Meta AR/VR专利提出抑制二维光栅中的一阶衍射方法

　　许多增强现实波导使用两个一维光栅，而使用一个二维输出光栅比使用两个一维光栅有数个潜在的优点，例如较少的加工步骤(蚀刻一个光栅而不是两个);能更有效地调整光栅;更好的显示分辨率和对比度;较低的光栅显著性;不必将正面光刻工艺与背面光刻工艺对齐等等

　　不过，尽管使用一个二维光栅比使用两个一维光栅存在上述诸多优点，但使用二维光栅会观察到一条亮点线，而这不利于近眼显示的质量。

　　在名为“Suppression of first-order diffraction in a two-dimensional grating of an output coupler for a head-mounted display”的专利申请中，Meta提出了一种抑制二维光栅中的一阶衍射的方法。

　　作为说明，亮点线是衍射阶的光栅直接输出通道的结果。衍射阶可以通过减少或最小化光栅折射率二维函数的傅里叶component来抑制。通过降低二维光栅的衍射阶，可以提高二维光栅的质量，使得二维光栅可以用作近眼显示中波导的耦出器。

　　图6是用于光栅的图案600的实施例。所述光栅可用于近眼显示器的耦出器。图案600基于在第一维608中周期性重复并在第二维612中周期性重复的设计604。图样600是介电常数在4和7之间变化的二维图样。图案600没有校正以抑制(1,1)衍射顺序。

　　图7描绘了图案600实施例的模拟衍射图和透射图。s偏振光的反射衍射阶数(0,0)、(1,0)、(0,1)、(1，−1)和(1,1)表示为Rs。s偏振光的透射衍射阶数(0,0)、(1,0)、(0,1)、(1，−1)和(1,1)表示为Ts。一阶衍射(1,1)的衍射效率与衍射阶数(1,0)和(0,1)相当。

　　图8是描绘由(1,1)衍射顺序引起的亮点804线的示意图。可以通过耦入光栅810将像光806耦合到波导808中。来自波导808的光通过耦出光栅812耦出波导808至视窗816。当使用光栅对波导中的光进行耦入和耦出时，二维光栅比一维光栅提供了更多的结构自由度。

　　尽管使用一个二维光栅比使用两个一维光栅具有若干优点，但使用一个二维光栅可以观察亮点线，这不利于近眼显示的质量。由于这个原因，大多数增强现实波导使用两个一维周期光栅而不是一个二维周期光栅。

　　由于(1,1)阶导致亮点线804，因此有必要抑制(1,1)阶，从而抑制二维光栅中的亮点线。(1,1)衍射顺序可以通过降低或最小化光栅折射率二维函数的(1,1)傅里叶component来抑制。通过降低二维光栅的(1,1)衍射阶数，可以提高二维光栅的质量，使得二维光栅能够用作近眼显示中波导的耦出器。

　　通过最小化介电结构的(1,1)傅里叶component，可以抑制(1,1)衍射阶。

　　图9描绘了衍射光的光栅900的实施例。光栅900包括衬底904和器件层908。在器件层908中形成二维图案。例如，在器件层908中图案化具有两个或多个折射率值的两个或多个材料。在一个实施例中，材料可以通过喷墨应用。

　　在一个实施例中，光刻技术用于在器件层908中创建图案。例如，在器件层908中蚀刻一组孔。在一个实施例中，器件层908具有等于或大于30、50、80或90nm和/或等于或小于90、100、180、200或300nm的厚度。

　　入射到光栅900上的光912部分传输到直接传输通道916，传输阶数(0,0)，并部分传输到其他传输通道。入射到光栅900的光912同样部分折射到直接折射通道920，衍射阶(0,0)，以及其他衍射通道924，例如衍射阶(1,0)、(0,1)、(1,1)等。

　　图10描绘用于光栅的图案1000的实施例。图案1000基于在第一维1008中周期性重复，并在第二维1012中周期性重复的设计1000。对于在一个维度中周期性重复的图案，沿所述维度存在介电常数(以及折射率)的变化。另外，第一维1008不一定与第二维1012正交。

　　图案1000是在x/y平面上折射率变化的二维图案。图案1000是一个二维的周期图案。图样1000的介电常数(以及折射率)可以用一个二维傅立叶级数来近似。通过最小化傅里叶系数c(m, n)，衍射阶(m, n)的效率同样最小化。

　　图11显示了图10中图案1000的x/y平面介电常数的傅里叶系数图。每个实点表示一个非零值。通过降低傅里叶系数c(1,1)，对图案1000进行修改以抑制一阶衍射。可以通过改变周期图案的介电常数来降低傅里叶系数。

　　在一个实施例中，头戴式显示器包括的波导配置为引导从投影仪接收的光。光栅包括具有不同折射率的两种或多种材料的设计。所述设计在第一维中周期性重复，并在第二维中周期性重复，以形成二维图案。

　　二维图案的折射率由二维傅立叶级数近似。为了抑制(1,1)衍射阶，抑制光栅的(1,1)傅立叶系数。在一个实施例中，(1,1)系数小于第一个系数的1/2、1/2或1/10和/或等于或大于1/20、1/50、1/100或1/1000。

　　在一个实施例中，光栅包括衬底和器件层。器件层包括具有不同折射率的两种或多种材料的设计。设计在第一维中周期性重复，并在第二维中周期性重复，以形成二维图案。

　　当光栅器件层的厚度增加时，(1,1)阶的抑制不那么明显。所以在一个实施例中，为了更好地抑制(1,1)阶，可以降低光栅的减小和/或厚度的折射率对比度。

　　图12是用于光栅的二维图样1200的实施例。二维图样1200进行校正以抑制一阶衍射。二维图样1200是x/y平面介电常数分布。x/y平面的介电常数分布可以看作是两个一维光栅介电常数分布的和，因此只有(m, 0)和(0,n)个傅里叶阶，没有(1,1)个傅里叶阶。

　　在本实施例中，所述器件层的厚度为180nm。设计沿第一维的第一宽度a1为340纳米，沿第二维的第二宽度a2为240纳米。第一个维度的角度为150度，第二个维度的角度为- 150度。在图12中，两种或多种材料(或一种材料)中的至少一种具有变化的折射率。

　　图13描绘了由图12中的二维图样1200构成的光栅实施例的模拟衍射图。图中显示，与(1,0)和(0,1)级相比，(1,1)和(−1，−1)级的衍射效率受到抑制。

　　图14描绘了图12中光栅实施例的重新缩放的模拟衍射图。与(1,0)和(0,1)阶相比，(1,1)阶的抑制小于1/10。

　　图15是用于光栅的二维图样1500的另一实施例，其中二维图样进行校正以抑制一阶衍射。将介电常数分布的傅里叶系数随机分配到−3阶和3阶之间，使(1,1)阶为零，得到二维图样1500。

　　在本实施例中，设计沿第一维的第一宽度a1为300nm，沿第二维的第二宽度a2为380nm。第一个维度的角度为145度，第二个维度的角度为- 145度。在图15中，两种或多种材料中的至少一种具有变化的折射率。

　　图16描绘了傅里叶系数振幅的曲线图。图16显示了图15中图案的傅里叶系数的对数振幅。与其他阶相比，c(1,1)和c(- 1， – 1)遭到抑制。例如，c(2,2)远远大于c(1,1)。在一个实施例中，c(1,1)小于c(0,0)， c(1,0)， c(0,1)， c(1,2)， c(2,1)， c(2,2)， c(1,3)， c(1,3)， c(2,3)和c(3,3)的一半。

　　图17描绘了由图15中的二维图样1500构成的光栅实施例的模拟衍射图。图中显示，与(1,0)和(0,1)阶相比，(1,1)和(−1，−1)阶的衍射效率遭到抑制。图18描绘了实施例中用于图15中二维图案1500的重新缩放的模拟衍射图。

　　图19是用于光栅的二维图案1900的实施例，其中所述二维图案为二元图案。可以设计二维图样1900，使介电常数分布的(1,1)阶傅里叶系数最小化。在一个实施例中，所述设计是非对称的，以便更容易形成减小(1,1)系数的二元介电常数分布。

　　在本实施例中，设计沿第一维的第一宽度a1为340 nm，沿第二维的第二宽度a2为340 nm。第一个维度的角度为150度，第二个维度的角度为- 150度。

　　图20描绘了由图19中的二维图案1900构成的光栅实施例的模拟衍射图。图中显示，与(1,0)和(0,1)阶相比，(1,1)和(−1，−1)阶的衍射效率受到抑制。图21描绘了实施例中用于图19中二维图案1900的重新缩放的模拟衍射图。

　　一个周期的二维介电常数模式可以通过各种方式优化来抑制指定的系数。在一个实施例中，损失函数最小化。

　　图22是初始介电常数分布2200的实施例。初始介电常数分布2200具有两个重叠矩形的特征。对初始介电常数分布2200进行优化，形成如图26所示的二维图形。

　　图23是优化傅里叶系数的图。为了最小化(1,1)阶，可以改变几何参数来优化初始介电常数分布2200的傅里叶系数。

　　图24描绘了优化后二维图形的傅里叶系数振幅图。图中显示(1,1)阶遭到抑制。

　　图25是用于光栅第一层的第一二维图案2500的实施例。图26是用于光栅第二层的第二二维图案2600的实施例。第二层堆叠在第一层上以形成多层结构。多层结构的每一层都有一个介电常数分布，并旨在抑制(1,1)傅里叶系数。第一个二维傅里叶级数用来近似第一个二维图形2500。第二个二维傅里叶级数用于近似第二个二维图形2600。

　　在图25和26中，设计沿第一维的第一宽度a1为340 nm，沿第二维的第二宽度a2为340 nm。第一个维度的角度为150度，第二个维度的角度为- 150度。第一层厚度为90nm，第二层厚度为90nm。第一层、第二层和/或附加层的总厚度等于或小于150nm、180nm、200nm或300nm。

　　图27描绘了用于所述多层结构实施例的模拟衍射图。(1,1)衍射阶比其他阶小得多。图28描绘了多层结构实施例的重新缩放的模拟衍射图。

　　图29示出用于在二维光栅中形成图案的过程2900的流程图的实施例。

　　从步骤2904开始，选择初始介电常数分布。初始介电常数分布包括在二维中周期性重复的两个或多个折射率值的设计。

　　在步骤2908中，计算傅里叶系数来近似初始介电常数分布。

　　在步骤2912中，改变介电常数分布的几何参数以减小指定的傅里叶系数以生成二维图案。在优化傅里叶系数的基础上生成二维图形。在晶圆的器件层中形成二维图案以形成光栅。

　　在一个实施例中，指定的傅里叶系数对应于光栅的(1,1)阶;指定的傅立叶系数小于对应于(0，1)阶的系数的一半;两个或多个折射率值是二进制值((如图19、25和26所示);和/或在厚度等于或小于300nm的层中形成所述设计。

　　名为“Suppression of first-order diffraction in a two-dimensional grating of an output coupler for a head-mounted display”的Meta专利申请最初在2022年3月提交，并在日前由美国专利商标局公布。