CN116507851A - 具有模间耦合的平板波导和投射器 - Google Patents

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Abstract

一种紧凑型准直器或投射器包括波导(900)，该波导具有支持至少两种横向传播模式的板芯结构(908)。耦入第一模式(911)中的光束(105)传播到波导(900)的边缘(931)，在该边缘处，光束被反射器(921)反射以传播回来。在来回传播时，光被转换成第二模式(912)。提供耦出区域(914)，例如倏逝耦合器，以将在第二模式下传播的光耦出。反射器(921)可以具有对耦出光束进行准直的聚焦能力。光束可以从第一模式转换成第二模式，而不从反射器反射。

Description

具有模间耦合的平板波导和投射器
技术领域
本公开涉及基于波导的光学设备，尤其涉及可用于显示图像、遥感等的准直器和投射器。
背景技术
视觉显示器用于向(一个或多个)观看者提供信息，包括静止图像、视频、数据等。视觉显示器在各种领域都有应用，仅举几个例子，这些领域包括娱乐、教育、工程、科学、专业培训、广告。一些可视显示器(例如，电视机)向多个用户显示图像，而一些可视显示系统旨在用于个体用户。头戴式显示器(head mounted display，HMD)、近眼显示器(near-eyedisplay，NED)等正越来越多地用于向个体用户显示内容。由HMD/NED显示的内容包括虚拟现实(virtual reality，VR)内容、增强现实(augmented reality，AR)内容、混合现实(mixed reality，MR)内容等。所显示的VR/AR/MR内容可以是三维(3D)的以增强体验，并且对于AR/MR应用，将虚拟对象与由用户同时观察到的真实对象进行匹配。
头戴式显示器需要紧凑型显示设备。因为NED的显示单元通常穿戴在用户的头部上，所以大型的、体积庞大且笨重的、不平衡的、和/或重型的显示设备对于用户穿戴而言将是麻烦的且可能是不舒服的。紧凑型显示设备需要紧凑型光源和图像投射器。
发明内容
根据本公开，提供了一种波导，该波导包括：板芯结构、输入端口、第一反射器以及耦出区域；该板芯结构支持第一光学传播模式和第二光学传播模式；该输入端口用于接收光束以在该第一光学模式下传播；该第一反射器耦接到该板芯结构，用于使该光束反射以传播回到该板芯结构；该耦出区域用于将由该第一反射器反射的光束耦出；其中，该波导被配置用于该光束在该板芯结构中传播时并且从该第一反射器反射时从第一光学模式转换成第二光学模式，由此该光束的至少一部分在该耦出区域从该波导耦出。该耦出区域可以被配置用于将在该第二光学模式下传播的光耦出。该第一反射器可以具有用于对在该输入端口处接收的光束进行至少部分准直的光学能力。该准直是该板芯结构的平面中进行的。该耦出区域可以包括倏逝的耦出器。
在一些实施例中，该板芯结构包括平行的倏逝耦接的第一板芯和第二板芯，该第一板芯和该第二板芯在该波导的厚度方向上彼此偏移一定距离，在该距离下，当从该第一反射器反射的光束到达该耦出区域时，该光束的主要部分从在该第一板芯中传播的该第一光学模式转换成在该第二板芯中传播的该第二光学模式。
在该板芯结构包括平行的倏逝耦接的第一板芯和第二板芯的一些实施例中，该第一板芯是单模板芯，并且该第二板芯包括顺序耦接的具有不同有效折射率的第一板部分和第二板部分。该第一部分耦接到该第一反射器，并且第二板部分耦接到该耦出区域。该第一板芯和该第二板芯可以在该波导的厚度方向上彼此偏移一定距离，在该距离下，当从该第一反射器反射的光束到达该第二板芯的第二部分时，该光束的主要部分从在该第一板芯中传播的该第一光学模式转换成在该第二板芯的第一部分中传播的该第二光学模式。
在该板芯结构包括平行的第一板芯和第二板芯的一些实施例中，该第一反射器包括光学耦合的第一倾斜反射器和第二倾斜反射器；该第一倾斜反射器耦接到该第一板芯，用于将在该第一板芯中传播的光束反射到该第二倾斜反射器；并且该第二倾斜反射器耦接到该第二板芯，用于将由该第二倾斜反射器反射的光束耦入该第二板芯中。在一些实施例中，该第一板芯包括靠近该第一反射器的第一衍射性反射器，并且该第二板芯包括靠近该第一反射器的第二衍射性反射器，该第二衍射性反射器设置于该第一衍射性反射器上方并且光学耦合到该第一衍射性反射器。
在一些实施例中，该板芯结构包括少模波导，其中，第一模式是该少模波导的零阶模式，并且第二模式是该少模波导的更高阶模式。该第一反射器可以包括阶梯状部，该阶梯状部用于为从该第一反射器反射的光的一部分提供半波相移，由此该光束的至少一部分在从该第一反射器反射时从该零阶模式转换成该更高阶模式。该第一反射器可以包括衍射性反射器，该衍射性反射器耦接到该少模波导或形成在该少模波导中，并且该衍射性反射器被配置成将该光束的至少一部分在从该衍射性反射器反射时从该零阶模式转换成该更高阶模式。该衍射性反射器可以具有间距P＝λ/(n0 eff+n1 eff)，其中，λ是该光束的波长，n0 eff是针对该零阶模式的有效折射率，n1 eff是针对该更高阶模式的有效折射率。
在本公开的一些实施例中，该板芯结构还支持第三光学传播模式，该波导还包括第二反射器，该第二反射器耦接到该板芯结构，用于反射由该第一反射器反射的光束以朝向该第一反射器传播回来。该耦出区域可以被配置用于将在第三光学模式下传播的光耦出。该波导可以被配置用于该光束在从该第二反射器反射时并且在该板波导结构中传播时从该第二光学模式转换成该第三光学模式，由此该光束的至少一部分在该耦出区域从该波导耦出。该第一反射器和该第二反射器为具有用于对在该输入端口处接收的光束进行准直的光学能力的同轴的曲面反射器。该板芯结构可以包括平行的倏逝耦接的第一板芯、第二板芯和第三板芯，平行的倏逝耦接的第一板芯、第二板芯和第三板芯在该波导的厚度方向上彼此偏移一定距离，在该距离下，当从该第一反射器反射的光束到达该第二反射器时，该光束的主要部分从在该第一板芯中传播的该第一光学模式转换成在该第二板芯中传播的该第二光学模式；并且当从该第二反射器反射的光束到达该耦出区域时，该光束的主要部分从在该第二板芯中传播的该第二光学模式转换成在该第三板芯中传播的该第三光学模式。并且，在该板芯结构包括少模波导的实施例中，该第一反射器可以包括第一衍射性反射器，该第一衍射性反射器耦接到该少模波导或形成在该少模波导中，并且该第一衍射性反射器被配置成将该光束的至少一部分在从该第一衍射性反射器反射时从该零阶模式转换成该第二模式；并且该第二反射器可以包括第二衍射性反射器，该第二衍射性反射器耦接到该少模波导或形成在该少模波导中，并且该第二衍射性反射器被配置成将该光束的至少一部分在从该第二衍射性反射器反射时从该第二模式转换成第三模式。
根据本公开，提供了一种波导，该波导包括板芯结构、输入端口和耦出区域，该板芯结构支持第一光学传播模式和第二光学传播模式，该板芯结构包括模间耦合器，该模间耦合器用于在光束在该模间耦合器中传播时将该光束从该第一光学模式转换成该第二光学模式；该输入端口位于该模间耦合器的上游，用于接收光束以在该板芯结构中在第一光学模式下传播；该耦出区域位于该模间耦合器的下游，用于将在该第二光学模式下传播的光耦出。该模间耦合器可以包括以下至少之一：用于对该光束进行准直或散焦的光学能力；或像差校正能力。在一些实施例中，该第一光学模式和该第二光学模式具有不同的有效折射率，并且该模间耦合器包括在该板芯结构的平面中成形的光栅，使得该光束的不同光线在该板芯结构的平面中从该输入端口到该光栅具有不同的光路长度。
根据本公开，还提供了一种投射器，该投射器包括用于提供光束的光源阵列和任何本文公开的波导。
附图说明
现在将结合附图描述示例，在附图中：
图1A和图1B为具有单个反射器的波导的侧截面视图，这些视图分别示出光束在板芯结构(slab core structure)中的正向传播和反向传播，其中，该板芯结构包括一对倏逝耦接的芯(evanescently coupled core)；
图2A和图2B为波导的侧截面视图，这两个侧截面视图分别展示了光束在板芯结构中的正向传播和反向传播，该板芯结构包括一对倏逝耦接的芯，其中，这些芯中的一个芯具有多模芯部分；
图3为波导的侧截面视图，展示了光束在双芯结构(dual-core structure)中的正向传播和反向传播，在该双芯结构中，各个芯通过转向镜进行光学耦合；
图4为波导的侧截面视图，示出了光束分别在双芯结构中的正向传播和反向传播，在该双芯结构中，各个芯由衍射性反射器耦接；
图5A为波导的侧截面视图，示出了光束分别在少模芯结构(few-mode corestructure)中的正向传播和反向传播，该少模芯结构在波导的远边处耦接到阶梯式反射器；
图5B为波导的侧截面视图，示出了光束分别在少模芯结构中的正向传播和反向传播，该少模芯结构在波导的远边处耦接到衍射性反射器；
图6A为光束在少模芯结构中的波导传播的侧截面视图，该少模芯结构包括具有光学能力(optical power)的模间耦合器；
图6B为图6A的波导的平面图；
图7A为具有单个反射器的波导的平面光线跟踪图；
图7B为图7A的波导针对不同场角(field angle)的光学传递函数(OTF，opticaltransfer function)的绘图；
图8A为具有一对相对的同轴反射器的波导的平面光线跟踪图；
图8B为图8A的波导针对不同场角的光学传递函数(OTF)的绘图；
图9A、图9B和图9C为具有一对相对边缘反射器的波导的侧截面视图，这些视图分别示出了光束在板芯结构中的正向传播、反向传播和第二正向传播，该板芯结构包括三个倏逝耦接的芯；
图10为波导的侧截面视图，示出了光束在少模芯结构中的正向传播和反向传播，该少模芯结构耦接到一对相对的衍射性反射器；
图11A为图1A和图1B的波导的示例性折射率图；
图11B为针对图11A的波导配置计算的辐照度图；
图11C为针对图11A的波导配置计算的远场角辐照度分布图；
图11D和图11E分别为由图11A的折射率图中示出的检测器1和2接收的辐照度的光谱图；
图12A为图5的波导的示例性折射率图；
图12B为针对图12A的波导配置计算的辐照度图；
图12C为针对图12A的波导配置计算的远场角辐照度分布图；
图13A为图5B的波导的示例性折射率图；
图13B为针对图13A的波导配置计算的辐照度图；
图13C为针对图13A的波导配置计算的远场角辐照度分布图；
图14为根据本公开的用于将光准直的方法的流程图；以及
图15为本公开的具有一副眼镜的形状要素的近眼显示器的视图。
具体实施方式
虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但是不旨在将本教导限于这样的实施例。相反，本教导涵盖如本领域技术人员将理解的各种替代物和等同物。本文中引用本公开的原理、方面和实施例以及其具体示例的陈述旨在涵盖其结构等同物和功能等同物。另外，这样的等同物旨在包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物，即所开发的用于执行相同功能的任何元件，而不管结构如何。
如本文所使用的，除非明确说明，否则术语“第一”和“第二”等不旨在暗示顺序排序，而是旨在将一个元件与另一元件区分开。类似地，除非明确说明，否则方法步骤的顺序排序并不暗示这些方法步骤执行的顺序次序。
许多类型的显示器、特别是穿戴式显示系统需要紧凑型准直光源。阵列式光源(即，包括发射器阵列的光源，每个发射器提供具有取决于发射器在阵列中的位置的光束角度的准直光束)可以用于近眼显示器的紧凑型投射器系统。将准直器与点光源阵列(例如，马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)阵列、数字微镜设备(digitalmicromirror device，DMD)、液晶(liquid crystal，LC))相结合使得能够构建用于例如感测应用的一维(one-dimensional，1D)投射器。此外，这种1D投射器与扫描元件(例如，与可调谐波长光源组合的微机电系统(microelectromechanical system，MEMS)反射镜或色散元件)的组合使得能够构建用于视觉显示应用的2D投射器。
即使在使用传统的自由空间柱面光学器件时，1D准直器也可以制得比2D准直器更加紧凑。例如，10×10×10mm的准直器将是体积庞大且笨重的，而无法放入大多数移动设备中，而10×10×1mm的设备(根据取向)针对集成到移动电话或其他紧凑型移动设备中不会构成严重问题。因此，安装在移动设备内的1D准直器对可达到的视场(field of view，FOV)、适眼区大小、有效焦距(effective focal length，EFL)、点光源的间距的限制要比2D准直器小得多。
根据本公开，可以使用单模或少模平板(平面)波导来创建1D准直器。由于光被限制在约0.2μm至2μm厚的单层中，这种准直器可能非常薄、体积和质量都很小，特别是在结合到其他用于机械支撑的平坦功能部件时是如此的。由于在波导厚度方向的光限制，光束不会扩散(衍射)到平面外，这是导致自由空间柱面准直器的厚度增加的物理效应。此外，使用例如光栅或棱镜使来自平板波导的光的逐渐耦出使得能够形成大面积的光瞳，同时仍保持较小的形状要素。举例来说，平板波导可以在厚度仍然小于2mm的情况下产生2×2mm的光瞳。最后，与其他类型的集成光学器件一样，平板波导的优点是，即使是复杂的自由形状光学器件也可以很容易地使用光刻技术制造出来。
平板波导可以在波导的平面中包括具有光学能力(即聚焦能力或散焦能力)的各种元件。这些光学元件可以是折射性的、反射性的、或衍射性的。可以通过部分蚀刻芯层来形成折射性光学元件。这改变了导致折射的导向光学模式的有效折射率，而光仍然被限制在波导内。刻蚀区域与未刻蚀区域之间的过渡需要是渐进的，以避免光损失到平面外。这可以例如通过使用灰调蚀刻和/或通过使用亚波长二元结构来实现。反射性光学元件可以通过使用深蚀刻以及随后的壁金属化来形成。此方法还可以实现路径折叠，从而减小元件的最长尺寸。衍射性光学元件既可以以反射方式工作，也可以以透射方式工作，并且也可以通过蚀刻形成。
从光学像差的角度来看，包括反射器在内的光学元件优选地可以是同轴(on-axis)的。只要反射镜的轴线与光轴一致，构造出适用于相当大的FOV的反射镜就很简单。直列式同轴反射镜配置提供了最佳的光学性能。除了获得良好的光学性能外，这种构造还减小了光学器件的尺寸，特别是在使用多于一个反射器的情况下是如此的。然而，为了使同轴反射配置工作，波导需要被配置成将反射光与入射光分离。
根据本公开，平板波导可以被配置成在从(一个或多个)反射器反射后在不同横向传播模式之间转移光能。这可以通过几种方式来实现，这些方式包括提供耦接的多个芯，具有模间耦合器的少模或多模平板波导芯等。模式转移可以经由倏逝耦接、多模干涉、反射模式耦出器、衍射模式耦出器等来实现。
参考图1A和图1B，波导100包括板芯结构108，该板芯结构108可以由衬底110支撑。反射器121耦接到板芯结构108。在该示例中，反射器121设置在波导10的边缘131处。耦出区域114设置在板芯结构108的上方以用于将在波导100中的传播的光耦出。光源阵列102可以耦接到波导100的输入端口104。耦接到波导100的光源阵列102可以用作1D投射器，该1D投射器扫描光束或提供角域中的一行图像。光源阵列102可以包括发射器阵列，例如超发光LED(superluminescent LED，SLED)阵列或激光二极管(laser diode，LD)阵列、或点光源阵列，点光源阵列例如是光学耦合到单个发射器或光源的微镜、耦接到单个发射器或光源的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)阵列等。
板芯结构108包括平行的倏逝耦接的第一板芯141和第二板芯142(例如，单模芯或少模芯)，该第一板芯和该第二板芯在波导100的厚度方向上(即，沿着图1A和图1B中的Z轴)彼此偏移。板芯结构108支持耦入光在第一芯141中的第一光学传播模式111以及在第二芯142中的第二光学传播模式112。在运行中，光源阵列102发射至少一个光束105(图1A)，该至少一个光束在输入端口104处耦合到第一光学模式111中。光束105朝向波导100的边缘131传播。反射器121使光束105反射以传播回到板芯结构108(图1B)。波导100被配置成当光束105在板芯结构108中朝向反射器121传播并从反射器121反射之后返回时，将光束105从第一光学模式111转换为第二光学模式112。模间转换用虚线箭头115表示。为了提供从第一光学模式111到第二光学模式112的所需的光能耦合，第一板芯141和第二板芯142可以彼此偏移一定距离(间隔)，在该距离下，当从反射器121反射的光束105到达耦出区域114时，光束105的主要部分(例如，至少50％、60％、70％、80％、90％或更多)从在第一板芯141中传播的第一光学模式111转换成在第二板芯142中传播的第二光学模式112。要注意的是，光束105从第一光学模式111到第二光学模式112的转换沿着光束105从输入端口104传播到反射器121(即，在X轴的正方向上)并返回到耦出区域114(即，在X轴的负方向上)的整个光路发生。
耦出区域114的功能是将在本示例中以第二光学模式112(即，在第二板芯142中)传播的光束105的至少一部分125从波导100耦出。耦出区域114可以包括例如耦接到第二板芯142的耦出器。耦出器可以包括光学元件，例如棱镜、透明板、棱柱形反射镜、衍射光栅等。反射器121可以具有光学能力，即在这种情况下的聚焦能力，以用于将在输入端口104处接收的光束105在板芯结构的平面(即，图1A和图1B中的XY平面)中至少部分地进行准直。对耦出区域114、反射器121、以及波导100的整体运行的上述描述也适用于在本公开中考虑的所有波导变体。
当光源阵列102的光源通电时，每个光源提供的光束被反射器121准直，从而以特定于该特定光源的角度传播。经准直的光束一起形成源自耦出区域114的一扇光束，该扇光束的每个光束的亮度可以单独调节。这可以用于各种应用，包括图像投影、遥感、直接光束扫描、照明系统、基于MEMS的扫描仪、3D成像等。对于成像应用，所产生的一扇光束对应于角域中的图像的一条线。还应注意的是，本公开中描述的所有投射器和波导旨在作为波导结构的非限制性说明。许多其他应用是可能的，例如针对从微型投射器和平面准直器到显示器用的背光单元、直接混合现实(MR)显示器、传感器、扫描仪等的多种应用的颜色过滤、色散工程、光束准直、像差校正等。
转到图2A和图2B，波导200类似于图1A和图1B中的波导100，并且包括类似的元件，例如由衬底210支撑的板芯结构208、在波导200的边缘231处耦接到板芯结构208的反射器221、以及位于板芯结构208上方的耦出区域214。
板芯结构208包括平行的倏逝耦接的分别支持第一光学传播模式211和第二光学传播模式212的第一板芯241和第二板芯242。第一板芯241是单模板芯，第二板芯242包括厚度不同的被耦接的第一板芯部242A和第二板芯部242B。第一板芯部242A的厚度使得在第一板芯部242A中传播的光学模式的有效折射率与在第一板芯241中传播的光学模式的有效折射率匹配，从而实现了两个波导之间的耦接。第二板芯部242B的厚度是不同的(更高或更低)，从而由于有效折射率的失配而阻止了与第一板芯241的有效光交换。
第一板芯部242A耦接到反射器221，并且第二板部242B耦接到耦出区域214。为了提供从第一光学模式211到第二光学模式212的光能耦合，第一板芯241和第二板芯242在波导200的厚度方向上(即，图2A和图2B中的Z方向上)彼此偏移一定距离，在该距离下，当从反射器221反射的光束105到达第二板芯242的第二部242B时，光束105的主要部分(例如，至少50％、60％、70％、80％、90％或更多)从在第一板芯241中传播的第一光学模式211转换成在第二板芯242的第一部242A中传播的第二光学模式212。模式转换主要发生在平板波导241与第一平板波导部242A之间，这是因为模式转换需要匹配波导模式之间的有效折射率。由于有效折射率失配，在平板波导241与第二平板波导部242B之间基本上没有转换。这使得能够减少光从第一光学模式211到第二光学模式212直接从耦出区域214下方泄露，使得由耦出区域214耦出的光部分125主要包括已经行进到反射器221并返回的光。
参考图3，波导300类似于图1A和图1B的波导100以及图2A和图2B的波导200，并包括类似的元件。图3的波导300包括输入端口304、由衬底310支撑的板芯结构308、以及在波导300的边缘331处耦接到板芯结构308的边缘反射器321。耦出区域314设置在板芯结构308上方。
板芯结构308包括平行的第一板芯341和第二板芯342。边缘反射器321包括光学耦合的第一倾斜反射器351和第二倾斜反射器352。第一倾斜反射器351耦接到第一板芯341，用于将在第一板芯341中传播的光束105反射到第二倾斜反射器352。第二倾斜反射器352耦接到第二板芯，用于将由第二倾斜反射器352反射的光束105耦入第二板芯342中。在运行中，光源阵列102发射单个光束105或多个光束105，每个光束对应于阵列102的特定光源。光束105在输入端口304处耦入第一平板波导341中，在第一平板波导341中传播，由第一倾斜反射器351朝向第二倾斜反射器352反射，并由第二倾斜反射器352反射到第二平板波导342中，在第二平板波导342中传播，并且光束105的至少一部分125在耦出区域314处耦出。第一反射器351和/或第二反射器352可以在XY平面中弯曲，即可以在XY平面中具有用于对光束部分125进行至少部分准直的光学能力。
现在参考图4，波导400类似于先前考虑的波导100、200和300，使用了衍射性反射器；来代替倾斜的反射镜以在芯层之间耦合光。图4的波导400包括耦接到输入端口404的光源阵列102、由衬底410支撑的板芯结构408、以及设置于板芯结构408上方的耦出区域414。
板芯结构408包括平行的第一板芯441和第二板芯442。第一板芯441包括第一衍射性反射器461。选择第一衍射性反射器461的参数(例如，光栅对比度、间距、倾斜角度等)以使光束105向上(即，在波导400的厚度方向上朝向第二板芯442)耦出。第二板芯442包括第二衍射性反射器462，该第二衍射性反射器靠近例如边缘431设置，并且设置在第一衍射性反射器461上方并且光学耦合到第一衍射性反射器461。选择第二衍射性反射器462的参数(例如，光栅对比度、间距、倾斜角度等)，以将由第一衍射性反射器461重定向的光束105在朝向耦出区域414的方向上耦入第二板芯442中。贯穿本申请使用的术语“衍射性反射器”可以包括例如布拉格光栅、超表面结构、亚波长光栅、光子晶体(Photonic Crystal，PhC)、PhC腔体等。
在运行中，光源阵列102发射至少一个光束105或多个光束105，每个光束对应于阵列102的特定光源。光束105在输入端口404处耦入第一平板波导441中，在第一平板波导441中传播，由第一衍射性反射器461朝向第二衍射性反射器462重定向，并且由第二衍射性反射器462重定向以在第二平板波导442中传播。光束105在第二平板波导342中传播，并且光束105的至少一部分125在耦出区域414处耦出。第一衍射性反射器461和第二衍射性反射器462可以在XY平面中具有光学能力，即可以在XY平面中弯曲，以用于对光束部分125进行部分准直。
参考图5A，波导500A类似于先前考虑的波导100、200、300和400，并且包括相同或相似的元件。波导500包括由衬底510支撑的板芯结构508。反射器521A在波导500的边缘531处耦接到板芯结构508。反射器521A包括阶梯状部552，该阶梯状部用于为反射器521A反射的光束105的一部分提供半波相移。耦出区域514设置在板芯结构508上方。板芯结构508包括少模波导。在此处以及在说明书的其余部分中，术语“少模波导”指的是并非支持一个而是几个横向传播模式(例如，至少2、3、4、5或6个模式，但不大于12个横向模式)的波导。
在运行中，光源阵列102发射至少一个光束105或多个光束105，每个光束对应于阵列102的特定光源。在输入端口504处耦合的一个光束(或多个光束)105在板芯结构508中以第一横向模式511传播。在该示例中，第一模式511是基本或0阶横向传播模式。光束105以第一横向模式511传播，直到它从阶梯状反射器521A反射，在阶梯状反射器521A处，光束105的至少一部分从第一横向模式511转换成第二横向模式512，在这种情况下，第二横向模式512是在少模波导中的更高阶横向传播模式，例如一阶模式、二阶模式等。阶梯状反射器521A的阶梯状部552的功能是提供从第一横向光学模式到第二横向光学模式的模式转换所需的相移。可以在阶梯状反射器521A的前方设置蚀刻区域580，这是因为对于反射到第二模式512的最佳波导厚度不同于使第一光学模式511到第二光学模式512之间的耦出差最大化的波导厚度。光束105以第二光学模式512传播到耦出区域514。因为第二光学模式512在横向(即，图5中的Z方向)上更宽，所以第二光学模式512在耦出区域514处比第一(0阶)模式511更有效地实现耦出。光束105的部分125在耦出区域514处耦出。阶梯状反射器521A可以在XY平面中具有光学能力，即可以在XY平面中弯曲，以用于对光束部分125进行至少部分准直或完全准直。
现在转到图5B，波导500B是图5A的波导500的变体。图5B的波导500B包括耦接到板芯结构508或形成在板芯结构508中的衍射性反射器521B。衍射性反射器521B被配置成当从衍射性反射器521B反射时，将光束105的至少一部分从少模波导的第一横向光学模式511转换成第二横向光学模式512，在该示例中从基本或0阶模式转换成更高阶模式。耦出区域614设置在板芯结构508上方。
在运行中，光源阵列102发射至少一个光束105或多个光束105，每个光束对应于阵列102的特定光源。在输入端口504处耦合的一个或多个光束105在板芯结构508中以第一横向模式511传播。光束105以第一横向模式511传播，直到它从衍射性反射器521B反射，在该衍射性反射器处，光束105的至少一部分从第一横向模式511转换成第二横向模式512，在这种情况下，第二横向模式512是在少模波导中的更高阶横向传播模式，例如一阶模式、二阶模式等。光束105以第二光学模式512传播到耦出区域514。因为第二光学模式512受到更少的限制，或者换句话说在横向上(即，在图5B中的Z方向上)更宽，所以第二光学模式512在耦出区域514处比第一(0阶)模式511更有效地实现耦出。光束105的部分125在耦出区域614处耦出。衍射性反射器521B可以在XY平面中具有光学能力，即可以在XY平面中弯曲，以用于对光束部分125进行至少部分准直或完全准直。
模式转换可以由衍射性反射器521B通过选择由以下公式定义的光栅间距来提供：
P ＝ λ/(n0 eff + n1 eff) (1)
其中，λ是光束的波长，n0 eff是针对零阶模式的有效折射率，n1 eff是针对更高阶模式的有效折射率。
图5A和图5B的板芯结构508的各种配置是可能的。在一些示例中，板芯结构包括多模干涉(multimode interference，MMI)耦合器。可以在MMI耦合器的远侧边缘处设置反射器。在这样的配置中，MMI耦合器可以具有一定的长度和几何尺寸，以将输入端口处的注入模式转换成耦出区域处的不同且更少受限的模式，以使得耦出区域能够选择性地将更少受限模式从波导耦出。
参考图6A和图6B，波导600包括输入端口604，用于将光源阵列102发射的光束105耦入板芯结构608中的第一光学传播模式611中，该板芯结构608支持第一光学传播模式611(例如，0阶模式)以及第二光学传播模式612(例如，第一光学传播模式)。板芯结构608包括模间耦合器621，该模间耦合器621用于光束105在模间耦合器621中传播时将光束105从第一光学模式611转换成第二光学模式612。耦出区域614设置在模间耦合器621(例如，以透射方式运行的光栅耦合器)的下游，以用于耦出以第二光学模式612传播的光束105的一部分125。
在运行中，光束102耦入板芯结构608中并以第一光学模式611朝向模间耦合器621传播，模间耦合器621将光束105从第一光学模式611转换成第二光学模式612。在所示的示例中，第一光学模式611和第二光学模式612具有不同的有效折射率。模间耦合器621包括在板芯结构608的平面(即，XY平面)中成形的光栅，使得光束105的不同光线在XY平面中从输入端口604到该光栅具有不同的光路长度。例如，具体参考图6B，输入端口604与模间耦合器621之间的光路长度针对光束105的中央光线641比针对侧光线642更长。第一光学模式611的有效折射率比第二光学模式612的有效折射率高。因此，在光线到达弧形650(该弧形以输入端口604为中心)的途中，中央光线641在第一光学模式611中行进的距离将比侧光线642行进的距离更长，这将导致中央光线641以相位延迟到达弧形650，从而使得光束105在XY平面上变得更加准直。通过选择XY平面中的模间耦合器621的形状，可以提供与聚焦、散焦和/或校正光学系统的光学像差相对应的所需相位延迟功能。还应注意的是，波导600可以包括上文参考图1A、图1B至图5A、图5B所考虑的用于模间耦合用的反射性配置，且反之亦然：图1A、图1B至图5A、图5B的波导可以包括透射性模间耦合器，例如图6A和图6B的模间耦合器621。
现在将考虑图1A、图1B至图5A、图5B的波导的光学性能。首先参考图7A，本公开的波导在平面图中示出。波导700在波导700的边缘处具有曲面反射器721，曲面反射器721被配置用于对注入光进行准直。曲面反射器721表示图1A、图1B至图5A、图5B的波导100、200、300、400、500A和500B的反射器或其光栅等同物。换句话说，图7A的曲面反射器721可以被实现为反射式表面、衍射性反射器等，并且不必位于波导700A的边缘。为了确定具有单个曲面反射器的波导700A的光学性能，光线706被反向跟踪，即，从出射光瞳730处的准直状态到焦平面730处的焦点701、702、703、704和705。不同的焦点701、702、703、704和705与形成这些光点的准直光束的不同角度相对应。不同的光束角度在本文也称为“场角”。在使用光学设计软件优化了曲面反射器721的形状之后，可以通过分析曲面反射器721对不同场角的准直光束的聚焦程度来评估不同场角下的光学像差。例如，参考图7B，针对图7A的场角，相对于空间频率(以周期/毫米为单位)计算了光学传递函数(optical transfer function，OTF)的模数。不同的OTF 711、712、713、714和715分别对应于焦平面732上的焦点701、702、703、704和705。衍射极限由理想OTF曲线710表示。下表1列出了针对OTF 711、712、713、714和715的场角。
表1
焦点# 701 702 703 704 705
OTF# 711 712 713 714 715
场角(切向)，度 0 5 7 10 13.5
±13.5度的场角对应于空气中±20度的场角，这可能不足以用于大FOV近眼显示应用。
为了更好地平衡光学像差和/或增加基于波导的1D投射器的视场，可以在波导中设置第二反射器。两个反射器或它们的光栅等同物的同轴取向可以允许更好的像差平衡。图8A示出了在波导800的相对面处包括第一同轴曲面反射器821和第二同轴曲面反射器822的波导800的光学配置。类似于图7A，图8A的光线800已经被向后追踪，即，从出射光瞳830处的准直状态到焦点801、802、803、804、805、806、807、808和809。不同的焦点801至809与形成焦点801至809的准直光束的不同角度相对应。不同的光束角度也称为“场角”。通过分析第一曲面反射器821和第二曲面反射器822对不同场角下的准直光束的聚焦程度，可以评估不同场角下的光学像差。利用光学设计软件对第一曲面反射器821和第二曲面反射器822的形状进行了优化。第一曲面反射器821和第二曲面反射器822仅用作反射器的示例。也可以使用其他类型的反射器，例如衍射性反射器。
OTF计算的结果在图8B中呈现，其中已经针对空气中从-30度到+30度的范围内的场角计算了OTF模数811。对应于焦点801至809的OTF曲线靠近彼此设置，因此为简单起见，用单个附图标记811来标记。可以看到，在所有的场角下，对于±30度FOV，OTF性能非常接近由理想的OTF曲线810表示的理论上可达到的最佳的衍射受限的性能。通过在波导配置中提供类似于图6A和图6B的模间耦合器621的透射性模间耦合器，可以减轻本文考虑的两个反射器和一个反射器波导配置的光学像差。
现在将考虑双反射器波导的光学配置的示例。
首先参考图9A、图9B和图9C，波导900类似于图1A和图1B的波导100。图9A至图9C的波导900输入端口904，该输入端口用于将光105注入可选地由衬底910支撑的板芯结构908中。同轴的第一反射器921和第二反射器922在波导900的相对的第一边缘931和第二边缘932处耦接到板芯结构908。耦出区域914设置在板芯结构908上方、在第一反射器921与第二反射器922之间，用于将在板芯结构908中传播的光耦出。第一反射器921和第二反射器922可以在XY平面中弯曲以在XY平面(即，波导900的平面)中具有聚焦能力，用于对在波导900的输入端口904处接收并且在波导900的耦出区域914处耦出的光束105进行准直。第一曲面反射器921和第二曲面反射器922的同轴取向有助于减少光学像差，如上文参考图8A和图8B所示。
板芯结构908包括平行的倏逝耦接的第一板芯941、第二板芯942和第三板芯943，例如单模芯或少模芯。第一板芯941、第二板芯942和第三板芯943在波导100的厚度方向上(即，沿图9A、图9B和图9C中的Z轴)彼此偏移。板芯结构908支持耦入光在第一板芯941中的第一光学传播模式911、耦入光在第二板芯942中的第二光学传播模式912和耦入光在第三板芯943中的第三光学传播模式913。在运行中，光源阵列102的每个光源可以发射一个光束。来自不同光源的多个光束在Y方向上偏移。可以发射至少一个光束105(图9A)。光束105在输入端口904处耦入支持第一光学模式911的第一板芯941中。光束105朝向波导900的第一边缘931传播。设置在输入端口904对面的第一反射器921反射光束105以使其在板芯结构908(图9B)中朝向第二边缘932传播回来。波导900被配置成在光束在板芯结构908中朝向第一反射器921传播时(图9A)、朝向第二反射器922往回传播时(图9B)、从第二反射器922反射后朝向耦出区域914再次向前传播时(图9C)，将光束105从第一光学模式911转换成第二光学模式912并进一步转换成第三光学模式913。模间转换用虚线箭头115表示。为了提供从第一光学模式911到第二光学模式911并进一步到第三光学模式913的所需的光能耦合，第一板芯941、第二板芯942和第三板芯943可以在波导900的厚度方向上(即，在Z方向上)彼此偏移一定距离(间隔)，在该距离下，当从第一反射器921和第二反射器922反射的光束105到达耦出区域914时，光束105的主要部分(例如，至少50％、60％、70％、80％、90％或更多)从在第一板芯941中传播的第一光学模式911经由在第二板芯142中传播的第二光学模式911转换成在第三板芯943中传播的第三光学模式913。要注意的是，光束105从第一光学模式911到第二光学模式912并进一步到第三光学模式913的转换是沿着光束105从输入端口904传播到第一反射器921(即，在X轴的正方向上)、返回传播到第二反射器922(即，在X轴的负方向上)、并且传播到耦出区域914(在X轴的正方向上)的整个光路来执行的，如图9A、图9B和图9C中所示。
耦出区域914的功能是将以第三光学模式913(即，在第三板芯943中)传播的光束105的至少一部分125从波导900耦出。耦出区域914可以设置并被配置成，使从第二反射器922反射之后在第三板芯913中(即，在X轴方向上)传播的光束的部分125最大化，同时减少在第三板芯913中传播的光125’从第一反射器921向第二反射器922的不希望的耦出。耦出区域914可以包括例如倏逝耦接到第三板芯943的耦出器。耦出器可以包括光学元件(例如棱镜、透明板、棱柱形反射镜、衍射光栅等)，光学元件的折射率高于针对在第三板芯943中传播的第三光学模式913的有效折射率。第一反射器921和第二反射器922可以具有光学能力，即聚焦能力或散焦能力，用于对输入端口904处接收的光束105在板芯结构的平面中(即，在图9A、图9B和图9C中的XY平面中)进行至少部分准直。
当光源阵列102通电时，每个光源提供一束光束，该光束将被该对同轴的第一反射器921和第二反射器922准直，从而以特定于该特定光源的角度传播。当不同的光源通电时，波导900产生源自耦出区域914的一扇准直光束，每个光束在亮度和/或颜色或发射波长上是独立可调节的。
参考图10，波导1000类似于图5B的波导500B，并包括类似的元件。图10的波导1000包括输入端口1004，该输入端口用于将光源阵列102发射的光105耦入可选地由衬底1010支撑的板芯结构1008中。板芯结构1008包括支持至少第一横向传播模式、第二横向传播模式和第三横向传播模式的少模波导，该少模波导对板芯结构1008具有不同的限制程度。如图所示，第一衍射性反射器1021和第二衍射性反射器1022在波导1000的相对的第一边缘1031和第二边缘1032附近耦接到板芯结构1008。第一衍射性反射器1021被配置成在将光束105从第一衍射性反射器1021反射时，将光束105的至少一部分从少模波导的第一横向光学模式1011转换成第二横向光学模式1012，在该示例中从少模波导的基本或0阶模式转换成更高阶模式。第二衍射性反射器1022被配置为在光束105从第二衍射性反射器1022反射时，将光束105的至少一部分从第二模式1012转换成第三横向光学模式1013，即转换成少模波导的另一更高阶模式。
耦出区域1014设置在板芯结构1008上方、在第一衍射性反射器1021与第二衍射性反射器1022之间，用于将在板芯结构1008中传播的光耦出。第一衍射性反射器1021和第二衍射性反射器1022可以在XY平面中弯曲以在XY平面中(即，在波导1000的平面中)具有光学能力，用于对在波导1000的输入端口1004处接收并在波导1000的耦出区域1014处耦出的光束105进行准直。第一曲面衍射性反射器1021和第二曲面衍射性反射器1022的同轴取向可以助于减少光学像差。
在运行中，光源阵列102发射至少一个光束105或多个光束105，每个光束对应于阵列102的特定光源。光束105在输入端口604处耦合。然后，光束105以第一横向模式1011(即，基本模式)传播。由于第二衍射性反射器1022仅在第二光学模式1012和第三光学模式1013中反射光，因此光束105在第一横向模式1011中传播通过第二衍射性反射器1022而没有反射。光束105从第一衍射性反射器1021反射，其中光束105的至少一部分从第一横向模式1011转换成第二横向模式1012(例如，在少模波导中的更高阶横向传播模式，例如一阶模式)。光束105以第二光学模式1012往回传播经过耦出区域1014朝向第二衍射性反射器1022。光束105从第二衍射性反射器1022反射，其中光束105的至少一部分从第二横向模式1012转换成第三横向模式1013，在这种情况下，第三横向模式1013是比第二横向模式1012更少受到限制的更高阶横向传播模式(例如，二阶模式)。然后，光束105往回传播至耦出区域614。由于第三光学模式1013更少受到限制，或者换句话说在横向上(即，在图10中的Z方向上)比第二(一阶)光学模式1012或第一(0阶)光学模式1011更宽，所以第三光学模式1013在耦出区域1014处比第二(一阶)光学模式1012或第一(0阶)模式1011更有效地实现耦出。光束105的部分125在耦出区域1014处耦出。
第一衍射性反射器1021的光栅间距P1和第二衍射性反射器1022的光栅间距P2可以根据以下公式来选择：
P1＝λ/(n1 eff+n2 eff) (2)
P2＝λ/(n2 eff+n3 eff) (3)
其中，λ是光束的波长，n1 eff是针对第一光学模式1011的有效折射率，n2 eff是针对第二光学模式1012的有效折射率，并且n3 eff是针对第三光学模式1013的有效折射率。
从公式(2)和公式(3)可以看出，波导1000的光学性能在某种程度上依赖于波长。例如，在具有折射率为2％的芯的2微米厚二氧化硅波导中，模式折射率为：n1 eff＝1.487091，n2 eff＝1.477267，n3 eff＝1.463484。对于波长λ为520nm的光束，光栅间距P1为176.83nm，并且光栅间距P2为175.42nm。全光谱带宽Δλ/λ可以按如下公式计算：
Δλ/λ≈2(P1-P2)/(P1+P2) (4)
将上述参数输入到公式(4)中，Δλ/λ为4.2nm。
要注意的是，本文所考虑的波导的投射器实现方式，即包括耦接到光源阵列102的波导的投射器(其中，这些波导对由光源阵列102发射的光束105进行准直)仅作为示例。许多其他光学设备(例如，背光件、扫描仪、成像设备、传感器等)可以基于本文公开的“集成式光学工作台”技术，并用例如图1A、图1B至图13A的波导示例来说明。本文考虑的各种反射器和模间耦合器配置可以根据预期功能而被组合在波导设备中。此外，可以根据预期功能添加其他有源和无源光学部件，例如激光像素阵列、异质集成的可调谐激光器、1D波导、Y形分束器、定向耦合器、马赫-曾德尔干涉仪(MZI)、偏振控制元件、移相器等。
已经进行了数值模拟来说明和验证本文考虑的各种构思。
图11A示出了图1A和图1B的波导100的数值模拟设置。在图11A中，光源的光从左侧耦入层1(Layer 1)中。层1对应于图1A和图1B中的第一板层141。光从银反射镜反射后耦入层2(Layer 2)中。检测器1感测照明光束的辐照度和方向。检测器1覆盖平板波导的层1和平板波导的层2。检测器2感测由设置在耦出区域114(图1A和图1B)处的耦出棱镜耦出的光。
图11B示出了模拟结果。图11B为示出了沿波导的长度维度(在图11A和图11B中从左到右)检测器1的不同位置处的辐照度的热图。层1辐照度图(Layer 1irradiance map)1101(图11B)示出了在从银反射镜反射之前，辐照度从左到右(即，层1中的光传播方向上)减小。层2辐照度图(Layer 2irradiance map)1102示出了在从银反射镜反射之后，辐照度从右到左(即，层2中的光传播方向上)增加。
图11C示出了作为光束角度的函数的检测器2上的信号。主峰1103对应于在层2中从右向左传播的光束的光束角度，即如图1A和图1B的波导100中所预期的。小得多的峰1104(图11C)对应于在层2中从左向右传播(即，在从对应于图1A和图1B中的反射器121的银反射镜反射之前耦出)的光束的光束角度。图11D和图11E分别示出了由检测器1和检测器2检测的光的波长相关性。
图12A示出了图5A的波导500A的数值模拟设置。光源的光耦入图5A的第一模式511中。光在从银反射镜反射时(图12A)被转换成第二模式512。检测器1感测准直光束的辐照度和方向。检测器1覆盖整个少模波导。检测器2感测由耦出棱镜耦出的光。
图12B示出了检测器1的模拟结果。图12B为示出了沿波导的长度维度(在图12A和图12B中从左到右)检测器1的不同位置处的辐照度的热图。在图12中，前向光场从后向光场中减去，所以此绘图看起来好像实际的波导芯非常窄。图12C示出了作为光束角度的函数的检测器2上的信号。主峰1203对应于在第二光学模式212中(即，根据预期的运行模式)，图5A的波导500中从右到左传播的光束的光束角度。对应于从左向右传播的光束的光束角度的峰值太小，而不能在图12C中看到。
图13A示出了图10的波导1000的数值模拟设置。光源的光耦入图10中所示的第一模式1011中。光在从光栅1反射时(图13A)被转换成第二模式1012，并且在从光栅2反射时从第二模1012转换成第三模式1013。检测器设置于耦出区域的内部。耦出棱镜1314设置在耦出区域中。检测器根据波长以及由耦出棱镜耦出的准直光束的方向感测辐照度。
图13B以热图形式示出了模拟结果，示出了输出辐照度对波长(横轴)和输出光束角(纵轴)(即，输出光的方向)的依赖性。初级输出1301对应于准直的输出光束。图13C示出了作为光束角度的函数的检测器上的信号。主峰1303对应于在从衍射性反射器1021和1022(图10)反射之后，在图5A的波导500A来回传播的光束的光束角度。次峰1304(图13C)对应于仅从第一衍射性反射器1021反射的光束的光束角度。
现在参照图14，用于对由光源阵列发射的光进行准直的方法1400可以使用本文考虑的任何波导或投射器来实现。方法1400包括：接收(1402)由光源阵列发射的光束，用于以波导的板芯的第一光学模式传播到波导的边缘。光束被反射器(例如，曲面反射镜或曲面衍射性反射器)反射(1404)，以在板芯结构中背离边缘往回传播。由反射器反射的光束使用例如倏逝耦出器或基于光栅的耦出器耦出(1406)。当光束在板芯结构中传播并从反射器反射时，波导将光束从第一光学模式转换成第二光学模式。可以选择反射器的曲率，以在耦出时对光束进行准直。可以提供一个以上的反射器。这些反射器可以是同轴的，以减少光学像差并实现准直光束的更大角度。可以以这种方式对至少一个光束进行准直。可以使用耦接到波导的适当多点光源阵列对数十、数百、甚至数千个光束进行准直。
转到图15，近眼显示器1500包括具有一副眼镜的形状要素的框架1501。对于每只眼睛，框架1501支撑：投射器1508(包括本文描述的任何投射器)、光学耦合到投射器1508的光瞳复制波导1510、眼睛跟踪相机1504、多个照明器1506和眼睛跟踪相机控制器1507。照明器1506可以由光瞳复制波导1510支撑，用于照射适眼区(eyebox)1512。投射器1508提供携带要投射到用户眼睛的角域中的图像的一扇光束。光瞳复制波导1510接收该扇光束，并提供该扇光束的每个光束的多个横向偏移的平行副本，从而将投射图像扩展到适眼区1512上。
例如，可以在投射器1508中使用阵列式光源来提供水平视场。可以在投射器1508中使用基于可倾斜反射器的扫描仪或基于波长调谐的扫描仪来提供竖直视场，或反之亦然。对于增强现实(AR)应用，光瞳复制波导1510可以是透明或半透明的，以使用户能够与投射到每只眼睛中并与外部世界视图叠加的图像一起观看外部世界。投射到每只眼睛中的图像可以包括以模拟视差设置的对象，以便看起来沉浸在真实世界视图中。
眼睛跟踪相机1504的目的是确定用户的两只眼睛的位置和/或取向。一旦知道了用户眼睛的位置和取向，就可以确定凝视会聚距离和方向。考虑用户的凝视，可以动态地调整由投射器1508显示的图像，以使用户更逼真地沉浸在所显示的增强现实场景中、和/或提供与增强现实交互的特定功能。在操作中，照明器1506照亮相应适眼区1512处的眼睛，以使眼睛跟踪相机能够获得眼睛的图像，以及提供参考反射，即闪烁。闪烁可以用作所采集的眼睛图像中的参考点，通过确定眼睛瞳孔图像相对于闪烁图像的位置以便于眼睛凝视方向的确定。为了避免照明光分散用户的注意力，可以使照明光对用户不可见。例如，红外光可用于照亮适眼区1512。
眼睛跟踪相机控制器1507的功能是处理由眼睛跟踪相机1504获得的图像，以实时确定用户的两只眼睛的眼睛凝视方向。在一些示例中，图像处理和眼睛位置/取向确定功能可以由近眼显示器1500的中央控制器(未示出)来执行。中央控制器还可以根据确定的眼睛位置、眼睛取向、凝视方向、眼睛聚散度等向投射器1508提供控制信号，以生成要向用户显示的图像。
本公开的实施例和示例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来实现。在呈现给用户之前，人工现实系统以某种方式调整通过感官(例如，视觉信息、音频、触摸(体感)信息、加速度、平衡等)获得的关于外部世界的感官信息。作为非限制性示例，人工现实可以包括虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(mixed reality，MR)、混合现实(hybridreality)、或它们的某种组合和/或衍生物。人工现实内容以包括完全生成的内容或与采集的(例如，真实世界的)内容组合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、身体或触觉反馈、或它们的某种组合。这些内容中的任何内容可以在单个通道或多个通道中(例如，在向观看者产生三维效果的立体视频中)呈现。此外，在一些实施例和示例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中使用(例如，执行活动)的应用程序、产品、附件、服务、或它们的某些组合相关联。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括比如连接到主计算机系统的HMD等可穿戴显示器、独立的HMD、具有眼镜的形状要素的近眼显示器、移动设备或计算系统、或能够向一个或多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
本公开的范围不受本文描述的特定实施例的限制。实际上，除了本文描述的那些实施例和修改之外，根据前述描述和附图的其他各种实施例和修改对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。因此，这样的其他实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，尽管本公开在本文中是在用于特定目的的特定环境中的特定实施方式的上下文中描述的，但是本领域的普通技术人员将认识到，其有用性不限于此，并且本公开可以在用于任何数量的目的的任何数量的环境中有利地实现。因此，随附的权利要求应当根据本文描述的本公开的全部范围来解释。

Claims (15)

1.一种波导，所述波导包括：
板芯结构，所述板芯结构支持第一光学传播模式和第二光学传播模式；
输入端口，所述输入端口用于接收光束以在所述第一光学模式下传播；
第一反射器，所述第一反射器耦接到所述板芯结构，用于使所述光束反射以传播回到所述板芯结构中；以及
耦出区域，所述耦出区域用于将由所述第一反射器反射的光束耦出；
其中，所述波导被配置用于所述光束在所述板芯结构中传播时并且从所述第一反射器反射时将所述光束从所述第一光学模式转换成所述第二光学模式，由此所述光束的至少一部分在所述耦出区域处从所述波导耦出。
2.根据权利要求1所述的波导，其中，所述耦出区域被配置用于将在所述第二光学模式下传播的光耦出；
优选地，其中，所述耦出区域包括倏逝耦出器。
3.根据权利要求1或2所述的波导，其中，所述第一反射器具有用于对在所述输入端口处接收的光束进行至少部分准直的光学能力，其中，所述准直是在所述板芯结构的平面中进行的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的波导，其中，所述板芯结构包括平行的倏逝耦接的第一板芯和第二板芯，所述第一板芯和所述第二板芯在所述波导的厚度方向上彼此偏移一定距离，在所述距离下，当从所述第一反射器反射的光束到达所述耦出区域时，所述光束的主要部分从在所述第一板芯中传播的所述第一光学模式转换成在所述第二板芯中传播的所述第二光学模式。
5.根据前述权利要求中任一项所述的波导，其中，所述板芯结构包括平行的倏逝耦接的第一板芯和第二板芯；
其中，所述第一板芯是单模板芯，并且所述第二板芯包括顺序耦接的具有不同有效折射率的第一板部分和第二板部分，其中，所述第一部分耦接到所述第一反射器，并且所述第二板部分耦接到所述耦出区域；并且
其中，所述第一板芯和所述第二板芯在所述波导的厚度方向上彼此偏移一定距离，在所述距离下，当从所述第一反射器反射的光束到达所述第二板芯的第二部分时，所述光束的主要部分从在所述第一板芯中传播的所述第一光学模式转换成在所述第二板芯的第一部分中传播的所述第二光学模式。
6.根据前述权利要求中任一项所述的波导，其中，所述板芯结构包括平行的第一板芯和第二板芯，其中，
所述第一反射器包括光学耦合的第一倾斜反射器和第二倾斜反射器，其中，所述第一倾斜反射器耦接到所述第一板芯，用于将在所述第一板芯中传播的光束反射到所述第二倾斜反射器，并且所述第二倾斜反射器耦接到所述第二板芯，用于将由所述第二倾斜反射器反射的光束耦入所述第二板芯中；或者
所述第一板芯包括靠近所述第一反射器的第一衍射性反射器，并且所述第二板芯包括靠近所述第一反射器的第二衍射性反射器，所述第二衍射性反射器设置在所述第一衍射性反射器上方并且光学耦合到所述第一衍射性反射器。
7.根据前述权利要求中任一项所述的波导，其中，所述板芯结构包括少模波导，其中，所述第一模式是所述少模波导的零阶模式，并且所述第二模式是所述少模波导的更高阶模式；
其中，所述第一反射器包括阶梯状部，所述阶梯状部用于为从所述第一反射器反射的光的一部分提供半波相移，由此所述光束的至少一部分在从所述第一反射器反射时从所述零阶模式转换成所述更高阶模式。
8.根据前述权利要求中任一项所述的波导，其中，所述板芯结构包括少模波导，其中，所述第一模式是所述少模波导的零阶模式，并且所述第二模式是所述少模波导的更高阶模式；
其中，所述第一反射器包括衍射性反射器，所述衍射性反射器耦接到所述少模波导或形成在所述少模波导中，并且所述衍射性反射器被配置成将所述光束的至少一部分在从所述衍射性反射器反射时从所述零阶模式转换成所述更高阶模式；
优选地，其中，所述衍射性反射器具有间距P，
P＝λ/(n0 eff+n1 eff)，其中，λ是所述光束的波长，n0 eff是针对所述零阶模式的有效折射率，n1 eff是针对所述更高阶模式的有效折射率。
9.根据前述权利要求中任一项所述的波导，其中，
所述板芯结构还支持第三光学传播模式，所述波导还包括第二反射器，所述第二反射器耦接到所述板芯结构，用于反射由所述第一反射器反射的光束以朝向所述第一反射器传播回来；
所述耦出区域被配置用于将在所述第三光学模式下传播的光耦出；并且
所述波导被配置用于所述光束在从所述第二反射器反射并且在所述板波导结构中传播时将所述光束从所述第二光学模式转换成所述第三光学模式，由此所述光束的至少一部分在所述耦出区域处从所述波导耦出；
优选地，其中，所述第一反射器和所述第二反射器为具有用于对在所述输入端口处接收的光束进行准直的光学能力的同轴的曲面反射器。
10.根据权利要求9所述的波导，其中，所述板芯结构包括平行的倏逝耦接的第一板芯、第二板芯和第三板芯，所述第一板芯、所述第二板芯和所述第三板芯在所述波导的厚度方向上彼此偏移一定距离，在所述距离下，当从所述第一反射器反射的光束到达所述第二反射器时，所述光束的主要部分从在所述第一板芯中传播的所述第一光学模式转换成在所述第二板芯中传播的所述第二光学模式；并且当从所述第二反射器反射的光束到达所述耦出区域时，所述光束的主要部分从在所述第二板芯中传播的所述第二光学模式转换成在所述第三板芯中传播的所述第三光学模式。
11.根据权利要求9或10所述的波导，其中，所述板芯结构包括少模波导，其中所述第一模式为所述少模波导的零阶模式，并且所述第二模式和所述第三模式为所述少模波导的更高阶模式；
其中，所述第一反射器包括第一衍射性反射器，所述第一衍射性反射器耦接到所述少模波导或形成在所述少模波导中，并且所述第一衍射性反射器被配置成将所述光束的至少一部分在从所述第一衍射性反射器反射时从所述零阶模式转换成所述第二模式；并且
其中，所述第二反射器包括第二衍射性反射器，所述第二衍射性反射器耦接到所述少模波导或形成在所述少模波导中，并且所述第二衍射性反射器被配置成将所述光束的至少一部分在从所述第二衍射性反射器反射时从所述第二模式转换成所述第三模式。
12.一种波导，所述波导包括：
板芯结构，所述板芯结构支持第一光学传播模式和第二光学传播模式，所述板芯结构包括模间耦合器，所述模间耦合器用于所述光束在所述模间耦合器中传播时从所述第一光学模式转换成所述第二光学模式；
输入端口，所述输入端口位于所述模间耦合器的上游，用于接收光束以在所述板芯结构中在所述第一光学模式下传播；以及
耦出区域，所述耦出区域位于所述模间耦合器的下游，用于将在所述第二光学模式下传播的光耦出。
13.根据权利要求12所述的波导，其中，所述模间耦合器具有以下中的至少一者：用于对所述光束进行准直或散焦的光学能力；或者像差校正能力；
优选地，其中，
所述第一光学模式和所述第二光学模式具有不同的有效折射率；并且
所述模间耦合器包括在所述板芯结构的平面中成形的光栅，使得所述光束的不同光线在所述板芯结构的平面中从所述输入端口到所述光栅具有不同的光路长度。
14.一种投射器，所述投射器包括：
光源阵列，所述光源阵列用于提供光束；以及
波导，所述波导包括：
板芯结构，所述板芯结构支持第一光学传播模式和第二光学传播模式；
输入端口，所述输入端口用于接收来自所述光源阵列的光束以在所述第一光学模式下传播；
反射器，所述反射器耦接到所述板芯结构，用于使所述光束反射以传播回到所述板芯结构中；以及
耦出区域，所述耦出区域用于将由所述反射器反射的光束从所述波导耦出；
其中，所述波导被配置用于所述光束在所述板芯结构中传播时并且从所述反射器反射时将所述光束从所述第一光学模式转换成所述第二光学模式，由此所述光束的至少一部分在所述耦出区域处从所述波导耦出。
15.根据权利要求14所述的投射器，其中，所述反射器具有对在所述输入端口处接收的光束进行准直的光学能力，并且其中，所述耦出区域包括倏逝耦出器，所述倏逝耦出器被配置用于将在所述第二光学模式下传播的光耦出。
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