Nature: 光子芯片打造超薄平板激光顯示

在顯示技術的發展史上，從笨重的顯像管到輕薄的平板顯示器的轉變，深刻地改變了人類與視覺科技的互動方式。如今，平板顯示已成為生活中無處不在的核心界面。然而，要實現更高亮度、更廣色域以及更沉浸的視覺體驗，傳統的 LED 光源正逐漸顯現出瓶頸。尤其是在增強現實（AR）和虛擬現實（VR）中，對顯示的要求更加苛刻。AR/VR 設備必須在極為緊湊的體積和重量限制下，依然能夠提供足夠的亮度，以確保在戶外強光環境中清晰可見。與手機等常規顯示相比，AR/VR 顯示需要在整體顯示面積縮小數百倍的情況下保持相似的分辨率，甚至輸出高出數千倍的亮度。這對光的生成、傳輸與調控提出了前所未有的挑戰，迫切需要一種在架構層面實現根本性提升的新型顯示方案。

激光憑借方向性強、色彩飽和度高以及天然的偏振特性，被認為是下一代顯示的理想光源。但長期以來，激光顯示主要依賴龐大的投影式架構，復雜的自由空間光學組件不僅使系統體積臃腫，也難以滿足便攜化與集成化的需求。如何將激光顯示從笨重的投影機壓縮為真正的平板形態，成為顯示領域長期未解的難題。

近日，Meta Reality Labs Research團隊在Nature上報道了一項突破性成果。他們提出了一種基于大規模集成光路（PICs）的全新平板激光顯示架構，將原本分散在自由空間的光學元件全部集成到單片光子芯片之上，從而大幅壓縮顯示器整體厚度。研究團隊在一塊芯片上集成了數千個不同功能的光學器件，實現了對紅、綠、藍三基色激光的精準導光、分色與出射控制，并與硅基液晶（LCoS）面板相結合，制備出全球首個超薄平板激光顯示器。實驗結果表明，該系統在體積上相比傳統微顯示器減少超過80%，色域覆蓋率達到211%，充分展示了激光平板顯示的潛力。

該工作由Meta Reality Labs Research多位研究人員共同完成，論文以“Flat-panel laser displays through large-scale photonic integrated circuits”為題發表在Nature上。論文共同第一作者為Zhujun Shi（石竹均）、Risheng Cheng（成日盛）、Guohua Wei（魏國華），通訊作者為Giuseppe Calafiore。

基于集成光路的激光照明系統

在傳統平板顯示中，LED背光采用的是“散射與濾光”架構。光首先通過背光板被打散，然后再經過彩色濾光片、偏振片和其他一系列濾光元件，最終形成符合顯示需求的照明光場。這種方式的優勢是結構簡單，工藝成熟，足以滿足手機、電視等常規應用。然而，一旦將光源換成激光，這種架構反而成為限制。

激光具有極高的方向性、窄光譜和天然偏振輸出。如果簡單地把激光耦合進LED式的背光板，擴散與濾光的過程會徹底抹去這些優勢。結果不僅導致效率急劇下降，還會破壞色彩和偏振特性。為此，傳統激光顯示均為基于自由空間光學的投影儀，而非平板顯示。

Meta團隊提出的解決方案，是用集成光路（PIC）精準控制激光照明光場。在他們的設計中，所有光的擴展、分色、角度與偏振控制都在單片光子芯片上完成。與“散射與濾光”不同，PIC采用“導光與選擇”的模式：光在芯片波導中被有序地分束與傳輸，再通過設計化的光柵耦合器定向出射。這樣不僅保留了激光的方向性和偏振特性，還免除了龐大的自由空間光學器件，使得顯示系統能夠真正壓縮到平板形態。

圖1基于集成光路的激光平板顯示

圖源：Nature

集成光路的設計與實現

要實現這一架構，研究團隊在氮化硅（SiN）光子芯片上集成了數千個不同功能的光學器件。首先，RGB激光通過邊緣耦合進入芯片，隨后在一系列Y型分束器的作用下被逐級分束，擴展為覆蓋整個LCoS面板的均勻光場。為了克服光強沿傳播方向的指數衰減，團隊采用了交錯式光路布局：光從兩端同時注入，在中心匯合形成均勻分布，從而保證亮度一致性。

圖2PIC激光顯示器件設計與實現

圖源：Nature

在色彩控制方面，研究人員使用片上粗波分復用器（CWDM）將白光重新分解為紅、綠、藍三色，分別優化其傳播路徑和出射光柵設計。光柵的長度和間距決定了出射角度和發散錐角，使光能夠與LCoS面板和成像光學系統精準匹配。同時，芯片設計中還加入了反射型偏振片回收機制，將向下方出射的光反射回顯示方向，提高光能利用率。

工藝上，集成光路的加工全部基于CMOS兼容制程。研究團隊進行了一系列設計和工藝的優化，使氮化硅波導損耗被壓縮至紅光0.1 dB/cm、綠光0.3 dB/cm、藍光1.1 dB/cm。這保證了光在厘米級尺度上傳輸仍能保持高效率。最終，團隊將光子芯片與硅基液晶（LCoS）面板直接集成，制備出僅2毫米厚的平板激光顯示器。測試結果顯示，其色域覆蓋率高達211%，超過sRGB與Adobe RGB標準；亮度均勻性達到71%，色彩均勻性Δu′v′ < 0.01，滿足人眼視覺要求。

在增強現實系統中的應用

為了進一步驗證其實用價值，研究團隊將平板激光顯示與波導式增強現實（AR）光學系統結合，展示了一個便攜手持式原型機。在該系統中，來自激光顯示的光場經過透鏡模塊準直后耦合進波導，并通過全反射擴展出瞳。實驗表明，該原型機能夠在明亮的辦公室環境中清晰呈現虛擬與現實疊加的畫面，展示出極具沉浸感的增強現實體驗。

與現有的微型投影式AR光機相比，基于PIC的平板激光顯示具有顯著優勢。它無需龐大的光學透鏡陣列，體積縮減超過80%，同時提供更高的亮度和色彩飽和度。這意味著未來的AR眼鏡光機有望縮小到不足1立方厘米，真正實現輕量化和全天佩戴的可能。

圖3PIC平板激光顯示在AR中的應用

圖源：Nature

展望未來，基于集成光路的激光平板顯示有望在AR/VR、全息顯示、光場顯示等多個層面重塑顯示技術版圖。正如從顯像管到LED平板的轉變帶來了一次顯示革命，集成光路驅動的激光顯示有望成為下一代顯示技術的里程碑，為視覺科技打開更加廣闊的想象空間。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09107-7