摘要
本文探讨了增强现实（AR）技术中的挑战和当前限制，特别是聚焦于显示引擎带来的挑战，如缺乏小型化和效率问题。海王星激光引擎是首个完全集成的微型RGB激光引擎，展示了解决限制AR应用场景的重大能力。海王星引擎结合了光子集成电路（PIC）技术和激光束扫描（LBS）技术，提供了一种紧凑、高效且高性能的解决方案。
关键要点
• AR技术需要实现舒适性，以便被市场接受。
• 光子集成电路（PIC）技术相比传统电子技术带来了新的范式，具备小型化和更高的性能。
• Brilliance RGB设计了首个硅光子激光光源，满足下一代室内外可穿戴AR显示器的需求。
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AR概述
什么是AR？
AR的现状
AR面临的挑战
基于激光的AR
一般概念与优势
光子集成电路（PIC）技术简介与基本概念光子集成电路的总体趋势
AR中的光子集成电路（PIC）
Brilliance RGB的PIC激光束扫描（LBS）
海王星激光芯片描述
规格与特点
优势
未来集成展望
更多功能
什么是AR？
增强现实（AR）一词最早出现在1968年，当时哈佛大学计算机科学家伊万·萨瑟兰（Ivan Sutherland）创建了一个AR头戴式显示系统。AR是一项变革性的技术，通过实时将数字内容（如图像、声音和交互功能）叠加到用户的现实环境中，从而增强现实世界。与虚拟现实（VR）将用户沉浸在完全虚构的数字环境中不同，AR将数字元素与当前的周围环境融合，形成一种混合且互动的体验。
终极的AR设备结合了先进的技术，包括：
硬件，诸如智能手机、平板电脑、AR眼镜和带有摄像头和传感器的头戴设备，用于捕捉用户的周围环境。
软件，处理视觉或音频输入，并使用计算机视觉、机器学习和空间映射来正确定位虚拟物体。
显示引擎，位于光学链条的开端，整合了更复杂的光学和光子网络。它对用户沉浸体验的关键因素有重大影响，例如图像质量、峰值亮度、效率、色彩纯度等。
总体而言，在AR系统中，显示引擎产生光源，然后将其耦合到波导中。波导可以是衍射型、全息型或反射型，它们使用光学元件（输入耦合器、输出耦合器等）来引导光线以正确的角度进行成像投影。输出耦合器将光线引导出波导，进入与现实环境光源相结合的光路中。
AR的现状
AR和VR曾在2018年出现在Gartner技术成熟度曲线（Hype Cycle）中15次，并被移除，表明它们现在正在进入成熟技术的高原阶段。然而，它们的...尽管如此，AR仍在一些正在发展的技术中占据重要地位，例如元宇宙、数字生命体和AR头像等。
特别是，近年来AR技术取得了显著进步，微软的HoloLens 2（2019年）和Magic Leap的Magic Leap 2（2022年）等更强大的独立头显设备相继发布。最近宣布的设备包括Meta的Meta Orion和Snap的Spectacles，这些设备在AR社区中引起了广泛的关注。
Meta Orion 和 Spectacles 提供了令人印象深刻的进展，并带来了真实的AR体验。然而，高功耗、为了高效像素而减少的电池续航以及高昂的成本阻碍了它们的批量生产潜力。
AR的一些关键创新包括先进的波导显示技术，使得设备更加轻便，并提供沉浸式视觉体验；µLED和激光束扫描（LBS）系统，提供高亮度和紧凑设计；AI驱动的空间映射，增强了互动性；以及5G和边缘计算的集成，为连接环境中的实时表现提供无缝体验。
超精确定位传感器和专用系统芯片（SoC）的进展，如高通的技术，正在实现高度精确的空间追踪和优化处理，这对于无缝且响应迅速的AR体验至关重要。
此外，AI和5G的进步也促进了AR的加速发展，形成了一个促进多个高科技领域创新的良性生态系统。在社会层面，AI在日常生活中的应用已被社会所接受，无论是在个人生活还是职业领域。因此，利用AI可以使得使用AR的概念对于普通用户来说不再显得陌生，创造了开放的心态，促进了AR技术的接受和好奇心。另一方面，这也为AI的普及创造了更多空间，形成了两种技术的共生关系。
去年（2024年），AR/VR市场的规模评估为598.1亿美元，预计到2034年将超过5890亿美元。
目前一些流行的AR应用案例包括Sephora的虚拟化妆师，利用面部识别软件让用户虚拟试色；IKEA的应用程序，帮助客户通过在空间中可视化家具来设计室内。值得注意的是，在医疗领域，2021年首次使用AR头显进行脊柱手术。该手术结合了Medtronic的Mazor X机器人平台与Augmedics的AR技术，将手术时间从通常的6-7小时缩短到不到2小时。
AR面临的挑战
包括微软、谷歌和Meta在内的主要行业公司对AR表示了浓厚兴趣并关注此技术，市场前景也被看好。特别是在零售和电子商务领域，消费者对于能够在家中舒适地可视化产品感到兴奋；在医疗和医学培训领域，AR被视为一项创新工具，能够重新定义医疗专业人士学习和与患者互动的方式。
尽管前景乐观，但行业与主流消费者之间仍存在显著差距。这是因为AR目前面临一些问题，如：
硬件限制，AR设备往往笨重、昂贵，且缺乏适合日常使用的设计。
电池限制，当前设备电池续航不足，限制了长时间使用。
视场角（FoV）狭窄和每度像素（PPD）分辨率较低，限制了沉浸式体验。
缺乏高动态范围（HDR），这意味着亮度有限，限制了可穿戴AR设备在户外使用。
尚未为消费者可承受的大规模生产做好准备。
最终，正如谷歌实验室XR工程总监Bernard Kress曾经所言，设备的设计和大小决定了其舒适度，这种舒适度可以是视觉上的、社交上的或可穿戴的，而反过来，这决定了市场的接受度以及普通消费者对AR的看法。使用案例也应该具有吸引力，通过增加便利性、个性化和娱乐性，AR才能满足用户的功能性和情感需求。
因此，虽然AR技术在取得明确进展的同时，解决与AR设备相关的挑战，特别是可穿戴设备和消费者需求，仍然至关重要。确保舒适性和可用性是关键。
对于AR技术而言，确保舒适性和可用性对于实现主流 adoption 并使其能够触及更广泛的受众至关重要。
激光基础的增强现实（AR）
基本概念与优势
近年来，激光基础的增强现实（AR）成为了一种有力的候选技术，它通过解决前面提到的一些问题，推动AR技术走向主流。
与其他使用LED作为光源并集成到显示引擎中的技术（如LCOS和µLED）不同，激光基础的AR，顾名思义，利用激光作为光源，并作为显示引擎的一部分。一种使用激光进行AR应用的知名技术是激光束扫描（LBS）技术。这项技术曾被应用于Microsoft HoloLens 2和North（2018）的Focals等AR眼镜中。这项技术的概念是使用高精度的激光束，并结合精密的光学系统，如微电子机械系统（MEMS），生成并投射图像。该图像必须通过光学系统传输到眼睛，并在透明显示屏或用户的视场（FoV）中放大。
在显示引擎中使用相干光源（如激光）有以下几个优势：
高亮度和高对比度，提供良好的HDR，使AR设备适用于户外环境。
激光具有非常明确的波长，产生纯净、单色且饱和的颜色。
更容易集成，因为激光产生的光束行为良好，允许将输出光功率聚焦到亚微米级的点。
更容易与其他光学元件（如波导）耦合，而不会牺牲太多的光功率，从而提高效率。
总结来说，激光基础的AR系统在亮度、色彩纯度和集成性方面具有显著优势，使其成为先进AR应用的有前景的基础。基于这些优势，下一节将探讨光子集成电路（PIC）在进一步提升AR技术中的作用。
光子集成电路技术
简介与基本概念
光子集成电路（Photonic Integrated Circuit，简称PIC）是一种将激光、波导、调制器和探测器等光子元件集成到基底上的微芯片。
光子集成电路（PIC）技术提供的优势包括精确的光控制、紧凑的形态和高可靠性。它还具备良好的可制造性，利用可扩展的工艺，如基于晶圆的制造，使其能够实现大规模生产。
与依赖电子运动来生成和处理电信号的传统电子技术不同，光子集成电路（PIC）利用光子来操控和处理光线，以传递信息。
从电流到光的根本转变为技术开辟了新的前景，使我们能够克服传统电子设备的局限性，带来新的特性，如电磁干扰免疫性、增加的带宽，以及单一波导能够同时传输多种不同光学波长的信号——通常在电信中，这些波长范围为850至1650纳米。
目前，三种波导材料作为光子集成电路技术中的多功能和有效基底脱颖而出，每种材料都有其独特的优势和用途：
磷化铟（InP）——这种材料在光生成方面具有高度效率，工作波长范围为红外光（1000到1600纳米）。它在集成主动光子组件方面表现出色，因为它能够发射、放大和探测光。然而，活跃功能的优势也导致这种材料对于被动波导而言相对较有损失。
氮化硅（Si3N4）——呈现出电介质特性，因两方面原因而闻名。首先，它是一种超低损耗材料，能够支持从可见光到红外光谱（400到2400纳米）的广泛波长范围内的光传输。其次，它能够承受高光功率，使其适用于传感、量子光子学和电信领域的高要求应用。
硅——在与现有电子技术的兼容性方面具有显著优势，特别是与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容。这使得它能够更高效地将高密度的光子配置与电子组件集成。这种材料对波长超过1100纳米的红外光是透明的。材料的选择通常取决于应用的具体要求，如波长范围、功能性和成本。
光子集成电路（PIC）的一般趋势
通过前一节中强调的PIC技术的优势，可以清楚地看到这项技术在前沿进展中的应用，推动着各个行业的创新。此外，PIC生态系统继续吸引大量投资，不仅来自研发领域，还来自行业企业。预计到2025年，PIC市场的规模将达到182亿美元，预计到2030年将达到461.9亿美元，在预测期（2025-2030年）期间的年复合增长率（CAGR）为20.47%。
PIC技术的发展受到对更复杂、可扩展和高密度集成设备日益增长的需求推动， resulting in products that are compact, high performance and capable of being scalable for different applications.
一些使PIC技术脱颖而出的主要趋势包括：
电信和数据中心的进展，需求不断增长，要求更高的数据传输速度、更大的带宽、更小的占地面积以及更低的功耗。
汽车行业也正在采用PIC技术，特别是在自动驾驶汽车的LiDAR和传感应用方面。为了实现复杂系统的微型化和降低成本，PIC技术成为实现高性能、实时导航、障碍物检测和地图绘制的非常有吸引力和合适的选择。在抬头显示（HUD）方面，使用PIC可以通过紧凑且高效的光学元件显著提升性能，减少功耗，并能够将AR等先进功能直接集成到显示系统中。
消费电子行业对将PIC技术集成到智能手机、可穿戴设备和AR/VR系统等设备中的兴趣不断增加，预计它们将在这一行业的下一代产品中成为关键组件。
其他增长趋势包括量子计算和量子通信，PIC技术使得量子光源和探测器能够集成在单一芯片上；在医疗健康领域，尤其是生物传感和医学影像技术中，PIC技术也发挥着重要作用。人工智能和机器学习也在受益于PIC技术在高速处理大量数据方面的能力。
海王星激光引擎使用基于氮化硅的PICs，这种技术在可见光波长和功率达到瓦特级别时表现出可靠的性能[1]。
尽管随着微型化和高集成度不断突破界限并达到新极限，但仍需继续关注诸如热管理等参数。光学源和波导以及其他光子结构受到固有温度效应的影响，例如热光效应和热膨胀系数，而这些效应在小尺度工作时会产生更大的影响。封装还需要坚固、紧凑，并能够保护集成在PIC中的精密元件，因为这可能会限制基于PIC的设备的商业化和可扩展性。此外，缺乏标准化的设计和制造工艺可能会导致开发工作的碎片化，并且在各行业之间的接受速度较慢。
PIC在AR中的应用 基于到目前为止建立的背景，现在是时候关注PIC如何无缝地融入消费电子行业，特别是强调它们在推动AR设备发展中的作用。在设计AR设备时，如头戴显示器（HMD）或可穿戴AR眼镜，显然不同的组件与光子技术是密切相关的。其中一个组件是前面提到的显示引擎。显示引擎生成光线并投射AR内容，为这些设备所旨在提供的沉浸式体验奠定基础。在AR系统中，同样重要的是组合光学元件。与VR系统强调最大化填充因子以阻挡外部光线不同，AR系统需要平衡。为了将数字内容与现实环境中的用户周围的场景融合，必须具有一定程度的透明度。这使得组合光学元件在集成显示引擎发出的光线和环境中的光线方面非常重要。
此外，AR设备的紧凑和轻便设计至关重要，尤其是考虑到它们的光学系统的复杂性。PIC可以通过简化AR系统来应对这些挑战。通过减少光学元件的数量，如镜头和耦合器，PIC简化了设计，提高了效率，并有助于更紧凑的外形设计。
Brilliance RGB的PICs上的LBS
海王星激光芯片介绍
考虑到目前为止的讨论，介绍Brilliance RGB开发的海王星激光引擎是恰当的。该激光引擎无缝集成了PIC技术和LBS技术，提供了一种紧凑、高效且高性能的解决方案，适用于AR应用以及其他需要投影显示的应用。
Brilliance RGB推出了一款基于PIC技术的激光芯片——海王星激光引擎。与LBS、LCOS和µLED显示技术相比，海王星激光引擎技术可提供高达10倍的效率提升。
Brilliance微型RGB激光BRL-02a-P-L，也被称为海王星激光引擎，是目前最小的集成RGB（红、绿、蓝）激光二极管的投影应用光引擎。海王星目前代表了现状，预计未来的技术进步将进一步显著缩小其体积。
海王星激光引擎采用了TripleX®技术[2]，该技术具有高折射率对比。TripleX®技术已成为一种稳定且高度先进的氮化硅波导平台，其特征是传播损耗极低——从0.1 dB/cm到令人印象深刻的0.1 dB/m。这个平台支持使用翻转芯片组装过程进行混合集成[3]，允许红、绿、蓝激光二极管在基板上精确刻蚀的凹槽/腔体内被被动对准。此外，系统可以结合负温度控制器（NTC）用于温度测量、传感和控制，且同样使用翻转芯片方法集成。
TripleX®氮化硅平台技术使用交替层的Si3N4和SiO2，分别具有1.98和1.45的折射率，波长为1550 nm。TripleX®的高折射率对比使得强光束约束成为可能，并且设计出了更小的光子组件，同时最小化了传播损耗。该材料还提供了对光场模式形状的控制。通过调整波导的锥度，可以调节和适应光模式大小，从而优化激光输出，以便于投影系统。此外，激光二极管的高效耦合要求波导模式与激光器相对较小的非线性模式形状对准，从而确保高质量的性能。
关于翻转芯片组装过程，如前所述，激光二极管是被动对准的。对于两个横向方向，使用视觉系统将激光二极管的特征与PIC上的特征对准，精度小于0.5微米。对于高度，过程依赖于使用刻蚀特征（如柱子），这些柱子被放置在激光二极管凹槽内，在制造过程中具有±50纳米的受控精度。激光二极管通过激光焊接过程附着在每个相应的凹槽上，该凹槽被金覆盖，并且在柱子之间有一个焊接垫。该焊接连接还提供了与二极管底部的电气连接，而二极管的顶部则可以通过线焊连接到PIC上的金属焊盘。
规格和特点
海王星激光引擎的特点包括：
在波长范围内，数值孔径（NA）保持相等，X:Y比率为1:1（±5%）。
圆形输出光束，X:Y比率为1:1（±5%）。
M2 = 1.0 ± 1% - 光束接近高斯光束轮廓。
单模激光器，波长为[450、520、640] nm，合成为一个RGB激光光束。
典型光学输出功率（CW）：25 mW（450 nm），15 mW（520 nm），25 mW（640 nm）（Tc = 25°C）。
小型封装：4 x 4.5 x 1.5 mm，已包括1mm的封盖，保护激光二极管和线焊。
工作温度：≈[-10,70]°C。
片上温度传感器（NTC）。
在这些特点中，还可以根据应用需求添加其他组件，如准直透镜和用于眼动追踪的红外激光，以及用于热管理的散热片。
此外，海王星的光学功率规格是一个代表性值。我们的技术平台是可调的，可以根据需求支持更高或更低的功率水平，最高可达瓦特级。
需要注意的是，对于投影应用，如增强现实（AR），圆形光学输出模式是必需的，以实现高质量的图像。在激光系统中，圆形光束具有效率优势，主要是由于其对称的强度分布，这有助于提高投影系统中的耦合效率，同时保证均匀的光束行为。离散激光源由于其固有的非对称性和发散性，无法与像TripleX®这样的集成解决方案匹配，后者能够提供优越的光束质量和耦合效率。
通常，海王星激光引擎的效率取决于裸激光二极管的壁插效率以及系统的整体光学传输效率。在这种情况下，光学传输效率主要受到激光二极管与波导之间的耦合效率（效率通常超过70%）以及PIC中的传播损耗的影响，而后者可以忽略不计。未来，预计激光二极管将达到40%的效率，而PIC的效率则超过85%。这将使得在增强现实应用中的效率提高达到今天LCOS投影仪的20倍。
优势
海王星激光引擎结合了PIC技术和激光光源的优势。由于其最佳的光学输出特性和紧凑的外形，提供了灵活的系统集成和优化能力。
同样重要的是，海王星激光引擎的制造和组装过程旨在支持晶圆级激光二极管集成和晶圆级密封封装，从而实现可扩展的大规模生产。
此外，海王星激光引擎通过集成和光线优化，减少了光学元件的数量，从而受益于简化的设计。这不仅便于集成到具有更小外形的各种系统中，还提高了传输效率，减少了与需要中继光学元件的离散LBS或LCOS技术相比的光学损耗。
另一方面，海王星激光引擎采用激光二极管作为其光源，与µLED相比，能够实现更高的亮度水平和更好的HDR性能。µLED技术在像素大小、效率和亮度之间存在固有的权衡。具体来说，随着每个µLED作为单个像素，缩小像素尺寸会达到一个临界限度，在此尺寸下，LED无法保持足够的亮度或效率。在这种尺度下，能源的大部分以热量形式散发，而不是用于有效的光发射，这限制了其在高性能AR系统中的应用。通过在光子电路中集成激光二极管，我们能够实现更高的亮度和效率。
Brilliance RGB在2024年推出了第二代激光引擎“海王星”。它是全球首个完全集成的RGB激光用于微型投影应用。当前的芯片尺寸为4x4.5x1.5毫米，预计下一代产品的尺寸将进一步减小。效率的提升导致功耗降低，从而可以减少电池尺寸并延长其使用寿命。
未来集成展望
更多功能
“海王星”激光引擎的第二代硬件，作为我们所知的首个完全集成的微型RGB激光，已成功开发，并正在进行测试，并集成到各类客户系统中。
展望未来，第三代硬件预计将提供更多的功能和优化。潜在的进展包括：
光电二极管集成：将光电二极管作为光传感器集成用于主动监控和反馈，能够动态调整优化性能。
On-PIC ASIC驱动器：将ASIC驱动器直接嵌入到PIC上，以促进更快的数据连接，减少延迟，提高激光引擎的整体速度和效率。
多个光输出：提供多个光输出，并使RGB激光并行化，以满足高功率输出要求，适用于更苛刻的应用。
测试结构：添加测试结构以改善质量保证，确保对最终产品性能的精确控制。
垂直平面外输出光束。
这些发展旨在扩展“海王星”激光引擎的功能性、可靠性和可扩展性，巩固其作为AR和其他光子应用领域前沿解决方案的地位。
