沒有走向量產。


技術實現(xiàn)思路

1、本實用新型要解決的問題是針對現(xiàn)有技術中所存在的上述不足而提供一種光波導結構,其通過結合異質鍵合、剝離減薄和直接刻蝕晶圓的光波導方案,解決了現(xiàn)有的納米壓印樹脂的光波導方案存在的設計自由度低、使用壽命短的問題,還有直接刻蝕的光波導方案存在的不便于鍍膜刻蝕的問題,在提高出光效率、保證耦出均勻性、降低彩虹紋的同時,適合大批量工藝化生產。

2、本實用新型的上述實用新型目的是通過以下技術方案得以實現(xiàn)的:

3、一種光波導結構,包括玻璃基底、由減薄晶圓組成的光波導層、以及填充層,所述光波導層的折射率高于所述玻璃基底和填充層的折射率,所述光波導層鍵合設置于所述玻璃基底上,且所述光波導層背離玻璃基底的表面具有刻蝕光柵結構,所述填充層嵌設于所述刻蝕光柵結構的刻蝕間隙內,且所述填充層和刻蝕光柵結構的外側表面近似的處于同一平面上、和/或所述填充層遮蓋所述刻蝕光柵結構的外側表面。

4、通過采用上述技術方案,高折射率晶圓如氧化硅、氮化硅等,其折射率在可見光波段在2.60以上,且刻蝕速率快、工藝穩(wěn)定,各項性能遠高于氧化鈦,但是存在鍍膜難度很大,通過常規(guī)的鍍膜手段如磁控濺射、蒸鍍等難以實現(xiàn)高質量成膜的缺陷,而整體采用晶圓直接獲得刻蝕光柵結構的方式,雖然規(guī)避了鍍膜的問題,但是由于目前還沒有理想的氧化硅、氮化硅晶圓切割方法,難以切割出理想的ar鏡片形狀,對于后期制作ar鏡片產品非常不利;本實用新型提出在便于形狀切割的玻璃基底上,鍵合設置由減薄晶圓組成的光波導層,即通過在常規(guī)的玻璃基底上鍵合晶圓后、剝離再減薄至預定厚度的方式得到高質量晶圓薄膜,再在晶圓薄膜表面形成刻蝕光柵結構,這種結構設計不僅克服了晶圓難以鍍膜的問題,還規(guī)避了晶圓切割困難的問題;另外,可通過鍍膜等的方式在刻蝕光柵結構的刻蝕間隙內作材料填充,該材料折射率應低于晶圓折射率,并形成填充層,能進一步提高光波導結構的各項性能,適合大批量工藝化生產;通過采用上述結構,以玻璃基底作為光波導基底,經過鍵合、減薄的高折射率晶圓作為光波導層,以便形成預定的刻蝕光柵結構,并輔以較低折射率填充層填充刻蝕光柵結構的刻蝕間隙,在提高出光效率、保證耦出均勻性、降低彩虹紋的同時,具有工藝穩(wěn)定、易于量產的優(yōu)勢,適合大批量工藝化生產。

5、本實用新型進一步設置為:所述玻璃基底的折射率為1.50~1.90。

6、通過采用上述技術方案,有利于提高出光效率。

7、本實用新型進一步設置為:所述玻璃基底的厚度為0.30~0.80mm。

8、通過采用上述技術方案,有利于提高出光效率。

9、本實用新型進一步設置為:所述光波導層的減薄晶圓折射率在2.60以上。

10、通過采用上述技術方案,有利于提高出光效率、保證耦出均勻性。

11、本實用新型進一步設置為:所述光波導層的減薄晶圓為碳化硅晶圓或氮化鎵晶圓。

12、通過采用上述技術方案,優(yōu)選采用碳化硅晶圓,有利于提高出光效率、保證耦出均勻性。

13、本實用新型進一步設置為:所述光波導層的厚度為0.5~3.0μm。

14、通過采用上述技術方案,有利于提高出光效率、保證耦出均勻性。

15、本實用新型進一步設置為:所述光波導層通過直接鍵合、溫壓鍵合、和/或光學鍵合的鍵合方式設置于所述玻璃基底上。

16、通過采用上述技術方案,優(yōu)選采用高溫鍵合的方式完成光波導層和玻璃基底之間的連接,之后對光波導層減薄至刻蝕光柵結構所需要的厚度,在光波導層表面制備刻蝕光柵結構,包含耦入、轉折和耦出區(qū)域,使得來自投影光機的光經過刻蝕光柵結構后不斷擴瞳并最終成像在人眼前,形成虛擬圖像。

17、本實用新型進一步設置為:所述刻蝕光柵結構是由多個直齒光柵、斜齒光柵、和/或閃耀光柵組成并呈一維或二維陣列布置的亞波長光柵結構,且所述刻蝕光柵結構的光柵周期為200~400nm、占空比為40~60%、刻蝕高度為100~250nm、斜齒光柵傾斜角為20~45°、閃耀光柵閃耀角為20~45°。

18、通過采用上述技術方案,有利于提高出光效率、保證耦出均勻性

19、本實用新型進一步設置為:所述填充層的折射率在2.00以下。

20、通過采用上述技術方案,有利于降低彩虹紋。

21、本實用新型進一步設置為:所述填充層由氧化硅或氮化硅組成。

22、通過采用上述技術方案,為了進一步消除彩虹紋,可以在制備完成的刻蝕光柵結構表面填充氧化硅或氮化硅材料,氧化硅或氮化硅材料的填充可以只存在刻蝕間隙內,也可以高于刻蝕光柵結構表面,通過氧化硅或氮化硅材料的填充,可以抑制外部環(huán)境光的衍射。

23、綜上所述,本實用新型的有益技術效果為:通過以玻璃基底作為光波導基底,經過鍵合、減薄的高折射率晶圓作為光波導層,以便形成預定的刻蝕光柵結構,并輔以較低折射率填充層填充刻蝕光柵結構的刻蝕間隙,在提高出光效率、保證耦出均勻性、降低彩虹紋的同時,具有工藝穩(wěn)定、易于量產的優(yōu)勢,適合大批量工藝化生產。

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