KR20230104154A - 모드 간 커플링을 갖는 슬래브 도파관 및 투영기 - Google Patents

모드 간 커플링을 갖는 슬래브 도파관 및 투영기 Download PDF

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KR20230104154A
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주세페 칼라피오레
알렉산더 코셀레브
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메타 플랫폼즈 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

소형 시준기 또는 투영기가, 전파의 적어도 2개의 측방향 모드들을 지원하는 슬래브 코어 구조체를 갖는 도파관을 포함한다. 제1 모드로 커플링된 광 빔이 도파관의 에지로 전파되고, 여기서 반사기에 의해 반사되어 다시 전파된다. 광은, 앞뒤로 전파될 때, 제2 모드로 변환된다. 에바네센트 커플러와 같은 아웃커플링 영역이 제2 모드에서 전파되는 광을 아웃커플링하기 위해 제공된다. 반사기는 아웃커플링된 광 빔을 시준하기 위해 포커싱 출력을 가질 수 있다. 광 빔은 반사기로부터 반사되지 않고 제1 모드로부터 제2 모드로 변환될 수 있다.

Description

모드 간 커플링을 갖는 슬래브 도파관 및 투영기
본 개시는 도파관 기반 광학 디바이스들, 특히 이미지들의 디스플레이, 원격 감지 등에 사용할 수 있는 시준기들(collimators) 및 투영기들(projectors)에 관한 것이다.
시각적 디스플레이들은 정지 이미지들, 비디오, 데이터 등을 포함하는 정보를 뷰어(viewer)(들)에게 제공하는 데 사용된다. 시각적 디스플레이들은, 단지 몇몇 예시들을 들자면, 엔터테인먼트, 교육, 엔지니어링, 과학, 전문 훈련, 광고를 포함하는 다양한 분야들에서의 응용들을 갖는다. TV 세트들과 같은 일부 시각적 디스플레이들은, 몇몇 사용자들에게 이미지들을 디스플레이하고, 일부 시각적 디스플레이 시스템들은 개별 사용자들을 대상으로 한다. 머리 장착 디스플레이들(Head mounted displays; HMD), 근안 디스플레이들(near-eye displays; NED) 등이, 개별 사용자들에게 콘텐츠를 디스플레이하기 위해 점점 더 많이 사용되고 있다. HMD/NED에 의해 디스플레이되는 콘텐츠는, 가상 현실(virtual reality; VR) 콘텐츠, 증강 현실(augmented reality; AR) 콘텐츠, 혼합 현실(mixed reality; MR) 콘텐츠 등을 포함한다. 디스플레이되는 VR/AR/MR 콘텐츠는, 경험을 향상시키기 위해, 그리고 AR/MR 애플리케이션들의 경우, 실제 객체들과 동시에 사용자에 의해 관찰되는 가상 객체들을 실제 객체들과 일치(match)시키기 위해, 3차원(3D)일 수 있다.
소형(compact) 디스플레이 디바이스들이 머리 장착 디스플레이들에 대해 바람직하다. NED의 디스플레이 유닛이 일반적으로 사용자의 머리에 착용되기 때문에, 크거나, 부피가 크거나, 균형이 맞지 않거나, 및/또는 무거운 디스플레이 디바이스는 번거롭고 사용자가 착용하기에 불편할 수 있다. 소형 디스플레이 디바이스들은 소형 광 소스들과 이미지 투영기들을 필요로 한다.
본 개시에 따라, 도파관이 제공되며, 도파관은, 전파의 제1 및 제2 광학 모드들을 지원하는 슬래브 코어 구조체(slab core structure); 제1 광학 모드에서의 전파를 위해 광 빔을 수신하기 위한 입력 포트; 슬래브 코어 구조체 내에 다시 전파시키기 위해 광 빔을 반사시키기 위한 슬래브 코어 구조체에 커플링된 제1 반사기; 및 제1 반사기에 의해 반사된 광 빔을 아웃커플링(out-coupling)하기 위한 아웃커플링 영역을 포함하고, 도파관은, 슬래브 코어 구조체 내에서 전파될 때 그리고 제1 반사기로부터 반사될 때, 광 빔을 제1 광학 모드로부터 제2 광학 모드로 변환하도록 구성되고, 이에 의해 광 빔의 적어도 일부가 아웃커플링 영역에서 도파관으로부터 아웃커플링된다. 아웃커플링 영역은 제2 광학 모드에서 전파되는 광을 아웃커플링하도록 구성될 수 있다. 제1 반사기는 입력 포트에서 수신된 광 빔의 적어도 부분적인 시준(collimation)을 위한 광 출력(optical power)을 가질 수 있다. 시준은 슬래브 코어 구조체의 평면 내에 있다. 아웃커플링 영역은 에바네센트 아웃커플러(evanescent out-coupler)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 슬래브 코어 구조체는, 제1 반사기로부터 반사된 광 빔이 아웃커플링 영역에 도달할 때, 광 빔의 대부분(major portion)이 제1 슬래브 코어에서 전파되는 제1 광학 모드로부터 제2 슬래브 코어에서 전파되는 제2 광학 모드로 변환되는 거리만큼 도파관의 두께 방향으로 서로 오프셋되는, 평행하게 에바네센트 방식으로(evanescently) 커플링된 제1 및 제2 슬래브 코어들을 포함한다.
슬래브 코어 구조체가 평행하게 에바네센트 방식으로 커플링된 제1 및 제2 슬래브 코어들을 포함하는 일부 실시예들에서, 제1 슬래브 코어는 단일 모드 슬래브 코어이고, 제2 슬래브 코어는 상이한 유효 굴절률들을 갖는 순차적으로 커플링된 제1 및 제2 슬래브 부분들을 포함한다. 제1 부분은 제1 반사기에 커플링되고 제2 슬래브 부분은 아웃커플링 영역에 커플링된다. 제1 및 제2 슬래브 코어들은, 제1 반사기로부터 반사된 광 빔이 제2 슬래브 코어의 제2 부분에 도달할 때, 광 빔의 대부분이 제1 슬래브 코어에서 전파되는 제1 광학 모드로부터 제2 슬래브 코어의 제1 부분에서 전파되는 제2 광학 모드로 변환되는 거리만큼 도파관의 두께 방향에서 서로 오프셋될 수 있다.
슬래브 코어 구조체가 평행한 제1 및 제2 슬래브 코어들을 포함하는 일부 실시예들에서, 제1 반사기는 광학적으로 커플링된 제1 및 제2 경사 반사기들을 포함하고, 제1 경사 반사기는 제1 슬래브 코어에서 전파되는 광 빔을 제2 경사 반사기로 반사하기 위해 제1 슬래브 코어에 커플링되고, 제2 경사 반사기는 제2 경사 반사기에 의해 반사된 광 빔을 제2 슬래브 코어로 커플링하기 위해 제2 슬래브 코어에 커플링된다. 일부 실시예들에서, 제1 슬래브 코어는 제1 반사기에 근접한 제1 회절 반사기를 포함하고, 제2 슬래브 코어는 제1 회절 반사기 위에 배치되고 제1 회절 반사기에 광학적으로 커플링된 제1 반사기에 근접한 제2 회절 반사기를 포함한다.
일부 실시예들에서, 슬래브 코어 구조체는 소수 모드(few-mode) 도파관을 포함하고, 제1 모드는 소수 모드 도파관의 0차 모드이고, 제2 모드는 소수 모드 도파관의 고차 모드이다. 제1 반사기는 제1 반사기로부터 반사되는 광의 일부에 대해 반파장 위상 변이(half-wave phase shift)를 제공하기 위한 계단(step)을 포함할 수 있으며, 이에 의해 광 빔의 적어도 일부가, 제1 반사기로부터 반사될 때, 0차 모드로부터 고차 모드로 변환된다. 제1 반사기는 회절 반사기를 포함할 수 있으며, 회절 반사기는, 소수 모드 도파관에 커플링되거나 또는 소수 모드 도파관 내에 형성되고, 회절 반사기로부터 반사될 때, 광 빔의 적어도 일부를 0차 모드로부터 고차 모드로 변환되도록 구성된다. 회절 반사기는 피치 P = λ/(n 0 eff + n 1 eff )를 가질 수 있으며, 여기서 λ는 광 빔의 파장이고, n 0 eff 은 0차 모드에 대한 유효 굴절률이며, n 1 eff 은 고차 모드에 대한 유효 굴절률이다.
본 개시의 일부 실시예들에서, 슬래브 코어 구조체는 또한, 전파의 제3 광학 모드를 지원하며, 도파관은 제1 반사기에 의해 반사된 광 빔을 반사하여 제1 반사기를 향해 다시 전파하기 위해 슬래브 코어 구조체에 커플링된 제2 반사기를 더 포함한다. 아웃커플링 영역은 제3 광학 모드에서 전파되는 광을 아웃커플링하기 위해 구성될 수 있다. 도파관은, 제2 반사기로부터 반사되고 슬래브 도파관 구조체에서 전파될 때, 광 빔을 제2 광학 모드로부터 제3 광학 모드로 변환하도록 구성될 수 있으며, 이에 의해 광 빔의 적어도 일부가 아웃커플링 영역에서 도파관으로부터 아웃커플링된다. 제1 반사기 및 제2 반사기는 입력 포트에서 수신된 광 빔을 시준하기 위한 광 출력을 갖는 동축(coaxial) 만곡된(curved) 반사기들일 수 있다. 슬래브 코어 구조체는, 제1 반사기로부터 반사된 광 빔이 제2 반사기에 도달할 때, 제1 슬래브 코어에서 전파되는 제1 광학 모드로부터 제2 슬래브 코어에서 전파되는 제2 광학 모드로, 그리고 제2 반사기로부터 반사된 광 빔이 아웃커플링 영역에 도달할 때, 제2 슬래브 코어에서 전파되는 제2 광학 모드로부터 제3 슬래브 코어에서 전파되는 제3 광학 모드로, 광 빔의 대부분이 전환되는 거리만큼 도파관의 두께 방향으로 서로 오프셋된, 평행하게 에바네센트 방식으로 커플링된 제1, 제2 및 제3 슬래브 코어들을 포함할 수 있다. 또한, 슬래브 코어 구조체가 소수 모드 도파관을 포함하는 실시예들에서, 제1 반사기는, 소수 모드 도파관에 커플링되거나 소수 모드 도파관 내에 형성되고, 제1 회절 반사기로부터 반사될 때 광 빔의 적어도 일부를 0차 모드로부터 제2 모드로 변환하도록 구성되는 제1 회절 반사기를 포함할 수 있고, 제2 반사기는, 소수 모드 도파관에 커플링되거나 소수 모드 도파관 내에 형성되고, 제2 회절 반사기로부터 반사될 때 광 빔의 적어도 일부를 제2 모드로부터 제3 모드로 변환하도록 구성되는 제2 회절 반사기를 포함할 수 있다.
본 개시에 따르면, 도파관이 제공되고, 도파관은, 전파의 제1 및 제2 광학 모드들을 지원하는 슬래브 코어 구조체 - 슬래브 코어 구조체는 모드 간 커플러에서 전파 시 광 빔을 제1 광학 모드로부터 제2 광학 모드로 변환하기 위한 모드 간 커플러를 포함함 - ; 제1 광학 모드에서 슬래브 코어 구조체 내의 전파를 위해 광 빔을 수신하기 위한 모드 간 커플러 상류(upstream)의 입력 포트; 및 제2 광학 모드에서 전파되는 광을 아웃커플링하기 위한 모드 간 커플러 하류(downstream)의 아웃커플링 영역을 포함한다. 모드 간 커플러는, 예를 들어, 광 빔의 시준 또는 디포커싱하기 위한 광 출력; 또는 수차 보정 능력, 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 광학 모드들은 상이한 유효 굴절률들을 가지며, 모드 간 커플러는, 입력 포트로부터 격자로 상이한 광학 경로 길이를 갖도록 슬래브 코어 구조체의 평면에서 광 빔의 상이한 광선들에 대해 슬래브 코어 구조체의 평면에서 형태가 이루어진 격자를 포함한다.
본 개시에 따라, 광 빔들을 제공하기 위한 광 소스들의 어레이 및 본 명세서에 개시된 도파관들 중 임의의 것을 포함하는 투영기가 추가로 제공된다.
예시들이 이제 도면들과 함께 설명될 것이며:
도 1a 및 1b는 단일 반사기를 갖는 도파관의 측단면도들로서, 도면들은 슬래브 코어 구조체에서의 광 빔의 전방 및 후방 전파를 각각 도시하고, 슬래브 코어 구조체는 에바네센트 방식으로 커플링된 코어들의 쌍을 포함하며;
도 2a 및 2b는, 코어들 중 하나가 다중 모드 코어 부분을 갖는, 에베네센트 방식으로 커플링된 코어들의 쌍을 포함하는 슬래브 코어 구조체에서의, 광 빔의 전방 및 후방 전파를 각각 예시하는 도파관의 측단면도들이고;
도 3은 개별 코어들이 방향 전환(turning) 미러들에 의해 광학적으로 커플링된 듀얼 코어 구조체에서 광 빔의 전방 및 후방 전파를 예시하는 도파관의 측단면도이고;
도 4는 개별 코어들이 회절 반사기들에 의해 커플링된 듀얼 코어 구조체에서 광 빔의 전방 및 후방 전파를 각각 도시하는 도파관의 측단면도이고;
도 5a는 도파관의 원위 에지에 있는 계단형 반사기에 커플링된 소수 모드 코어 구조체에서의 광 빔의 전방 및 후방 전파를 각각 도시하는 도파관의 측단면도이고;
도 5b는 도파관의 원위 에지에 있는 회절 반사기에 커플링된 소수 모드 코어 구조체에서의 광 빔의 전방 및 후방 전파를 각각 도시하는 도파관의 측단면도이고;
도 6a는 광 출력을 갖는 모드 간 커플러를 포함하는 소수 모드 코어에서의 광 빔의 도파관 전파의 측단면도이고;
도 6b는 도 6a의 도파관의 평면도이고;
도 7a는 단일 반사기를 갖는 도파관의 평면 광선 추적된(ray-traced) 도면이고;
도 7b는 상이한 필드 각도들에 대한 도 7a의 도파관의 광학 전달 함수(optical transfer function; OTF)의 플롯(plot)이고;
도 8a는 반대측 동축 반사기들의 쌍을 갖는 도파관의 평면 광선 추적된 도면이고;
도 8b는 상이한 필드 각도들에 대한 도 8a의 도파관의 광학 전달 함수(OTF)의 플롯(plot)이고;
도 9a, 9b 및 9c는 반대측 에지 반사기들의 쌍을 갖는 도파관의 측단면도들로서, 도면들은 3개의 에베네센트 방식으로 커플링된 코어들을 포함하는 슬래브 코어 구조체의 광 빔의 전방, 후방 및 제2 전방 전파를 각각 도시하고;
도 10은 반대측 회절 반사기들의 쌍에 커플링된 소수 모드 코어 구조체에서의 광 빔의 전방 및 후방 전파를 도시하는 도파관의 측단면도이고;
도 11a는 도 1a 및 1b의 도파관의 예시적인 굴절률 맵이고;
도 11b는 도 11a의 도파관 구성에 대해 계산된 방사조도(irradiance) 맵이고;
도 11c는 도 11a의 도파관 구성에 대해 계산된 원거리(far) 필드 각도 방사조도 플롯이고;
도 11d 및 11e는 도 11a의 굴절률 맵에 도시된 검출기 1과 2에 의해 각각 수신된 방사조도의 스펙트럼 플롯들이고;
도 12a는 도 5의 도파관의 예시적인 굴절률 맵이고;
도 12b는 도 12a의 도파관 구성에 대해 계산된 방사조도 맵이고;
도 12c는 도 12a의 도파관 구성에 대해 계산된 원거리 필드 각도 방사조도 분포이고;
도 13a는 도 5b의 도파관의 예시적인 굴절률 맵이고;
도 13b는 도 13a의 도파관 구성에 대해 계산된 방사조도 맵이고;
도 13c는 도 13a의 도파관 구성에 대해 계산된 원거리 필드 각도 방사조도 플롯이고;
도 14는 본 개시에 따라 광을 시준하기 위한 방법의 흐름도이고;
도 15는 안경 폼 팩터를 갖는 본 개시의 근안 디스플레이의 도면이다.
본 교시들(teachings)은 다양한 실시예들 및 예시들과 함께 설명되지만, 본 교시들을 그러한 실시예들로 제한하는 것을 의도한 것은 아니다. 반대로, 본 교시들은, 통상의 기술자에 의해 인식될 수 있을 바와 같이, 다양한 대안들 및 균등물들을 포함한다. 본 개시의 구체적인 예시들뿐만 아니라, 그 원리들, 양태들 및 실시예들을 언급하는 본 명세서 내의 모든 진술들은, 그의 구조적인 그리고 기능적인 균등물들을 모두 포함하도록 의도된다. 추가적으로, 그러한 균들물들은 현재 공지된 균등물들뿐만 아니라 미래에 개발되는 균등물들, 즉 구조에 관계없이 동일한 기능을 수행하는 개발되는 임의의 요소들을 포함하도록 의도된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은, “제1", "제2" 등의 용어들은, 명시적으로 언급되지 않는 한, 순차적인 순서를 의미하도록 의도되는 것이 아니라 하나의 요소를 다른 요소로부터 구별하도록 의도된다. 유사하게, 방법 단계들의 순차적인 순서는, 명시적으로 언급되지 않는 한, 그들의 실행의 순차적인 순서를 의미하지 않는다.
많은 유형들의 디스플레이들, 특히 착용 디스플레이 시스템들은, 시준된 광의 소형 소스를 필요로 한다. 어레이형 소스, 즉 방출기(emitter)들의 어레이를 포함하는 소스 - 각 방출기는 어레이 내의 방출기의 위치에 따른 빔 각도를 갖는 시준된 빔을 제공함 - 가, 근안 디스플레이의 소형 투영기 시스템들에 사용될 수 있다. 시준기를, 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer; MZI) 어레이, 디지털 마이크로미러 디바이스(digital micromirror device; DMD), 액정(liquid crystal; LC) 어레이와 같은 다양한 점 소스(point source)들의 어레이와 결합하는 것은, 예를 들어, 감지 애플리케이션들에 사용하기 위한 1차원(1D) 투영기를 구성하는 것을 가능하게 한다. 게다가, 이러한 1D 투영기의, 조정 가능한 파장 광 소스와 함께 분산 요소 또는 미세전자기계 시스템(microelectromechanical system; MEMS) 미러와 같은 스캐닝 요소와의 결합은, 시각적 디스플레이 애플리케이션들을 위한 2D 투영기를 구성하는 것을 가능하게 한다.
1D 시준기는 종래의 자유 공간 원통형 광학기기(optics)를 사용할 때조차도 2D 시준기보다 훨씬 더 소형으로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 10x10x10mm 시준기는 너무 부피가 커서 대부분의 모바일 디바이스들에 넣기 어려울 것이지만, 10x10x1mm 디바이스는, 배향에 따라,모바일 폰이나 다른 소형 모바일 디바이스에 통합하는 데 있어서 큰 문제를 제기하지 않는다. 따라서, 모바일 디바이스 내부에 맞는 1D 시준기는, 2D 시준기보다, 달성 가능한 시야각(field of view; FOV), 아이박스 크기, 유효 초점 거리(effective focal length; EFL), 점 소스들의 피치에 대해 훨씬 적은 제약들을 갖는다.
본 개시에 따라, 단일 모드 또는 소수 모드 슬래브(평면) 도파관이 1D 시준기를 생성하는 데 사용될 수 있다. 광이 ~0.2 내지 2μm 두께의 단일 층 내로 제한되기 때문에, 이러한 시준기는, 특히 기계적 지지를 위해 다른 평평한 기능적 컴포넌트들에 본딩될 때, 매우 얇을 수 있고 작은 부피와 질량을 가질 수 있다. 도파관 두께 방향으로의 광 제한(confinement) 때문에, 자유 공간 원통형 시준기의 두께를 증가시키는 것을 초래하는 물리적 효과인, 광 빔이 평면 밖으로 퍼지지(회절되지) 않는다. 추가적으로, 예를 들어, 격자 또는 프리즘을 사용하여 슬래브 도파관으로부터의 광을 점진적으로 아웃커플링하는 것은, 얇은 폼 팩터를 여전히 유지하면서 넓은 면적의 동공의 형성을 가능하게 한다. 예시로서, 슬래브 도파관은 여전히 2mm 미만의 두께이면서 2x2mm의 동공을 생성할 수 있다. 마지막으로, 슬래브 도파관은, 다른 종류의 통합된 광학 기기처럼, 복잡한 자유형 광학 기기조차도 포토리소그래피를 사용하여 쉽게 제조될 수 있다는 이점을 제공한다.
슬래브 도파관은 도파관의 평면에 광(즉, 포커싱 또는 디포커싱) 출력을 갖는 다양한 요소들을 포함할 수 있다. 이러한 광학 요소들은 굴절하는 것, 반사하는 것 또는 회절하는 것일 수 있다. 굴절 광학 요소들은 코어 층을 부분적으로 에칭함으로써 형성될 수 있다. 이것은, 가이드된 광학 모드의 유효 굴절률을 변경하고, 이는 광이 여전히 도파관 내에 제한되어 있는 동안 굴절을 야기한다. 에칭된 영역과 에칭되지 않은 영역 사이의 전이(transition)는 평면을 벗어나는 광 손실을 방지하기 위해 점진적일 필요가 있다. 이는, 예를 들어 그레이톤(greytone) 에칭을 이용함으로써 및/또는 서브파장 바이너리 구조들을 사용함으로써 달성될 수 있다. 후속하는 벽들의 금속화와 함께, 딥 에칭을 사용함으로써 반사 광학 요소들이 형성될 수 있다. 이 접근법은 또한 경로 폴딩(folding)을 가능하게 하고, 이는 요소의 가장 긴 치수를 감소시킨다. 회절 광학 요소들은 반사 및 투과 모두에서 작동할 수 있으며 에칭에 의해 형성될 수도 있다.
광학 수차 관점에서 볼 때, 반사기들을 포함하는 광학 요소들은 축 상(on-axis)에 있는 것이 바람직할 수 있다. 미러의 축이 광학 축과 일직선상에 있는 한, 상당히 큰 FOV를 위해 작동하는 미러를 구성하는 것은 간단하다. 일직선상의, 축 상의 미러 구성은 최적의 광학 성능을 제공한다. 우수한 광학 성능을 달성하는 것에 더하여, 이러한 아키텍처는 또한, 특히 하나보다 많은 반사기가 이용되는 경우에 광학 기기의 크기를 감소시킬 수 있다. 그러나, 축 상에 있는 반사 구성이 작동하기 위해, 도파관은, 들어오는 광으로부터 반사된 광을 디커플링하도록 구성될 필요가 있다.
본 개시에 따라, 슬래브 도파관은, 반사기(들)로부터 반사될 때 상이한 측방향 전파 모드들 사이에서 광 에너지를 이동시키도록 구성될 수 있다. 이는, 커플링된 다중 코어들, 모드 간 커플러들을 갖는 소수 모드 또는 다중 모드 슬래브 도파관 코어 등을 제공하는 것을 포함하는 몇몇 방식들로 달성될 수 있다. 모드 전환(shift)은, 에베네센트 커플링, 다중 모드 간섭, 반사, 회절 등 모드 아웃커플러 등을 통해 달성될 수 있다.
이제 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 도파관(100)은 슬래브 코어 구조체(108)를 포함하며, 이는 기판(110)에 의해 지지될 수 있다. 반사기(121)는 슬래브 코어 구조체(108)에 커플링된다. 반사기(121)는 이 예시에서 도파관(100)의 에지(131)에 배치된다. 아웃커플링 영역(114)은 도파관(100)에서 전파된 광의 아웃커플링을 위해 슬래브 코어 구조체(108) 위에 제공된다. 광 소스들의 어레이(102)는 도파관(100)의 입력 포트(104)에 커플링될 수 있다. 도파관(100)과 커플링된 광 소스들의 어레이(102)는, 광 빔을 스캔하거나 각도 도메인에서 이미지의 라인을 제공하는 1D 투영기로서 사용될 수 있다. 광 소스들의 어레이(102)는 초발광 LED(superluminescent LED; SLED) 어레이 또는 레이저 다이오드(laser diode; LD) 어레이와 같은 방출기 어레이, 또는 단일 방출기 또는 광 소스에 광학적으로 커플링된 마이크로미러들과 같은 점 광 소스들의 어레이, 단일 방출기 또는 광 소스에 커플링된 마하-젠더 간섭계들(MZI)의 어레이 등을 포함할 수 있다.
슬래브 코어 구조체(108)는 도파관(100)의 두께 방향으로, 즉 도 1a 및 도 1b의 Z축을 따라 서로 오프셋된, 평행하게 에베네센트 방식으로 커플링된 제1 (141) 및 제2 (142) 슬래브 코어들, 예를 들어, 단일 모드 또는 소수 모드 코어들을 포함한다. 슬래브 코어 구조체(108)는 제1 (141) 및 제2 (142) 코어들 각각에서 인커플링된 광의 전파의 제1 (111) 및 제2 (112) 광학 모드들을 지원한다. 동작 시, 광 소스들의 어레이(102)는, 입력 포트(104)에서 제1 광학 모드(111)로 커플링되는 적어도 하나의 광 빔(105)(도 1a)을 방출한다. 광 빔(105)은 도파관(100)의 에지(131)를 향해 전파된다. 반사기(121)는 광 빔(105)을 반사하여 슬래브 코어 구조체(108) 내로 다시 전파시킨다(도 1b). 도파관(100)은, 슬래브 코어 구조체(108) 내에서 반사기(121)를 향해 그리고 반사기(121)로부터의 반사 후에 다시 전파될 때, 제1 광학 모드(111)로부터 제2 광학 모드(112)로 광선(105)을 변환하도록 구성된다. 모드 간 전이들은 점선 화살표(115)로 표시된다. 제1 광학 모드(111)로부터 제2 광학 모드(112)로의 광 에너지의 요구되는 커플링을 제공하기 위해, 제1 (141) 및 제2 (142) 슬래브 코어들은, 반사기(121)로부터 반사된 광 빔(105)이 아웃커플링 영역(114)에 도달할 때, 광 빔(105)의 대부분, 예를 들어 적어도 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 또는 그보다 많은 부분이 제1 슬래브 코어(141)에서 전파되는 제1 광학 모드(111)로부터 제2 슬래브 코어(142)에서 전파되는 제2 광학 모드(112)로 변환되는 거리(분리)만큼 서로 오프셋될 수 있다. 제1 광학 모드(111)로부터 제2 광학 모드(112)로의 광 빔(105)의 변환은 입력 포트(104)로부터 반사기(121)로(즉, X축의 양의 방향으로) 그리고 다시 아웃커플링 영역(114)으로(즉, X축의 음의 방향으로)의 광 빔 전파의 전체 광학 경로를 따라 발생한다는 점을 주목한다.
아웃커플링 영역(114)의 기능은, 이 예시에서, 제2 광학 모드(112)(즉, 제2 슬래브 코어(142))에서 전파되는 광 빔(105)의 적어도 일부(125)를 도파관(100)으로부터 아웃커플링하는 것이다. 아웃커플링 영역(114)은, 예를 들어, 제2 슬래브 코어(142)에 커플링된 아웃커플러를 포함할 수 있다. 아웃커플러는, 프리즘, 투명 플레이트, 프리즘 미러, 회절 격자 등과 같은 광학 요소를 포함할 수 있다. 반사기(121)는, 슬래브 코어 구조체의 평면, 즉 도 1a 및 도 1b의 XY 평면 내에, 입력 포트(104)에서 수신된 광 빔(105)의 적어도 부분적인 시준을 위한 광 출력, 즉 이 경우에는 포커싱 출력(focusing power)을 가질 수 있다. 아웃커플링 영역(114), 반사기(121) 및 도파관(100)의 전반적인 동작에 대한 위의 설명은, 본 개시에서 고려되는 모든 도파관 변형들에도 적용된다.
광 소스들의 어레이(102)의 광 소스들에 전원이 공급될 때, 각 광 소스는, 반사기(121)에 의해 시준되어 그 특정 광 소스에 대해 특정한 각도로 전파되는 광 빔을 제공한다. 함께, 시준된 광 빔은 아웃커플링 영역(114)에서 시작되는 빔 부채꼴(beam fan)을 형성하며, 부채꼴의 각 광 빔은 개별적으로 밝기가 조절될 수 있다. 이것은, 이미지 투영, 원격 감지, 직접 빔 스캐닝, 조명 시스템 MEMS 기반 스캐너들, 3D 이미징 등을 포함하는 다양한 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 이미징 애플리케이션들의 경우, 생성된 광 빔들의 부채꼴은 각도 도메인에서 이미지의 라인에 대응한다. 또한, 본 개시에 설명된 모든 투영기들 및 도파관들은 도파관 구조체들의 비제한적인 예시들이도록 의도된다는 점을 주목한다. 피코 투영기들(pico-projectors) 및 평판 시준기들(flat collimators)에서 디스플레이용 백라이트 유닛들, 직접 혼합 현실(MR) 디스플레이들, 센서들, 스캐너 등까지의 범위에 이르는 응용들을 위해, 예를 들어, 컬러 필터링, 분산 엔지니어링, 빔 시준, 수차 보정 등의 다수의 다른 응용들이 가능하다.
도 2a 및 도 2b로 넘어가면, 도파관(200)은 도 1a 및 도 1b의 도파관(100)과 유사하며, 유사한 요소들, 예를 들어 기판(210)에 의해 지지되는 슬래브 코어 구조체(208), 도파관(200)의 에지(231)에서 슬래브 코어 구조체(208)에 커플링된 반사기(221) 및 슬래브 코어 구조체(208) 위의 아웃커플링 영역(214)을 포함한다.
슬래브 코어 구조체(208)는 전파의 제1 (211) 및 제2 (212) 광학 모드들을 각각 지원하는, 평행하게 에베네센트 방식으로 커플링된 제1 (241) 및 제2 (242) 슬래브 코어들을 포함한다. 제1 슬래브 코어(241)는 단일 모드 슬래브 코어이고, 제2 슬래브 코어(242)는 상이한 두께들의 커플링된 제1 (242A) 및 제2 (242B) 슬래브 코어 부분들을 포함한다. 제1 슬래브 코어 부분(242A)의 두께는, 제1 슬래브 코어 부분(242A)에서 전파되는 광학 모드의 유효 굴절률이 제1 슬래브 코어(241)에서 전파되는 광학 모드의 유효 굴절률과 일치되도록 하여, 두 도파관들 사이의 커플링을 가능하게 한다. 제2 슬래브 코어 부분(242B)의 두께는 상이하고 - 더 높거나 더 낮음 - 유효 굴절률의 불일치(mismatch)로 인해 제1 슬래브 코어(241)와의 효율적인 광 교환을 방해한다.
제1 슬래브 코어 부분(242A)은 반사기(221)에 커플링되고, 제2 슬래브 부분(242B)은 아웃커플링 영역(214)에 커플링된다. 제1 광학 모드(211)로부터 제2 광학 모드(212)로의 광 에너지의 커플링을 제공하기 위해, 제1 (241) 및 제2 (242) 슬래브 코어들은, 반사기(221)로부터 반사된 광 빔(105)이 제2 슬래브 코어(242)의 제2 부분(242B)에 도달할 때까지, 광 빔(105)의 대부분, 예를 들어 적어도 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 또는 그보다 많은 부분이, 제1 슬래브 코어(241)에서 전파되는 제1 광학 모드(211)로부터 제2 슬래브 코어(242)의 제1 부분(242A)에서 전파되는 제2 광학 모드(212)로 변환되는 거리만큼, 도파관(200)의 두께 방향, 즉 도 2a 및 2b에서 Z 방향으로 서로 오프셋된다. 모드 변환은 대부분 슬래브 도파관(241)과 제1 슬래브 도파관 부분(242A) 사이에서 발생하는데, 모드 변환은 도파관 모드들 사이에서 유효 굴절률들을 일치시키는 것이 요구되기 때문이다. 슬래브 도파관(241)과 제2 슬래브 도파관 부분(242B) 사이에는 유효 굴절률 불일치로 인해 실질적으로 변환이 없다. 이것은, 아웃커플링 영역(214) 아래로부터 직접 제1 광학 모드(211)에서 제2 광학 모드(212)로 누출되는 광을 감소시켜, 아웃커플링 영역(214)에 의해 아웃커플링된 광 부분(125)으로 하여금, 반사기(221)로 이동하고 돌아온 광을 대부분 포함하게 한다.
도 3을 참조하면, 도파관(300)은 도 1a 및 1b의 도파관(100) 및 도 2a 및 2b의 도파관(200)과 유사하며, 유사한 요소들을 포함한다. 도 3의 도파관(300)은 입력 포트(304), 기판(310)에 의해 지지되는 슬래브 코어 구조체(308), 및 도파관(300)의 에지(331)에서 슬래브 코어 구조체(308)에 커플링된 에지 반사기(321)를 포함한다. 아웃커플링 영역(314)은 슬래브 코어 구조체(308) 위에 제공된다.
슬래브 코어 구조체(308)는 평행한 제1 (341) 및 제2 (342) 슬래브 코어들을 포함한다. 에지 반사기(321)는 광학적으로 커플링된 제1 (351) 및 제2 (352) 경사 반사기들을 포함한다. 제1 경사 반사기(351)는, 제1 슬래브 코어(341)에서 전파되는 광 빔(105)을 제2 경사 반사기(352)로 반사하기 위해, 제1 슬래브 코어(341)에 커플링된다. 제2 경사 반사기(352)는, 제2 경사 반사기(352)에 의해 반사된 광 빔(105)을 제2 슬래브 코어(342)로 커플링시키기 위해, 제2 슬래브 코어에 커플링된다. 동작 시, 광 소스들의 어레이(102)는 단일 광 빔(105) 또는 복수의 광 빔들(105)을 방출하며, 각 빔은 어레이(102)의 특정 광 소스에 대응한다. 광 빔(105)은 입력 포트(304)에서 제1 슬래브 도파관(341)으로 커플링되고, 제1 슬래브 도파관(341) 내에서 전파되고, 제1 경사 반사기(351)에 의해 제2 경사 반사기(352) 쪽으로 반사되고, 제2 경사 반사기(352)에 의해 제2 슬래브 도파관(342) 내로 반사되고, 제2 슬래브 도파관(342) 내에서 전파되고, 광 빔(105)의 적어도 일부(125)는 아웃커플링 영역(314)에서 아웃커플링된다. 제1 (351) 및/또는 제2 (352) 반사기들은 XY 평면에서 만곡될 수 있으며, 즉 광 빔 부분(125)의 적어도 부분적인 시준을 위해 XY 평면에서 광 출력을 가질 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 도파관(400)은 앞서 고려된 도파관들(100, 200 및 300)과 유사하며, 코어 층들 사이에서 광을 커플링하기 위해 경사 미러들 대신 회절 반사기들이 사용된다. 도 4의 도파관(400)은 입력 포트(404)에 커플링된 광 소스들의 어레이(102), 기판(410)에 의해 지지되는 슬래브 코어 구조체(408), 및 슬래브 코어 구조체(408) 위에 제공되는 아웃커플링 영역(414)을 포함한다.
슬래브 코어 구조체(408)는 평행한 제1 (441) 및 제2 (442) 슬래브 코어들을 포함한다. 제1 슬래브 코어(441)는 제1 회절 반사기(461)를 포함한다. 격자 콘트라스트, 피치, 경사각 등과 같은 제1 회절 반사기(461)의 파라미터들은, 광 빔(105)을 위쪽으로, 즉 도파관(400)의 두께 방향으로 제2 슬래브 코어(442)를 향해 아웃커플링하도록 선택된다. 제2 슬래브 코어(442)는, 예를 들어 에지(431) 근방에 배치되고, 제1 회절 반사기(461) 위에 배치되고 이에 광학적으로 커플링된, 제2 회절 반사기(462)를 포함한다. 격자 콘트라스트, 피치, 경사각 등과 같은 제2 회절 반사기(462)의 파라미터들은 제1 회절 반사기(461)에 의해 제2 슬래브 코어(442)로 재지향된(redirected) 광 빔(105)을 아웃커플링 영역(414)을 향하는 방향으로 커플링하도록 선택된다. 본 출원에서 사용되는 "회절 반사기"라는 용어는, 예를 들어, 브래그 격자, 메타표면 구조, 서브파장 격자, 포토닉 크리스탈(Photonic Crystal; PhC), PhC 캐비티 등을 포함할 수 있다.
동작 시, 광 소스들의 어레이(102)는 적어도 하나의 광 빔(105) 또는 복수의 광 빔들(105)을 방출하며, 각 빔은 어레이(102)의 특정 광 소스에 대응한다. 광 빔(105)은 입력 포트(404)에서 제1 슬래브 도파관(441)으로 커플링되고, 제1 슬래브 도파관(441) 내에서 전파되고, 제1 회절 반사기(461)에 의해 제2 회절 반사기(462)를 향해 재지향되고, 제2 회절 반사기(462)에 의해 재지향되어 제2 슬래브 도파관(442) 내에서 전파된다. 광 빔(105)은 제2 슬래브 도파관(442) 내에서 전파되고, 광 빔(105)의 적어도 일부(125)는 아웃커플링 영역(414)에서 아웃커플링된다. 제1 (461) 및 제2 (462) 회절 반사기들은, 광 빔 부분(125)의 적어도 부분적인 시준을 위해, XY 평면에서 광 출력을 가질 수 있고, 즉 XY 평면에서 만곡될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 도파관(500A)은 앞서 고려된 도파관들(100, 200, 300, 및 400)과 유사하며, 동일하거나 유사한 요소들을 포함한다. 도파관(500)은 기판(510)에 의해 지지되는 슬래브 코어 구조체(508)를 포함한다. 반사기(521A)는 도파관(500)의 에지(531)에서 슬래브 코어 구조체(508)에 커플링된다. 반사기(521A)는 반사기(521A)를 반사하는 광 빔(105)의 일부에 대해 반파 위상 변이를 제공하기 위한 계단(step)(552)을 포함한다. 아웃커플링 영역(514)은 슬래브 코어 구조체(508) 위에 제공된다. 슬래브 코어 구조체(508)는 소수 모드 도파관을 포함한다. 본 명세서 및 명세서의 나머지 부분 전체에서, “소수 모드 도파관"이라는 용어는, 하나가 아닌 전파의 몇몇 측방향 모드들, 예를 들어 적어도 2개, 3개, 4개, 5개 또는 6개의 모드들이지만, 12개보다는 많지 않은 측방향 모드들을 지원하는 도파관을 의미한다.
동작 시, 광 소스들의 어레이(102)는 적어도 하나의 광 빔(105) 또는 복수의 광 빔들(105)을 방출하며, 각 빔은 어레이(102)의 특정 광 소스에 대응한다. 입력 포트(504)에서 커플링된 광 빔(또는 빔들)은 슬래브 코어 구조체(508)에서 제1 측방향 모드(511)로 전파된다. 이 예시에서, 제1 모드(511)는 전파의 기본 또는 0차 측방향 모드이다. 광 빔(105)은, 계단식 반사기(521A)로부터 반사될 때까지 제1 측방향 모드(511)에서 전파되고, 계단식 반사기(521A)에서는 광 빔(105)의 적어도 일부가 제1 측방향 모드(511)로부터 제2 측방향 모드(512)로 변환되며, 제2 측방향 모드(512)는, 이 경우 소수 모드 도파관에서의 전파의 고차 측방향 모드이며, 예를 들어, 1차 모드, 2차 모드 등이다. 계단형 반사기(521A)의 단(552)의 기능은 제1 측방향 광학 모드(511)로부터 제2 측방향 광학 모드(512)로의 모드 변환에 필요한 위상 변이를 제공하기 위한 것이다. 제2 모드(512)로의 반사에 최적인 도파관 두께가, 제1 광학 모드(511)에서 제2 광학 모드(512)로의, 이들 사이의 아웃커플링 차이를 최대화하는 도파관 두께와 동일하지 않기 때문에, 에칭된 영역(580)이 계단형 반사기(521A) 앞에 제공될 수 있다. 제2 광학 모드(512)에서의 광 빔(105)은 아웃커플링 영역(514)으로 전파된다. 제2 광학 모드(512)는 측방향으로, 즉 도 5에서 Z 방향으로 더 넓기 때문에, 제2 광학 모드(512)는 제1(0차) 모드(511)보다 훨씬 더 효율적으로 아웃커플링 영역(514)에서 아웃커플링된다. 광 빔(105)의 부분(125)이 아웃커플링 영역(514)에서 아웃커플링된다. 계단형 반사기(521A)는 광 빔 부분(125)의 적어도 부분적인 시준 또는 완전한(full) 시준을 위해, XY 평면에서 광 출력을 가질 수 있으며, 즉 XY 평면에서 만곡될 수 있다.
이제 도 5b로 넘어가면, 도파관(500B)은 도 5a의 도파관(500)의 변형이다. 도 5b의 도파관(500B)은 슬래브 코어 구조체(508)에 커플링되거나 슬래브 코어 구조체(508) 내에 형성되는 회절 반사기(521B)를 포함한다. 회절 반사기(521B)는, 회절 반사기(521B)로부터 반사될 때, 광 빔(105)의 적어도 일부를, 소수 모드 도파관의 제1 측방향 광학 모드(511)로부터 제2 측방향 광학 모드(512)로, 이 예시에서는 기본 또는 0차 모드로부터 고차 모드로 변환하도록 구성된다. 아웃커플링 영역(514)이 슬래브 코어 구조체(508) 위에 제공된다.
동작 시, 광 소스들의 어레이(102)는 적어도 하나의 광 빔(105) 또는 복수의 광 빔들(105)을 방출하며, 각 빔은 어레이(102)의 특정 광 소스에 대응한다. 입력 포트(504)에서 커플링된 광 빔 또는 빔들(105)은 슬래브 코어 구조체(508)에서 제1 측방향 모드(511)로 전파된다. 광 빔(105)은, 회절 반사기(521B)로부터 반사될 때까지 제1 측방향 모드(511)에서 전파되고, 광 빔(105)의 적어도 일부가 제1 측방향 모드(511)로부터 제2 측방향 모드(512)로 변환되며, 제2 측방향 모드(512)는, 이 경우 소수 모드 도파관에서의 전파의 고차 측방향 모드이며, 예를 들어, 1차 모드, 2차 모드 등이다. 제2 광학 모드(512)에서의 광 빔(105)은 아웃커플링 영역(514)으로 전파된다. 제2 광학 모드(512)는 덜 제한되고, 또는 다시 말해, 측방향으로, 즉 도 5b에서 Z 방향으로 더 넓기 때문에, 제2 광학 모드(512)는 제1(0차) 모드(511)보다 훨씬 더 효율적으로 아웃커플링 영역(514)에서 아웃커플링된다. 광 빔(105)의 부분(125)이 아웃커플링 영역(614)에서 아웃커플링된다. 회절 반사기(521B)는 광 빔 부분(125)의 적어도 부분적인 시준 또는 완전한 시준을 위해, XY 평면에서 광 출력을 가질 수 있으며, 즉 XY 평면에서 만곡될 수 있다.
모드 변환은 다음 공식에 의해 정의된 격자 피치를 선택함으로써 회절 반사기(521B)에 의해 제공될 수 있다:
P = λ/(n 0 eff + n 1 eff ) (1)
여기서, λ은 광 빔의 파장이고, n 0 eff 은 0차 모드에 대한 유효 굴절률이고, n 1 eff 은 고차 모드에 대한 유효 굴절률이다.
도 5a 및 도 5b의 슬래브 코어 구조체(508)의 다양한 구성들이 가능하다. 일부 예시들에서, 슬래브 코어 구조체는 다중 모드 간섭(multimode interference; MMI) 커플러를 포함한다. 반사기는 MMI 커플러의 원위 에지에 제공될 수 있다. 이러한 구성에서, MMI 커플러는, 아웃커플링 영역이 도파관으로부터 덜 제한된 모드를 선택적으로 아웃커플링하는 것을 가능하게 하기 위해, 입력 포트에서 주입된 모드의 아웃커플링 영역에서 덜 제한되는 상이한 모드로의 변환을 제공하기 위한 길이 및 기하학적 치수를 가질 수 있다.
도 6a 및 6b를 참조하면, 도파관(600)은 광 소스 어레이(102)에 의해 방출된 광 빔(105)을 슬래브 코어 구조체(608) 내에서 전파의 제1 광학 모드(611)로 인커플링하기 위한 입력 포트(604)를 포함하고, 이는 전파의 제1 광학 모드(611), 예를 들어 0차 모드, 및 전파의 제2 광학 모드(612), 예를 들어 전파의 제1 광학 모드를 지원한다. 슬래브 코어 구조체(608)는, 모드 간 커플러(621)에서 전파될 때 광 빔(105)을 제1 광학 모드(611)로부터 제2 광학 모드(612)로 변환하기 위한, 모드 간 커플러(621)를 포함한다. 아웃커플링 영역(614)은, 제2 광학 모드(612)에서 전파되는 광 빔(105)의 일부(125)를 아웃커플링하기 위해, 모드 간 커플러(621), 예를 들어 전송 시 동작하는 격자 커플러의 하류에 제공된다.
동작 시, 광 빔(102)은 슬래브 코어 구조체(608)에 인커플링되고 제1 광학 모드(611)에서 모드 간 커플러(621)를 향해 전파되며, 모드 간 커플러(621)는 광 빔(105)을 제1 광학 모드(611)로부터 제2 광학 모드(612)로 변환한다. 예시된 예시에서, 제1 (611) 및 제2 (612) 광학 모드들은 상이한 유효 굴절률들을 갖는다. 모드 간 커플러(621)는, 슬래브 코어 구조체(608)의 평면, 즉 XY 평면에서 형태가 이루어진 격자를 포함하며, 이에 의해 광 빔(105)의 상이한 광선들이 입력 포트(604)로부터 격자에 이르는 XY 평면에서 상이한 광학 경로 길이들을 갖는다. 예를 들어, 구체적으로 도 6b를 참조하면, 입력 포트(604)와 모드 간 커플러(621) 사이의 광학 경로 길이는 광 빔(105)의 중앙 광선(641)에 대해 측면 광선(642)에 대해서보다 더 길다. 제1 광학 모드(611)는 제2 광학 모드(612)보다 더 높은 유효 굴절률을 갖는다. 따라서, 입력 포트(604)에 중심을 둔 호(650)로 이동하는 동안, 중앙 광선(641)은 측면 광선(642)보다 제1 광학 모드(611)에서 더 긴 거리를 이동할 것이고, 이는 중앙 광선(641)으로 하여금 위상 지연과 함께 호(650)에 도착하게 하여, 광 빔(105)으로 하여금 XY 평면에서 더 시준되게 한다. XY 평면에서 모드 간 커플러(621)의 형태를 선택함으로써, 포커싱, 디포커싱 및/또는 광학 시스템의 광학 수차들의 보정에 대응하는, 요구되는 위상 지연 기능을 제공할 수 있다. 또한, 도파관(600)은 도 1a, 1b 내지 도 5a, 5b를 참조하여 위에서 고려된 모드 간 커플링을 위한 반사 구성을 포함할 수 있고, 그 반대로, 도 1a, 1b 내지 도 5a, 5b의 도파관들은 도 6a 및 6b의 모드 간 커플러(621)와 같은 투과성(transmissive) 모드 간 커플러를 포함할 수 있다는 것에 주목한다.
도 1a, 1b 내지 도 5a, 5b의 도파관들의 광학적 성능이 이제 고려될 것이다. 먼저 도 7a를 참조하면, 본 개시의 도파관이 평면도로 도시된다. 도파관(700)은 주입된 광의 시준을 위해 구성된 도파관(700)의 에지에 만곡된 반사기(721)를 갖는다. 만곡된 반사기(721)는, 도 1a, 1b 내지 도 5a, 5b의 도파관들(100, 200, 300, 400, 500A 및 500B)의 반사기들 또는 그들의 격자 균등물들을 나타낸다. 다시 말해, 도 7a의 만곡된 반사기(721)는, 반사된 표면, 회절 반사기 등으로서 구현될 수 있으며, 도파관(700A)의 에지에 위치될 필요는 없다. 단일 만곡된 반사기를 갖는 도파관(700A)의 광학적 성능을 결정하기 위해, 광선들(706)이 역방향으로, 즉 출구 동공(730)에서 시준된 상태로부터 초점 평면(730)에서의 초점 스폿들(701, 702, 703, 704 및 705)로 추적되었다. 상이한 초점 스폿들(701, 702, 703, 704, 및 705)은 스폿들을 형성하는 시준된 광 빔들의 상이한 각도들에 대응한다. 상이한 빔 각도들은, 본 명세서에서 "필드 각도들"이라고도 칭해진다. 상이한 필드 각도들에서의 광학 수차들은, 만곡된 반사기(721)의 형태가 광학 설계 소프트웨어를 사용하여 최적화된 후, 다양한 필드 각도들에서 시준된 광 빔들이 만곡된 반사기(721)에 의해 얼마나 잘 포커싱되는지를 분석함으로써 평가될 수 있다. 예를 들어, 도 7b를 참조하면, 광학 전달 함수(optical transfer function; OTF)의 계수(modulus)는 도 7a의 필드 각도들 대(vs.) mm당 사이클들에서의 공간 주파수에 대해 계산되었다. 상이한 OTF들(711, 712, 713, 714 및 715)은 초점 평면(732)에서 초점 스폿들(701, 702, 703, 704 및 705) 각각에 대응한다. 회절 한계는 이상적인 OTF 곡선(710)에 의해 표현된다. 다음 표 1은 OTF들(711, 712, 713, 714 및 715)에 대한 필드 각도들을 나열한다.
초점 스폿 # 701 702 703 704 705
OTF # 711 712 713 714 715
필드 각도(탄젠트), 도(degrees) 0 5 7 10 13.5
+-13.5도의 필드 각도들은 공기 중에서 +-20도의 필드 각도들에 대응하며, 이는 와이드-FOV 근안 디스플레이 애플리케이션들에는 충분하지 않을 수 있다.
광학 수차들의 밸런스를 개선하거나 도파관 기반 1D 투영기의 시야를 넓히기 위해, 도파관에 제2 반사기가 제공될 수 있다. 두 반사기들 또는 그들의 격자 균등물들의 동축 배향은, 더 나은 수차 밸런싱을 허용할 수 있다. 도 8a는 도파관(800)의 반대측 면들에 제1 (821) 및 제2 (822) 동축 만곡된 반사기들을 포함하는 도파관(800)의 광학적 구성을 예시한다. 도 7a와 유사하게, 도 8a의 광선들(800)은 역방향으로, 즉 출구 동공(830)에서의 시준된 상태로부터 초점 스폿들(801, 802, 803, 804, 805, 806, 807, 808, 및 809)까지 추적되었다. 상이한 초점 스폿들(801-809)은 초점 스폿들(801-809)을 형성하는 시준된 광 빔들의 상이한 각도들에 대응한다. 상이한 빔 각도들은 "필드 각도들"이라고도 칭해진다. 다양한 필드 각도들에서의 광학 수차들은, 상이한 필드 각도들에서 시준된 광 빔이 제1 (821) 및 제2 (822) 만곡된 반사기들에 의해 얼마나 잘 포커싱되는지를 분석하여 평가될 수 있다. 제1 (821) 및 제2 (822) 만곡된 반사기들의 형태는 광학 설계 소프트웨어에 의해 최적화되었다. 제1 (821) 및 제2 (822) 만곡된 반사기들은 반사기의 일 예시를 의미할 뿐이다. 예를 들어, 회절 반사기들과 같은 다른 유형들의 반사기들이 사용될 수 있다.
OTF 계산들의 결과들은 도 8b에 나타나 있으며, 여기서 OTF 계수(811)는 공기 중에서 -30도 내지 +30도 범위의 필드 각도들에 대해 계산되었다. 스폿들(801-809)에 대응하는 OTF 곡선들은 서로 가깝게 배치되어 있으며, 따라서 단순화를 위해 단일 참조 숫자(811)로 라벨링되었다. 모든 필드 각도들에서, OTF 성능은 +-30도 FOV에 대해, 이상적인 OTF 곡선(810)으로 나타낸, 이론적으로 달성 가능한 최상의 회절 제한 성능에 매우 근접하다는 것을 알 수 있다. 본 명세서에서 고려되는 2개 반사기 및 1개 반사기 도파관 구성들의 광학 수차들은 도 6a 및 6b의 모드 간 커플러(621)와 유사한 투과성 모드 간 커플러를 도파관 구성에 제공함으로써 완화될 수 있다.
이중 반사기(dual-reflector) 도파관의 광학 구성들의 예시들이 이제 고려된다.
먼저 도 9a, 9b 및 9c를 참조하면, 도파관(900)은 도 1a 및 도 1b의 도파관(100)과 유사하다. 도 9a-9c의 도파관(900)은 선택적으로 기판(910)에 의해 지지되는 슬래브 코어 구조체(908)로 광(105)을 주입하기 위한 입력 포트(904)를 포함한다. 제1 (921) 및 제2 (922) 동축 반사기들은 도파관(900)의 반대측 제1 (931) 및 제2 (932) 에지들에서 슬래브 코어 구조체(908)에 커플링된다. 아웃커플링 영역(914)은, 슬래브 코어 구조체(908)에서 전파된 광의 아웃커플링을 위해, 슬래브 코어 구조체(908) 위에서 제1 (921) 및 제2 (922) 반사기들 사이에 제공된다. 제1 (921) 및 제2 (922) 반사기들은, 도파관(900)의 아웃커플링 영역(914)에서 아웃커플링되고 도파관(900)의 입력 포트(904)에서 수신된 광 빔(105)의 시준을 위해, XY 평면, 즉, 도파관(900)의 평면에서 포커싱 출력을 갖도록 XY 평면에서 만곡될 수 있다. 제1 (921) 및 제2 (922) 만곡된 반사기들의 동축 배향은 도 8a 및 도 8b를 참조하여 위에서 도시한 바와 같이 광학 수차들의 감소를 용이하게 한다.
슬래브 코어 구조체(908)는 평행하게 에베네센트 방식으로 커플링된 제1 (941), 제2 (942), 및 제3 (943) 슬래브 코어들, 예를 들어 단일 모드 또는 소수 모드 코어들을 포함한다. 제1 (941), 제2 (942) 및 제3 (943) 슬래브 코어들은 도파관(900)의 두께 방향으로, 즉 도 9a, 9b 및 9c에서 Z축을 따라 서로 오프셋된다. 슬래브 코어 구조체(908)는 제1 (941), 제2 (942) 및 제3 (943) 슬래브 코어들 각각에서 인커플링된 광의 전파의 제1 (911), 제2 (912) 및 제3 (913) 광학 모드들을 지원한다. 동작 시, 광 소스들의 어레이(102)의 각 광 소스는 광 빔을 방출할 수 있다. 상이한 광 소스들로부터의 광 빔들은 Y 방향으로 오프셋된다. 적어도 하나의 광 빔(105)이 방출될 수 있다(도 9a). 광 빔(105)은 입력 포트(904)에서 제1 광학 모드(911)를 지원하는 제1 슬래브 코어(941)로 커플링된다. 광 빔(105)은 도파관(900)의 제1 에지(931)를 향해 전파된다. 입력 포트(904)의 반대편에 배치된 제1 반사기(921)는 광 빔(105)을 반사하여 슬래브 코어 구조체(908)에서 제2 에지(932)를 향해 다시 전파시킨다(도 9b). 도파관(900)은, 슬래브 코어 구조체(908)에서 제1 반사기(921)를 향해 전파될 때(도 9a), 광 빔(105)이 제1 광학 모드(911)로부터 제2 광학 모드(912)로, 더 나아가 제3 광학 모드(913)로 변환되도록 구성되고, 다시 제2 반사기(922)를 향해(도 9b), 그리고 제2 반사기(922)로부터 반사된 후 아웃커플링 영역(914)을 향해 다시 전달되도록(도 9c) 구성된다. 모드 간 전이는 점선 화살표(115)로 표시된다. 제1 광학 모드(911)로부터 제2 광학 모드(912)로 그리고 더 나아가 제3 광학 모드(913)로의 광 에너지의 요구되는 커플링을 제공하기 위해, 제1 (941), 제2 (942) 및 제3 (943) 슬래브 코어들은, 제1 (921) 및 제2 (922) 반사기들 둘 다로부터 반사된 광 빔(105)이 아웃커플링 영역(914)에 도달할 때, 광 빔(105)의 대부분, 예를 들어, 적어도 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 또는 그보다 많은 부분이, 제2 슬래브 코어(942)에서 전파되는 제2 광학 모드(912)를 통해 제1 슬래브 코어(941)에서 전파되는 제1 광학 모드(911)로부터 제3 슬래브 코어(943)에서 전파되는 제3 광학 모드(913)로 변환되는 거리만큼, 도파관(900)의 두께 방향, 즉 Z 방향으로 서로 오프셋될 수 있다. 제1 광학 모드(911)로부터 제2 광학 모드(912)로 그리고 더 나아가 제3 광학 모드(913)로의 광 빔(105)의 변환은, 도 9a, 9b 및 9c에 예시된 바와 같이, 입력 포트(904)로부터 제1 반사기(921)로(즉, X축의 양의 방향으로), 다시 제2 반사기(922)로(즉, X축의 음의 방향으로), 그리고 아웃커플링 영역(914)으로(X축의 양의 방향으로), 광 빔(105)의 전파의 전체 광학 경로를 따라 수행된다는 점을 주목한다.
아웃커플링 영역(914)의 기능은, 제3 광학 모드(913)(즉, 제3 슬래브 코어(943))에서 전파되는 광 빔(105)의 적어도 일부(125)를 도파관(900)으로부터 아웃커플링하는 것이다. 아웃커플링 영역(914)은, 제1 반사기(921)로부터 제2 반사기(922)로 제3 슬래브 코어(943)에서 전파되는 광(125')의 원하지 않는 아웃커플링을 감소시키면서, 제2 반사기(922)로부터의 반사 후, 즉 X축 방향으로, 제3 슬래브 코어(943)에서 전파되는 광 빔의 부분(125)을 최대화하도록 배치 및 구성될 수 있다. 아웃커플링 영역(914)은, 예를 들어, 제3 슬래브 코어(943)에 에베네센트 방식으로 커플링된 아웃커플러를 포함할 수 있다. 아웃커플러는, 제3 슬래브 코어(943)에서 전파되는 제3 광학 모드(913)에 대한 유효 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는, 프리즘, 투명 플레이트, 프리즘 미러, 회절 격자 등과 같은 광학 요소를 포함할 수 있다. 제1 (921) 및 제2 (922) 반사기들은, 입력 포트(904)에서 수신된 광 빔(105)을 슬래브 코어 구조체의 평면, 즉 도 9a, 9b 및 9c의 XY 평면에 적어도 부분적으로 시준하기 위한, 광 출력, 즉 포커싱 또는 디포커싱 출력을 가질 수 있다.
광 소스들의 어레이(102)에 전원이 공급될 때, 각 광 소스는 동축 제1 (921) 및 제2 (922) 반사기들의 쌍에 의해 시준될 광 빔을 제공하여, 그 특정 광 소스에 대해 특정한 각도에서 전파시킨다. 상이한 광 소스들에 전원이 공급될 때, 도파관(900)은 아웃커플링 영역(914)에서 시작되는 시준된 광 빔들의 부채꼴(fan)을 생성하며, 각 광 빔은 밝기 및/또는 색상 또는 방출 파장이 독립적으로 조정될 수 있다.
도 10을 참조하면, 도파관(1000)은 도 5b의 도파관(500B)과 유사하며, 유사한 요소들을 포함한다. 도 10의 도파관(1000)은 광 소스들의 어레이(102)에 의해 방출된 광(105)을 기판(1010)에 의해 선택적으로 지지되는 슬래브 코어 구조체(1008)로 커플링하기 위한 입력 포트(1004)를 포함한다. 슬래브 코어 구조체(1008)는 슬래브 코어 구조체(1008)에 대해 상이한 제한 정도를 갖는, 전파의 적어도 제1, 제2 및 제3 측방향 모드들을 지원하는 소수 모드 도파관을 포함한다. 제1 (1021) 및 제2 (1022) 회절 반사기들이 도시된 바와 같이 도파관(1000)의 반대 측 제1 (1031) 및 제2 (1032) 에지들에 근접하여 슬래브 코어 구조체(1008)에 커플링된다. 제1 회절 반사기(1021)는, 제1 회절 반사기(1021)로부터 반사될 때, 광 빔(105)의 적어도 일부를, 소수 모드 도파관의 제1 측방향 광학 모드(1011)로부터 제2 측방향 광학 모드(1012)로, 이 예시에서는 기본 또는 0차 모드로부터 소수 모드 도파관의 고차 모드로 변환하도록 구성된다. 제2 회절 반사기(1022)는, 제2 회절 반사기(1022)로부터 반사될 때,광 빔(105)의 적어도 일부를, 제2 모드(1012)로부터 제3 측방향 광학 모드(1013)로, 즉, 소수 모드 도파관의 또다른 고차 모드로 변환하도록 구성된다.
아웃커플링 영역(1014)은, 슬래브 코어 구조체(1008)에서 전파된 광의 아웃커플링을 위해, 슬래브 코어 구조체(1008) 위에서 제1 (1021) 및 제2 (1022) 회절 반사기들 사이에 제공된다. 제1 (1021) 및 제2 (1022) 회절 반사기들은, 도파관(1000)의 아웃커플링 영역(1014)에서 아웃커플링되고 도파관(1000)의 입력 포트(1004)에서 수신된 광 빔(105)의 시준을 위해, XY 평면, 즉, 도파관(1000)의 평면에서 광 출력을 갖도록 XY 평면에서 만곡될 수 있다. 제1 (1021) 및 제2 (1022) 만곡된 회절 반사기들의 동축 배향은 광학 수차들의 감소를 용이하게 할 수 있다.
동작 시, 광 소스들의 어레이(102)는 적어도 하나의 광 빔(105) 또는 복수의 광 빔들(105)을 방출하며, 각 빔은 어레이(102)의 특정 광 소스에 대응한다. 광 빔(105)은 입력 포트(1004)에서 커플링된다. 그 다음, 광 빔(105)은 제1 측방향 모드(1011), 즉, 기본 모드에서 전파된다. 제2 회절 반사기(1022)는 제2 (1012) 및 제3 (1013) 광학 모드들에 있는 광만 반사시키기 때문에, 광 빔(105)은 반사 없이 제2 회절 반사기(1022)를 통해 제1 측방향 모드(1011)에서 전파된다. 광 빔(105)은 제1 회절 반사기(1021)로부터 반사되고, 광 빔(105)의 적어도 일부는 제1 측방향 모드(1011)로부터 제2 측방향 모드(1012), 소수 도파관에서의 전파의 고차 측방향 모드와 같은, 예를 들어 1차 모드로 변환된다. 제2 광학 모드(1012)에서의 광 빔(105)은 제2 회절 반사기(1022)를 향해 아웃커플링 영역(1014)을 지나 다시 전파한다. 광 빔(105)은 제2 회절 반사기(1022)로부터 반사되고, 광 빔(105)의 적어도 일부가 제2 측방향 모드(1012)로부터 제3 측방향 모드(1013)로, 이 경우, 제2 측방향 모드(1012)보다 덜 제한되는 전파의 고차 측방향 모드, 예를 들어 2차 모드로 변환된다. 그 다음, 광 빔(105)은 아웃커플링 영역(1014)으로 다시 전파된다. 제3 광학 모드(1013)는 제2(1차) 광학 모드(1012) 또는 제1(0차) 광학 모드(1011)보다 덜 제한되기 때문에, 또는 다시 말해, 측방향으로, 즉 도 10의 Z 방향으로 더 넓기 때문에, 3차 광학 모드(1013)는 제2(1차) 광학 모드(1012) 또는 제1(0차) 모드(1011)보다 훨씬 더 효율적으로 아웃커플링 영역(1014)에서 아웃커플링된다. 광 빔(105)의 부분(125)은 아웃커플링 영역(1014)에서 아웃커플링된다.
제1 회절 반사기(1021)의 격자 피치(P 1 ) 및 제2 회절 반사기(1022)의 격자 피치(P 2 )는 다음 공식들에 따라 선택될 수 있다:
P 1 = λ/(n 1 eff + n 2 eff ) (2)
P 2 = λ/(n 2 eff + n 3 eff ) (3)
여기서, λ는 광 빔의 파장이고, n 1 eff 는 제1 광학 모드(1011)에 대한 유효 굴절률이고, n 2 eff 는 제2 광학 모드(1012)에 대한 유효 굴절률이며, n 3 eff 는 제3 광학 모드(1013)에 대한 유효 굴절률이다.
방정식 (2) 및 (3)로부터 도파관(1000)의 광학 성능이 다소 파장 의존적이라는 결론이 나온다. 예를 들어, 2% 굴절률 코어를 갖는 2 마이크로미터 두께의 실리카 도파관에서 모드 굴절률들은 다음과 같다: n 1 eff = 1.487091, n 2 eff = 1.477267, 및 n 1 eff = 1.463484. 520nm의 파장(λ)에서의 광 빔에 대해, 격자 피치 P 1 은 176.83nm이고, 격자 피치 P 2 는 175.42nm이다. 전체 스펙트럼 대역폭(Δλ/λ)은 다음과 같이 계산될 수 있다:
Δλ/λ
Figure pct00001
2(P 1 -P 2 )/(P 1 +P 2 ) (4)
위의 파라미터들을 방정식 (4)에 입력하면 Δλ/λ은 4.2nm이다.
본 명세서에서 고려되는 도파관들의 투영기 구현, 즉 도파관이 광 소스들의 어레이(102)에 커플링된 도파관들을 포함하는 투영기들, 도파관들이 광 소스들의 어레이(102)에 의해 방출되는 광 빔들(105)을 시준하는 투영기는, 단지 예시적인 것을 의미할 뿐이라는 점이 주목되어야 한다. 예를 들어, 백라이트들, 스캐너들, 이미징 디바이스들, 센서들 등과 같은 다른 많은 광학 디바이스들은, 예를 들어, 도 1a, 1b 내지 도 13a의 도파관 예시들로 예시되고 본 명세서에 개시된 "통합된 광학 벤치" 기술을 기반으로 할 수 있다. 본 명세서에서 고려되는 다양한 반사기 및 모드 간 커플러 구성들은 그것의 의도된 기능에 따라 도파관 디바이스에 결합될 수 있다. 또한, 레이저 픽셀들의 어레이, 이종으로 통합된 조정 가능 레이저들, 1D 도파관들, Y 스플리터들, 방향성 커플러들, 마하-젠더 간섭계(MZI)들, 편광 제어 요소들, 위상 시프터들 등과 같이 의도된 기능에 따라 다른 능동 및 수동 광학 컴포넌트들이 추가될 수 있다.
본 명세서에서 고려된 다양한 개념들을 예시하고 검증하기 위해 수치 시뮬레이션들이 착수되었다.
도 11a는 도 1a 및 1b의 도파관(100)에 대한 수치 시뮬레이션 설정을 예시한다. 소스 광은 도 11a의 왼쪽으로부터 층 1에 커플링된다. 층 1은 도 1a 및 1b의 제1 슬래브 층(141)에 대응한다. 광은 은(silver) 미러로부터 반사될 때 층 2로 커플링된다. 검출기 1은 조명 광 빔의 방사조도(irradiance)와 방향을 모두 감지한다. 검출기 1은 슬래브 도파관 층 1과 층 2를 모두 커버한다. 검출기 2는 아웃커플링 영역(114)(도 1a 및 1b)에 배치된 아웃커플링 프리즘에 의해 아웃커플링된 광을 감지한다.
도 11b는 시뮬레이션의 결과를 도시한다. 도 11b는 도파관의 길이 치수를 따라(도 11a 및 11b의 왼쪽에서 오른쪽으로) 검출기 1의 상이한 위치들에서 방사조도를 도시하는 히트 맵(heat map)이다. 층 1 방사조도 맵(1101)(도 11b)은, 은 미러로부터 반사되기 전에, 왼쪽에서 오른쪽으로, 즉 층 1에서의 광 전파 방향으로 가면서 감소하는 방사조도를 도시한다. 층 2 방사조도 맵(1102)은, 은 미러로부터 반사된 후에, 오른쪽에서 왼쪽으로, 즉 층 2에서의 광 전파 방향으로 가면서 증가하는 방사조도를 도시한다.
도 11c는 빔 각도의 함수로서 검출기(2) 상의 신호를 도시한다. 주된 피크(1103)는, 층 2에서 오른쪽에서 왼쪽으로 전파된 광 빔의 빔 각도, 즉 도 1a 및 1b의 도파관(100)에서 의도된 바와 같은 빔 각도에 대응한다. 훨씬 더 작은 피크(1104)(도 11c)는 층 2에서 왼쪽으로부터 오른쪽으로 전파되고, 즉 도 1a 및 1b의 반사기(121)에 대응하는 은 미러로부터 반사되기 전에 아웃커플링되는, 광 빔의 빔 각도에 대응한다. 도 11d 및 11e는 각각 검출기 1 및 2에 의해 검출된 광의 파장 의존성을 예시한다.
도 12a는 도 5a의 도파관(500A)에 대한 수치 시뮬레이션 설정을 예시한다. 소스 광은 도 5a의 제1 모드(511)로 커플링된다. 광은 은 미러로부터 반사될 때 제2 모드(512)로 변환된다(도 12a). 검출기 1은 시준된 광 빔의 방사조도와 방향을 모두 감지한다. 검출기 1은 전체 소수 모드 도파관을 커버한다. 검출기 2는 아웃커플링 프리즘에 의해 아웃커플링된 광을 감지한다.
도 12b는 검출기 1에 대한 시뮬레이션의 결과들을 도시한다. 도 12b는 도파관의 길이 치수를 따라(도 12a 및 12b의 왼쪽에서 오른쪽으로) 검출기 1의 상이한 위치들에서 방사조도를 도시하는 히트 맵이다. 도 12에서는, 전방 광 필드가 후방 광 필드로부터 감산(subtract)되었으므로, 이 플롯은 실제 도파관 코어가 매우 좁은 것처럼 나타낸다. 도 12c는 빔 각도의 함수로서 검출기(2) 상의 신호를 도시한다. 주된 피크(1203)는 제2 광학 모드(212), 즉 의도된 동작 모드에 따라 도 5a의 도파관(500)에서 오른쪽으로부터 왼쪽으로 전파되는 광 빔의 빔 각도에 대응한다. 왼쪽으로부터 오른쪽으로 전파된 광 빔의 빔 각도에 대응하는 피크는 도 12c에서 보이기엔 너무 작다.
도 13a는 도 10의 도파관(1000)에 대한 수치 시뮬레이션 설정을 예시한다. 소스 광은 도 10에 도시된 제1 모드(1011)로 커플링된다. 소스 광은, 격자 1로부터 반사될 때 제2 모드(1012)로 변환되고(도 13a), 격자 2로부터 반사될 때 제2 모드(1012)로부터 제3 모드(1013)로 변환된다. 검출기는 아웃커플링 영역 내에 배치된다. 아웃커플링 프리즘(1314)이 아웃커플링 영역 내에 배치된다. 검출기는, 아웃커플링 프리즘에 의해 아웃커플링된 시준된 광 빔의 방향 및 파장의 함수로서 방사조도를 감지한다.
도 13b는 파장(가로축)과 출력 빔 각도(세로축), 즉 출력 광의 방향에 대한 출력 방사조도의 의존성을 도시하는 히트 맵 형태의 시뮬레이션 결과들을 도시한다. 1차(primary) 출력(1301)은 시준된 출력 광 빔에 대응한다. 도 13c는 빔 각도의 함수로서 검출기의 신호를 도시한다. 주된 피크(1303)는 회절 반사기들(1021 및 1022)(도 10) 둘 다로부터 반사된 후 도 5a의 도파관(500A) 내에서 앞뒤로 전파되는 광 빔의 빔 각도에 대응한다. 2차 피크(1304)(도 13c)는 제1 회절 반사기(1021)로부터만 반사되는 광 빔의 빔 각도에 대응한다.
이제 도 14를 참조하면, 광 소스들의 어레이에 의해 방출된 광을 시준하기 위한 방법(1400)이 본 명세서에서 고려되는 도파관들 또는 투영기들 중 임의의 것을 사용하여 구현될 수 있다. 방법(1400)은 도파관의 슬래브 코어의 제1 광학 모드에서 도파관의 에지로의 전파를 위해 광 소스들의 어레이에 의해 방출된 광 빔들을 수신하는 단계(1402)를 포함한다. 광 빔들은 만곡된 미러 또는 만곡된 회절 반사기와 같은 반사기에 의해 반사되어(1404) 에지로부터 다시 슬래브 코어 구조체 내로 전파된다. 반사기에 의해 반사된 광 빔들은, 예를 들어 에베네센트 아웃커플러 또는 격자 기반 아웃커플러를 사용하여 아웃커플링된다(1406). 도파관은 슬래브 코어 구조체 내에서 전파되고 반사기로부터 반사될 때 광 빔들을 제1 광학 모드로부터 제2 광학 모드로 변환한다. 반사기의 곡률은 아웃커플링 시 광 빔을 시준하도록 선택될 수 있다. 하나보다 많은 반사기가 제공될 수 있다. 반사기들은 광학 수차들을 감소시키고 더 넓은 각도들의 시준된 광 빔을 가능하게 하기 위해 동축일 수 있다. 적어도 하나의 광 빔이 이러한 방식으로 시준될 수 있다. 도파관에 커플링된 적절한 다점(multi-point) 광 소스 어레이를 사용하여 수십, 수백 또는 심지어 수천 개의 광 빔들이 시준될 수 있다.
도 15로 넘어가면, 근안 디스플레이(1500)가 안경의 폼 팩터를 갖는 프레임(1501)을 포함한다. 프레임(1501)은, 각 눈에 대해, 본 명세서에 설명된 투영기들 중 임의의 투영기를 포함하는 투영기(1508), 투영기(1508)에 광학적으로 커플링된 동공 복제 도파관(1510), 시선 추적 카메라(1504), 복수의 조명기들(1506) 및 시선 추적 카메라 제어기(1507)를 지지한다. 조명기들(1506)은 아이박스(1512)를 조명하기 위해 동공 복제 도파관(1510)에 의해 지지될 수 있다. 투영기(1508)는 사용자의 눈으로 투영될 각도 도메인의 이미지를 전달하는 광 빔들 부채꼴을 제공한다. 동공 복제 도파관(1510)은 광 빔들의 부채꼴을 수신하고 광 빔들의 부채꼴의 각 빔의 다수의 측방향으로 오프셋된 평행 복사본들을 제공하여, 이에 의해 아이박스(1512) 위에 투영된 이미지를 확장한다.
예를 들어, 수평 시야를 제공하기 위해 배열된 광 소스들이 투영기(1508)에서 사용될 수 있다. 틸트 가능한 반사기에 기반한 스캐너, 또는 파장 튜닝에 기반한 스캐너가 투영기(1508)에서 사용되어, 수직 시야를 제공할 수 있고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 증강 현실(AR) 애플리케이션들의 경우, 사용자가, 각 눈에 투영되고 외부 세계 뷰와 겹쳐진 이미지들과 함께 외부 세계를 볼 수 있게 하기 위해, 동공 복제 도파관(1510)은 투명하거나 반투명할 수 있다. 각 눈에 투영되는 이미지들은 실제 세계 뷰에 몰입된 것처럼 보이도록 하기 위해 시뮬레이션된 시차(parallax)로 배치된 객체들을 포함할 수 있다.
시선 추적 카메라들(1504)의 목적은 사용자 양쪽 눈의 위치 및/또는 배향을 결정하기 위한 것이다. 사용자 눈들의 위치 및 배향이 알려지면, 시선 수렴 거리 및 방향이 결정될 수 있다. 투영기들(1508)에 의해 디스플레이되는 이미지는 사용자의 시선을 고려하여, 사용자가 디스플레이된 증강 현실 풍경으로의 몰입하는 것의 더 나은 충실도를 위해, 및/또는 증강 현실과의 상호작용의 특정 기능들을 제공하기 위해, 동적으로 조정될 수 있다. 동작 시, 조명기들(1506)은 대응하는 아이박스들(1512)에서 눈들을 조명하여, 시선 추적 카메라들이 눈들의 이미지들을 획득할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 참조 반사들, 즉 반짝임들(glints)을 제공할 수 있도록 한다. 반짝임들은 캡처된 눈 이미지에서 기준점들로서 기능할 수 있으며, 이는 반짝임 이미지들에 대한 눈 동공 이미지들의 위치를 결정함으로써 눈의 응시 방향 결정을 용이하게 한다. 조명 광으로 인해 사용자의 주의가 산만해지는 것을 방지하기 위해, 후자는 사용자에게 보이지 않게 만들어질 수 있다. 예를 들어, 적외선 광이 아이박스들(1512)을 조명하는 데 사용될 수 있다.
시선 추적 카메라 제어기들(1507)의 기능은 시선 추적 카메라들(1504)에 의해 획득된 이미지들을 프로세싱하여 사용자의 양쪽 눈의 시선 방향들을 실시간으로 결정하는 것이다. 일부 예시들에서, 이미지 프로세싱 및 눈 위치/배향 결정 기능들은 근안 디스플레이(1500)의 도시되지 않은 중앙 제어기에 의해 수행될 수 있다. 중앙 제어기는 또한, 결정된 눈 위치들, 눈 배향들, 시선 방향들, 눈 수렴(eye vergence) 등에 따라 사용자에게 디스플레이될 이미지를 생성하기 위해 투영기들(1508)에 제어 신호들을 제공할 수 있다.
본 개시의 실시예들 및 예시들은 인공 현실 시스템을 포함할 수 있거나, 인공 현실 시스템과 함께 구현될 수 있다. 인공 현실 시스템은, 시각 정보, 오디오, 터치(체성 감각) 정보, 가속도, 균형 등과 같은 감각들을 통해 획득된 외부 세계에 대한 감각 정보를, 사용자에게 표시하기 전에, 일부 방식으로 조정한다. 비제한적인 예시들로서, 인공 현실은 가상 현살(VR), 증강 현실(AR), 혼합 현실(MR), 혼합 현실, 또는 일부 조합 및/또는 그들의 파생물들을 포함할 수 있다. 인공 현실 콘텐츠는 완전하게 생성된 콘텐츠 또는 캡처된(예를 들어, 현실 세계) 콘텐츠와 결합되어 생성된 콘텐츠를 포함할 수 있다. 인공 현실 콘텐츠는 비디오, 오디오, 신체 또는 햅틱 피드백 또는 이들의 일부 조합을 포함할 수 있다. 이 콘텐츠 중 임의의 것은, 뷰어에게 3차원 효과를 생성하는 스테레오 비디오에서와 같은 단일 채널 또는 다중 채널들에서 표시될 수 있다. 또한, 일부 실시예들 및 예시들에서, 인공 현실은 또한, 예를 들어, 인공 현실에서 콘텐츠를 생성하는 데 사용되기 위해 및/또는 그렇지 않으면 인공 현실에서 사용되기(예를 들어, 활동들을 수행하기) 위해, 애플리케이션들, 제품들, 액세서리들, 서비스들, 또는 이들의 일부 조합과 연관될 수 있다. 인공　현실　콘텐츠를　제공하는　인공　현실　시스템은, 호스트 컴퓨터 시스템에　연결된 HMD와 같은 착용가능 디스플레이, 독립형 HMD, 안경의 폼 팩터를 갖는 근안 디스플레이, 모바일 디바이스 또는 컴퓨팅 시스템, 또는 하나 이상의 뷰어에게 인공 현실 콘텐츠를 제공할 수 있는 임의의 다른 하드웨어 플랫폼을 포함하는 다양한 플랫폼들에서 구현될 수 있다.
본 개시는 본 명세서에 설명된 특정 실시예들에 의해 그 범위가 제한되는 것은 아니다. 실제로, 본 명세서에 설명된 실시예들에 더하여, 다른 다양한 실시예들 및 수정들이, 전술한 설명 및 첨부된 도면들로부터 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 그러한 다른 실시예들 및 수정들이 본 개시의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다. 또한, 본 개시가 특정 목적을 위한 특정 환경에서의 특정 구현의 맥락에서 본 명세서에 설명되었지만, 통상의 기술자는, 그 유용성이 이에 한정되지 않으며 본 개시가 임의의 수의 목적들을 위한 임의의 수의 환경들에서 유리하게 구현될 수 있을 것이라는 점을 인식할 것이다. 따라서, 아래에 제시된 청구항들은 본 명세서에 설명된 바와 같은 본 개시의 전체 폭의 관점에서 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. 도파관으로서,
    전파의 제1 및 제2 광학 모드들을 지원하는 슬래브 코어 구조체(slab core structure);
    상기 제1 광학 모드에서의 전파를 위해 광 빔을 수신하기 위한 입력 포트;
    상기 광 빔을 반사하여 상기 슬래브 코어 구조체 내에 다시 전파시키기 위해 상기 슬래브 코어 구조체에 커플링된 제1 반사기; 및
    상기 제1 반사기에 의해 반사된 광 빔을 아웃커플링(out-coupling)하기 위한 아웃커플링 영역
    을 포함하되,
    상기 도파관은, 상기 슬래브 코어 구조체 내에서 전파될 때 그리고 상기 제1 반사기로부터 반사될 때, 상기 광 빔의 상기 제1 광학 모드로부터 상기 제2 광학 모드로의 변환을 위해 구성되고, 이에 의해 상기 광 빔의 적어도 일부가 상기 아웃커플링 영역에서 상기 도파관으로부터 아웃커플링되는 것인, 도파관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아웃커플링 영역은 상기 제2 광학 모드에서 전파되는 광을 아웃커플링하기 위해 구성되고,
    바람직하게 상기 아웃커플링 영역은 에바네센트(evanescent) 아웃커플러를 포함하는 것인, 도파관.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 반사기는 상기 입력 포트에서 수신된 광 빔의 적어도 부분적인 시준(collimation)을 위한 광 출력(optical power)을 갖고, 상기 시준은 상기 슬래브 코어 구조체의 평면 내에 있는 것인, 도파관.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬래브 코어 구조체는, 평행하게 에바네센트 방식으로(evanescently) 커플링된 제1 및 제2 슬래브 코어들을 포함하고, 상기 제1 및 제2 슬래브 코어들은, 상기 제1 반사기로부터 반사된 광 빔이 상기 아웃커플링 영역에 도달할 때, 상기 광 빔의 대부분(major portion)이 상기 제1 슬래브 코어에서 전파되는 제1 광학 모드로부터 상기 제2 슬래브 코어에서 전파되는 제2 광학 모드로 변환되는 거리만큼 도파관의 두께 방향으로 서로 오프셋되는 것인, 도파관.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬래브 코어 구조체는, 평행하게 에바네센트 방식으로 커플링된 제1 및 제2 슬래브 코어들을 포함하고,
    상기 제1 슬래브 코어는 단일모드 슬래브 코어이고, 상기 제2 슬래브 코어는 상이한 굴절률들을 갖는 순차적으로 커플링된 제1 및 제2 슬래브 부분들을 포함하고, 상기 제1 슬래브 부분은 상기 제1 반사기에 커플링되고, 상기 제2 슬래브 부분은 상기 아웃커플링 영역에 커플링되며, 그리고
    상기 제1 및 제2 슬래브 코어들은, 상기 제1 반사기로부터 반사된 광 빔이 상기 제2 슬래브 코어의 제2 슬래브 부분에 도달할 때, 상기 광 빔의 대부분이 상기 제1 슬래브 코어에서 전파되는 제1 광학 모드로부터 상기 제2 슬래브 코어의 제1 슬래브 부분에서 전파되는 제2 광학 모드로 변환되는 거리만큼 상기 도파관의 두께 방향으로 서로 오프셋되는 것인, 도파관.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬래브 코어 구조체는, 평행한 제1 및 제2 슬래브 코어들을 포함하되,
    상기 제1 반사기는 광학적으로 커플링된 제1 및 제2 경사(slanted) 반사기들을 포함하고, 상기 제1 경사 반사기는 상기 제1 슬래브 코어에서 전파되는 광 빔을 상기 제2 경사 반사기로 반사하기 위해 상기 제1 슬래브 코어에 커플링되고, 상기 제2 경사 반사기는 상기 제2 경사 반사기에 의해 반사된 광 빔을 상기 제2 슬래브 코어로 커플링하기 위해 상기 제2 슬래브 코어에 커플링되거나; 또는
    상기 제1 슬래브 코어는 상기 제1 반사기에 근접한 제1 회절 반사기를 포함하고, 상기 제2 슬래브 코어는 상기 제1 회절 반사기 위에 배치되고 상기 제1 회절 반사기에 광학적으로 커플링된 상기 제1 반사기에 근접한 제2 회절 반사기를 포함하는 것인, 도파관.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬래브 코어 구조체는 소수 모드(few-mode) 도파관을 포함하고, 상기 제1 모드는 상기 소수 모드 도파관의 0차 모드이고, 제2 모드는 상기 소수 모드 도파관의 고차 모드이며,
    상기 제1 반사기는, 상기 제1 반사기로부터 반사되는 광의 일부에 대해 반파장 위상 변이(half-wave phase shift)를 제공하기 위한 계단(step)을 포함하고, 이에 의해, 상기 제1 반사기로부터 반사될 때 상기 광 빔의 적어도 일부가 상기 0차 모드로부터 상기 고차 모드로 변환되는 것인, 도파관.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬래브 코어 구조체는 소수 모드 도파관을 포함하고, 상기 제1 모드는 상기 소수 모드 도파관의 0차 모드이고, 상기 제2 모드는 상기 소수 모드 도파관의 고차 모드이며,
    상기 제1 반사기는, 상기 소수 모드 도파관에 커플링되거나 상기 소수 모드 도파관 내에 형성되는 회절 반사기를 포함하고, 상기 회절 반사기로부터 반사될 때 상기 광 빔의 적어도 일부를 상기 0차 모드로부터 상기 고차 모드로 변환하도록 구성되며,
    바람직하게 상기 회절 반사기는 피치
    P = λ/(n 0 eff + n 1 eff )를 갖고, 여기서 λ는 상기 광 빔의 파장이고, n 0 eff 은 상기 0차 모드에 대한 유효 굴절률이며, n 1 eff 은 상기 고차 모드에 대한 유효 굴절률인 것인, 도파관.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬래브 코어 구조체는 또한, 전파의 제3 광학 모드를 지원하며, 상기 도파관은, 상기 제1 반사기에 의해 반사된 광 빔을 반사시켜 상기 제1 반사기를 향해 다시 전파시키기 위해 상기 슬래브 코어 구조체에 커플링된 제2 반사기를 더 포함하고,
    상기 아웃커플링 영역은 상기 제3 광학 모드에서 전파되는 광을 아웃커플링하기 위해 구성되며, 그리고
    상기 도파관은, 상기 제2 반사기로부터 반사되고 상기 슬래브 도파관 구조체에서 전파될 때, 상기 광 빔의 상기 제2 광학 모드로부터 상기 제3 광학 모드로의 변환을 위해 구성되고, 이에 의해 상기 광 빔의 적어도 일부가 상기 아웃커플링 영역에서 상기 도파관으로부터 아웃커플링되며,
    바람직하게 상기 제1 및 제2 반사기들은 상기 입력 포트에서 수신된 상기 광 빔을 시준하기 위한 광 출력을 갖는 동축(coaxial) 만곡된(curved) 반사기들인, 도파관.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 슬래브 코어 구조체는, 평행하게 에바네센트 방식으로 커플링된 제1, 제2 및 제3 슬래브 코어들을 포함하고, 상기 제1, 제2 및 제3 슬래브 코어들은, 상기 제1 반사기로부터 반사된 광 빔이 상기 제2 반사기에 도달할 때, 상기 제1 슬래브 코어에서 전파되는 제1 광학 모드로부터 상기 제2 슬래브 코어에서 전파되는 제2 광학 모드로, 그리고 상기 제2 반사기로부터 반사된 광 빔이 상기 아웃커플링 영역에 도달할 때, 상기 제2 슬래브 코어에서 전파되는 상기 제2 광학 모드로부터 상기 제3 슬래브 코어에서 전파되는 상기 제3 광학 모드로, 상기 광 빔의 대부분이 변환되는 거리만큼 상기 도파관의 두께 방향으로 서로 오프셋되는 것인, 도파관.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 슬래브 코어 구조체는 소수 모드 도파관을 포함하고, 상기 제1 모드는 상기 소수 모드 도파관의 0차 모드이고, 상기 제2 및 제3 모드들은 상기 소수 모드 도파관의 고차 모드들이고,
    상기 제1 반사기는, 상기 소수 모드 도파관에 커플링되거나 상기 소수 모드 도파관 내에 형성되는 제1 회절 반사기를 포함하고, 상기 제1 회절 반사기로부터 반사될 때 상기 광 빔의 적어도 일부를 상기 0차 모드로부터 상기 제2 모드로 변환하도록 구성되며, 그리고
    상기 제2 반사기는, 상기 소수 모드 도파관에 커플링되거나 상기 소수 모드 도파관 내에 형성되는 제2 회절 반사기를 포함하고, 상기 제2 회절 반사기로부터 반사될 때 상기 광 빔의 적어도 일부를 상기 제2 모드로부터 상기 제3 모드로 변환하도록 구성되는 것인, 도파관.
  12. 도파관으로서,
    전파의 제1 및 제2 광학 모드들을 지원하는 슬래브 코어 구조체 - 상기 슬래브 코어 구조체는, 모드 간 커플러(intermodal coupler)에서 전파될 때 상기 광 빔의 상기 제1 광학 모드로부터 상기 제2 광학 모드로의 변환을 위한 상기 모드 간 커플러를 포함함 - ;
    상기 제1 광학 모드에서 상기 슬래브 코어 구조체 내의 전파를 위해 광 빔을 수신하기 위한 상기 모드 간 커플러 상류(upstream)의 입력 포트; 및
    상기 제2 광학 모드에서 전파되는 광을 아웃커플링하기 위한 상기 모드 간 커플러 하류(downstream)의 아웃커플링 영역
    을 포함하는, 도파관.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 모드 간 커플러는, 상기 광 빔의 시준 또는 디포커싱을 위한 광 출력; 또는 수차 보정 능력, 중 적어도 하나를 가지며,
    바람직하게
    상기 제1 및 제2 광학 모드들은 상이한 유효 굴절률들을 가지며, 그리고
    상기 모드 간 커플러는, 상기 입력 포트로부터 격자로 상이한 광학 경로 길이를 갖도록, 상기 슬래브 코어 구조체의 평면에서 상기 광 빔의 상이한 광선들에 대해 상기 슬래브 코어 구조체의 평면에서 형태가 이루어진(shaped) 상기 격자를 포함하는 것인, 도파관.
  14. 투영기(projector)로서,
    광 빔들을 제공하기 위한 광 소스들의 어레이; 및
    도파관
    을 포함하고, 상기 도파관은,
    전파의 제1 및 제2 광학 모드들을 지원하는 슬래브 코어 구조체;
    상기 제1 광학 모드에서의 전파를 위해 상기 광 소스들의 어레이로부터 상기 광 빔들을 수신하기 위한 입력 포트;
    상기 광 빔들을 반사시켜 상기 슬래브 코어 구조체 내에 다시 전파시키기 위해 상기 슬래브 코어 구조체에 커플링된 반사기; 및
    상기 반사기에 의해 반사된 광 빔들을 상기 도파관으로부터 아웃커플링하기 위한 아웃커플링 영역
    을 포함하되,
    상기 도파관은, 상기 슬래브 코어 구조체 내에서 전파되고 상기 반사기로부터 반사될 때, 상기 광 빔들의 상기 제1 광학 모드로부터 상기 제2 광학 모드로의 변환을 위해 구성되고, 이에 의해 상기 광 빔들의 적어도 일부가 상기 아웃커플링 영역에서 상기 도파관으로부터 아웃커플링되는 것인, 투영기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 반사기는 상기 입력 포트에서 수신된 상기 광 빔들을 시준하기 위한 광 출력을 갖고, 상기 아웃커플링 영역은 상기 제2 광학 모드에서 전파되는 광을 아웃커플링하기 위해 구성된 에바네센트 아웃커플러를 포함하는 것인, 투영기.
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