CN112649910A - 多层光栅结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多层光栅结构。多层光栅结构包括：基底结构；光栅结构，光栅结构与基底结构连接，光栅结构为多个，多个光栅结构间隔设置，光栅结构包括至少两个光栅层，且相邻两个光栅层的折射率不同；其中，光栅结构为倾斜光栅结构，倾斜光栅结构与基底结构之间的夹角小于45°，光栅结构的光栅周期小于1.5倍入射波长。本发明解决了现有技术中光栅结构存在衍射效率不均匀的问题。

Description

多层光栅结构

技术领域

本发明涉及衍射光学设备技术领域，具体而言，涉及一种多层光栅结构。

背景技术

随着未来科技的不断创新，虚拟现实(VR)，增强现实(AR)，混合现实(MR)已经逐步进入工业教育等行业，其中在AR增强现实方面，光波导技术是不可缺少的一步，光栅作为目前光波导主流设计方案中主要的耦入、转折、耦出元件，对其性能要求也是十分苛刻的。目前很难实现在整个视场角下光栅都具有高效率且具有良好的角度均匀性，以至于不同视场角的光很难平衡到一个均匀且高效的效果，由于常规光栅(单一材料光栅)特性使得大多数设计的光栅会出现某个角度下衍射级次效率很高，而在其他角度时效率很低。因此不同角度下效率不均匀现象是目前光波导设计中较为关键且亟待解决的问题。

也就是说，现有技术中光栅结构存在衍射效率不均匀的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种多层光栅结构，以解决现有技术中光栅结构存在衍射效率不均匀的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种多层光栅结构，包括：基底结构；光栅结构，光栅结构与基底结构连接，光栅结构为多个，多个光栅结构间隔设置，光栅结构包括至少两个光栅层，且相邻两个光栅层的折射率不同；其中，光栅结构为倾斜光栅结构，倾斜光栅结构与基底结构之间的夹角小于45°，光栅结构的光栅周期小于1.5倍入射波长。

进一步地，沿垂直于基底结构的方向光栅结构的光栅层中远离基底结构的光栅层为第一光栅层，与第一光栅层连接的光栅层为第二光栅层，第一光栅层的折射率小于第二光栅层的折射率。

进一步地，倾斜光栅结构的截面面积向远离基底结构的方向逐渐减小。

进一步地，第一光栅层的折射率大于等于1.45且小于等于2.9，第一光栅层的深度大于等于10nm且小于等于600nm。

进一步地，第一光栅层的材料包括氮化硅、氮氧化硅、二氧化钛、二氧化铈、氧化铝、五氧化二钽、二氧化硅、掺杂二氧化硅、硼磷酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、聚合物、氧化铍、氟化钙、氟化铈、冰晶石、氟化铬、氟化镧、氟化锶、氟化镱中的一种。

进一步地，第二光栅层的折射率大于等于1.5且小于等于4.8；和/或第二光栅层的深度大于等于10nm且小于等于1um；和/或第二光栅层的材料包括硅、掺杂硅、氮化硅、二氧化硅、二氧化钛、二氧化铬、氧化铝、五氧化二钽、铝氮氧化物、二氧化铈、锗、掺杂锗、氧化铪、氧化镁、氧化钕、氧化镨、氧化钪、硒化锌、硫化锌、氧化锆中的一种。

进一步地，光栅结构包括三层光栅层，光栅层中与基底结构连接的为第三光栅层，第三光栅层的折射率小于第二光栅层的折射率，基底结构的折射率小于第三光栅层的折射率。

进一步地，基底结构的折射率大于等于1.4且小于等于2.9；和/或基底结构的材料包括二氧化硅、掺杂二氧化硅、硼磷酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、氮化硅、氮氧化硅、二氧化钛TiO2、二氧化铈、氧化铝、五氧化二钽、聚合物中的一种。

进一步地，光栅层为多个时，多个光栅层的折射率的中间的光栅层为中间层，中间层的折射率最高，且多个光栅层的折射率向远离中间层的方向逐渐递减，其中，中间层与空气之间的光栅层的折射率大于等于空气的折射率且小于中间层的折射率；中间层与基底结构之间的光栅层的折射率大于等于基底结构的折射率且小于中间层的折射率。

进一步地，多层光栅结构还包括残余层，残余层设置在基底结构与光栅结构之间。

应用本发明的技术方案，多层光栅结构包括基底结构和光栅结构，光栅结构与基底结构连接，光栅结构为多个，多个光栅结构间隔设置，光栅结构包括至少两个光栅层，且相邻两个光栅层的折射率不同；其中，光栅结构为倾斜光栅结构，倾斜光栅结构与基底结构之间的夹角小于45°，光栅结构的光栅周期小于1.5倍入射波长。

这样设置使得光栅结构是倾斜光栅，通过将光栅结构设置成倾斜光栅能够极大的提高0°附近入射条件下光栅1级衍射效率，考虑到实际工艺制作能力，光栅的倾斜角度越大，实际制作越困难，形貌也越难保证，因此将倾斜光栅结构与基底结构之间的夹角设置成45°以下容易制作，而衍射角由入射波长和光栅周期决定，当周期较小时才能保证经光栅耦入进波导的光可以通过全反射形式在平面波导内传播。通过将光栅结构的周期限制在1.5倍入射波长，能够实现1级(比如-1级或者+1级)衍射光宽角度高效率衍射，并通过多层材料折射率渐变形式，减小各个界面中反射能量，进而提高最终衍射效率。在本申请中的多层光栅结构的入射角在±15°内入射条件下，光栅1级或者-1级的衍射效率大于85％。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的实施例一的多层光栅结构的结构示意图；以及

图2示出了图1中多层光栅结构的1级衍射效率随入射角变化曲线；

图3示出了本发明的实施例二的多层光栅结构的结构示意图；

图4示出了本发明的实施例三的多层光栅结构的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、基底结构；20、光栅结构；21、第一光栅层；22、第二光栅层；23、第三光栅层；30、残余层；105、入射光；106、1级衍射光；107、0级衍射光；108、-1级衍射光。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

为了解决现有技术中光栅结构存在衍射效率不均匀的问题，本发明提供了一种多层光栅结构。

如图1至图4所示，多层光栅结构包括基底结构10和光栅结构20，光栅结构20与基底结构10连接，光栅结构20为多个，多个光栅结构20间隔设置，光栅结构20包括至少两个光栅层，且相邻两个光栅层的折射率不同；其中，光栅结构20为倾斜光栅结构，倾斜光栅结构与基底结构10之间的夹角小于45°，光栅结构20的光栅周期小于1.5倍入射波长。

这样设置使得光栅结构20是倾斜光栅，通过将光栅结构20设置成倾斜光栅能够极大的提高0°附近入射条件下光栅1级衍射效率，考虑到实际工艺制作能力，光栅的倾斜角度越大，实际制作越困难，形貌也越难保证，因此将倾斜光栅结构与基底结构10之间的夹角设置成45°以下容易制作，而衍射角由入射波长和光栅周期决定，当周期较小时才能保证经光栅耦入进波导的光可以通过全反射形式在平面波导内传播。通过将光栅结构20的周期限制在1.5倍入射波长，能够实现1级(比如-1级或者+1级)衍射光宽角度高效率衍射，并通过多层材料折射率渐变形式，减小各个界面中反射能量，进而提高最终衍射效率。在本申请中的多层光栅结构的入射角在±15°内入射条件下，光栅1级或者-1级的衍射效率大于85％。

需要说明的是，在光波导中，由于观测者需要与镜面垂直或小角度观测，因此耦入也需要垂直或小角度(这里角度范围与视场角有关)光栅耦入(由于光栅对的使用，耦入光的角度与耦出光的角度相同)，通过将光栅结构20设置成倾斜光栅结构，可以极大的提高0°附近入射条件下光栅1级衍射效率。

具体的，光栅层为多个时，多个光栅层的折射率的中间的光栅层为中间层，中间层的折射率最高，且多个光栅层的折射率向远离中间层的方向逐渐递减，其中，中间层与空气之间的光栅层的折射率大于等于空气的折射率且小于中间层的折射率；中间层与基底结构10之间的光栅层的折射率大于等于基底结构10的折射率且小于中间层的折射率。这样设置能够降低光栅结构20与入射介质之间的折射率的差值，减少入射介质与光栅结构20之间的折射率的突变，能够有效提高光栅结构20的透射率。这样设置还可以减少光栅结构20与基底结构10之间的折射率的突变，能够有效提高光栅结构20的透射率。

本申请中的多层光栅结构能够有效提高光栅在较大角度范围内的角度均匀性、以有效提高光栅在整个角度范围内的平均衍射效率、可以有效提高光栅制作的容差范围。

本实施例中的多层光栅结构，能够实现1级(比如-1级或者+1级)衍射光宽角度高效率衍射。通过多层光栅层之间折射率渐变的形式，能够减小各个界面中的反射能量，进而提高最终衍射效率。多层光栅层结构设计自由度高等优势，提高光栅整体性能。可先通过例如沉积技术、镀膜技术、或者喷镀技术等工艺方法制作多层结构，再通过刻蚀、纳米压印、电子束直写、磁控溅射等工艺方法去掉光栅多余部分，制作倾斜多层光栅结构。

本申请中的多层光栅结构的光栅层可以是由多种不同折射率的材料制成，光栅层可以是两层，三层，四层或者更多层。多层光栅结构的排布规律符合光栅层中的中间层折射率最高，上匹配层折射率介于空气和中间层之间，下匹配层折射率介于中间层和基底结构10。本申请中的多层光栅结构可实现在0°角左右较大范围内实现较为均匀高效率输出。

需要说明的是，当然还可以是±15°，±20°，或者更大范围内实现较为均匀高效率输出。

实施例一

在图1所示的具体实施例中，沿垂直于基底结构10的方向光栅结构20的光栅层中远离基底结构10的光栅层为第一光栅层21，与第一光栅层21连接的光栅层为第二光栅层22，第一光栅层21的折射率小于第二光栅层22的折射率。这样设置能够降低光栅结构20与入射介质之间的折射率的差值，减少入射介质与光栅结构20之间的折射率的突变，能够有效提高光栅结构20的透射效率，同时还能够有效提高角度带宽和效率。

需要说明的是，在现有的单层光栅中，当光从入射介质入射到光栅中时，由于入射介质和光栅之间的界面折射率变化较大，导致光栅反射能量较强，同时何止第一光栅层21能够有效减少第二光栅层22与入射介质之间折射率的突变，能够有效提高光栅结构20的透射效率。同时通过设置第一光栅层21能够有效提高角度带宽和效率。

需要说明的是，在本是实施例中，通过设置匹配层第一光栅层21，能够有效减少第二光栅层22与入射介质之间折射率的突变，能够有效提高光栅结构20的透射效率。在中间层与空气之间的光栅层均为匹配层，匹配层的设置能够减少中间层与空气之间折射率的突变。

具体的，倾斜光栅结构的截面面积向远离基底结构10的方向逐渐减小。这样设置便于倾斜光栅结构的制作，降低了制作难度。

具体的，第一光栅层21的折射率大于等于1.45且小于等于2.9，第一光栅层21的深度大于等于10nm且小于等于600nm。这样设置使得第一光栅层21的折射率能够介于第二光栅层22的折射率与入射介质的折射率之间，减少光栅结构20与入射介质两个界面的折射率突变，大大降低了光栅结构20的反射。而将第一光栅层21的深度限制在10nm至600nm之间，使得第一光栅层21便于制作。

需要说明的是，第一光栅层21的具体的折射率与第二光栅层22的折射率的大小有关。

可选地，第一光栅层21的材料包括氮化硅、氮氧化硅、二氧化钛、二氧化铈、氧化铝、五氧化二钽、二氧化硅、掺杂二氧化硅、硼磷酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、聚合物、氧化铍、氟化钙、氟化铈、冰晶石、氟化铬、氟化镧、氟化锶、氟化镱中的一种。第一光栅层21作为匹配层，第一光栅层21能够有效降低由入射区域(比如空气)经光栅结构20衍射过程中入射区域与光栅区域界面折射率差值较大而导致的强反射能量。

具体的，第二光栅层22的折射率大于等于1.5且小于等于4.8。第一光栅层21的折射率位于第二光栅层22的折射率与入射介质的折射率之间，减少了入射介质与光栅结构20之间折射率的差值，能够有效降低反射。在本实施例中第二光栅层22作为功能层，主要起衍射作用，折射率需要大于第一光栅层21。

具体的，第二光栅层22的深度大于等于10nm且小于等于1um。将第二光栅层22的深度限制在10nm至1um的范围内，便于第二光栅层22的制作。

可选地，第二光栅层22的材料包括硅、掺杂硅、氮化硅、二氧化硅、二氧化钛、二氧化铬、氧化铝、五氧化二钽、铝氮氧化物、二氧化铈、锗、掺杂锗、氧化铪、氧化镁、氧化钕、氧化镨、氧化钪、硒化锌、硫化锌、氧化锆中的一种。第二光栅层22是光栅结构20中最核心的光栅功能层，能够有效调控光场，使得大部分能量集中到所期望的级次上去，比如1级。功能层的折射率一般较高，在相同占空比，相同深度的情况下相比于低折射材料的光栅层，高折射率的光栅层对光的调制能量更强。

在图1所示的具体实施例中，光栅结构20包括三层光栅层，光栅层中与基底结构10连接的为第三光栅层23，第三光栅层23的折射率小于第二光栅层22的折射率，基底结构10的折射率小于第三光栅层23的折射率。这样设置能够减少光栅结构20与基底结构10之间的折射率，能够有效减少了反射能量，增大了光栅结构20的衍射效率。

具体的，基底结构10的折射率大于等于1.4且小于等于2.9。高折射率基底材料可以有效提高K-域范围，进一步提高光波导的视场角大小。

具体的，基底结构10的材料包括二氧化硅、掺杂二氧化硅、硼磷酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、氮化硅、氮氧化硅、二氧化钛TiO2、二氧化铈、氧化铝、五氧化二钽、聚合物中的一种。基底结构10用于传输光线或者图像或者通信信号等。基底结构10为透明低损耗材料制作的。

如图1所示，入射光105具有一定角度范围(例如±15°，±20°，或者更大)，经多层光栅结构衍射后，衍射光为1级衍射光106，0级衍射光107，和-1级衍射光108。且1级衍射光106可在基底结构10中通过全反射形式传播。该多层光栅结构为倾斜光栅结构，且左右两倾角可以不相等，也可以相等。

在图1所示的具体实施例中，第一光栅层21为二氧化硅材料折射率为1.47、第二光栅层22为二氧化钛材料折射率为2.45、第三光栅层23为Si3N4材料折射率为2.06、基底结构10为折射率1.7的高折玻璃材料。

图2为图1中结构的多层光栅结构的1级衍射效率随入射角变化曲线。图2中我们可以看出，光栅入射角在±15°下都可以实现85％以上的效率输出。具有较高衍射效率和较好的角度均匀性。

实施例二

与实施例一的区别是，光栅结构20仅具有两个光栅层，同时光栅结构20与基底结构10之间还具有残余层。

在图3所示的具体实施例中，光栅层仅具有第一光栅层21和第二光栅层22，第二光栅层22作为功能层，折射率是多层光栅层中最高的。

在图3所示的具体实施例中，多层光栅结构还包括残余层30，残余层30设置在基底结构10与光栅结构20之间。残余层30可以纳米压印过程中的残胶层，也可以采用沉积技术、镀膜技术、喷涂技术单独制作一层残余层。残余层虽然是工艺难以消除，但是残余层并不会降低光栅结构20的性能，还会对光栅结构20的性能有一定的提升。

实施例三

与实施例一的区别是，本实施例中具有残余层30。

在图4所示的具体实施例中，多层光栅结构还包括残余层30，残余层30设置在基底结构10与光栅结构20之间。残余层30可以纳米压印过程中的残胶层，也可以采用沉积技术、镀膜技术、喷涂技术单独制作一层残余层。残余层虽然是工艺难以消除，但是残余层并不会降低光栅结构20的性能，还会对光栅结构20的性能有一定的提升。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多层光栅结构，其特征在于，包括：

基底结构(10)；

光栅结构(20)，所述光栅结构(20)与所述基底结构(10)连接，所述光栅结构(20)为多个，多个所述光栅结构(20)间隔设置，所述光栅结构(20)包括至少两个光栅层，且相邻两个所述光栅层的折射率不同；

其中，所述光栅结构(20)为倾斜光栅结构，所述倾斜光栅结构与所述基底结构(10)之间的夹角小于45°，所述光栅结构(20)的光栅周期小于1.5倍入射波长。

2.根据权利要求1所述的多层光栅结构，其特征在于，沿垂直于所述基底结构(10)的方向所述光栅结构(20)的光栅层中远离所述基底结构(10)的光栅层为第一光栅层(21)，与所述第一光栅层(21)连接的光栅层为第二光栅层(22)，所述第一光栅层(21)的折射率小于所述第二光栅层(22)的折射率。

3.根据权利要求1所述的多层光栅结构，其特征在于，所述倾斜光栅结构的截面面积向远离所述基底结构(10)的方向逐渐减小。

4.根据权利要求2所述的多层光栅结构，其特征在于，所述第一光栅层(21)的折射率大于等于1.45且小于等于2.9，所述第一光栅层(21)的深度大于等于10nm且小于等于600nm。

5.根据权利要求2所述的多层光栅结构，其特征在于，所述第一光栅层(21)的材料包括氮化硅、氮氧化硅、二氧化钛、二氧化铈、氧化铝、五氧化二钽、二氧化硅、掺杂二氧化硅、硼磷酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、聚合物、氧化铍、氟化钙、氟化铈、冰晶石、氟化铬、氟化镧、氟化锶、氟化镱中的一种。

6.根据权利要求2所述的多层光栅结构，其特征在于，

所述第二光栅层(22)的折射率大于等于1.5且小于等于4.8；和/或

所述第二光栅层(22)的深度大于等于10nm且小于等于1um；和/或

所述第二光栅层(22)的材料包括硅、掺杂硅、氮化硅、二氧化硅、二氧化钛、二氧化铬、氧化铝、五氧化二钽、铝氮氧化物、二氧化铈、锗、掺杂锗、氧化铪、氧化镁、氧化钕、氧化镨、氧化钪、硒化锌、硫化锌、氧化锆中的一种。

7.根据权利要求2所述的多层光栅结构，其特征在于，所述光栅结构(20)包括三层所述光栅层，所述光栅层中与所述基底结构(10)连接的为第三光栅层(23)，所述第三光栅层(23)的折射率小于所述第二光栅层(22)的折射率，所述基底结构(10)的折射率小于所述第三光栅层(23)的折射率。

8.根据权利要求2所述的多层光栅结构，其特征在于，

所述基底结构(10)的折射率大于等于1.4且小于等于2.9；和/或

所述基底结构(10)的材料包括二氧化硅、掺杂二氧化硅、硼磷酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、氮化硅、氮氧化硅、二氧化钛TiO2、二氧化铈、氧化铝、五氧化二钽、聚合物中的一种。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的多层光栅结构，其特征在于，所述光栅层为多个时，多个所述光栅层的折射率的中间的所述光栅层为中间层，所述中间层的折射率最高，且多个所述光栅层的折射率向远离所述中间层的方向逐渐递减，其中，

所述中间层与空气之间的所述光栅层的折射率大于等于空气的折射率且小于所述中间层的折射率；

所述中间层与基底结构(10)之间的所述光栅层的折射率大于等于所述基底结构(10)的折射率且小于所述中间层的折射率。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的多层光栅结构，其特征在于，所述多层光栅结构还包括残余层(30)，所述残余层(30)设置在所述基底结构(10)与所述光栅结构(20)之间。

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