激光束扫描显示器的调变挑战
激光束扫描（laser beam scanning，LBS）显示器的成像方式，是利用高速振动的微机电系统（MEMS）反射镜，将单一合成激光束依序扫过画面或直接投射至使用者视网膜上。由于影像是由移动中的光点逐点建构而成，并非仰赖固定的像素阵列，LBS引擎的体积可以做得相当小，这使其成为扩增实境（AR）智慧眼镜投影模块的重要候选方案之一。
在传统的LBS引擎中，色彩切换是透过直接调变红、绿、蓝三颗激光二极管的驱动电流来完成，此作法会遭遇两项物理限制。第一，直接改变激光二极管电流所能达到的调变频宽远低于外部调变连续波激光所能达到的频宽。第二，为了取得足够的色彩亮度，激光二极管的偏压电流必须长时间维持在远高于激光起振阈值的位准，这会消耗相当可观的电力。
薄膜铌酸锂（thin-film lithium niobate，TFLN）近年获得广泛关注，铌酸锂具有强烈的Pockels电光效应，让外加电压能够快速改变波导的折射率，调变速度可达每秒数十吉赫（GHz），而激光二极管本身则能持续以固定、低功耗的方式运作。本文介绍的论文，首度将单色调变与RGB合波两项功能整合制作于同一片薄膜铌酸锂／蓝宝石单石芯片之上，并证实此元件的调变频宽远超过4K分辨率LBS显示器的需求。
图1：TFLN主动式光电子芯片三维示意图
以溅镀薄膜铌酸锂取代块材接合制程
目前多数薄膜铌酸锂元件的制作方式，是将块材LiNbO3晶体切割出薄层后接合至承载晶圆上，此制程虽然精准，成本却相当高。TDK团队改采溅镀方式直接成长LiNbO3层，在氩气气氛中通入氧气进行溅镀，镀膜于加热至650°C的蓝宝石基板之上。脊型波导接着以氩离子物理蚀刻方式定义形成。此溅镀路径省去了块材晶体接合步骤，预期在量产时成本远低于传统接合式薄膜铌酸锂作法。
图2：扫描式电子显微镜剖面影像
实验量测与芯片封装
研究团队将三颗独立激光二极管——红光638nm、绿光520nm、蓝光455nm——所发出的光，分别经由各自的偏振控制器与三芯光纤阵列，耦合进入芯片的三个输入波导。实际制作完成的芯片尺寸约9mm×1.9mm，安装于承载基板上并搭配一片PCB，芯片上的电极接垫与PCB接垫间以打线接合方式建立电性连接。
图3：TFLN芯片量测架构
图4：完成制作的TFLN芯片光学照片
红绿蓝三色独立动态调变
在激光二极管电流维持固定的前提下，研究团队依序对各组MZI扫描施加三角波电压，并记录对应的光输出。各色光输出随着施加电压扫过MZI特有的转移函数而周期性地上升与下降，证实三色光皆可透过电光效应独立且可重复地进行强度调变，而非仰赖激光二极管本身电流的变化。
图5：红绿蓝光调变输出波形
RGB加色混合验证
将红光MZI电压设定为消光后，绿光与蓝光合波输出呈现青色；将蓝光消光后，红光与绿光合波输出呈现黄色；将绿光消光后，红光与蓝光合波输出呈现洋红色。这三项结果共同证实MZI与多工器确实作为一套整合系统运作。
图6：两色多工输出光斑
全彩输出与白光验证
仅需调整三组MZI电压，即可涵盖红、绿、蓝三原色，以及青色、黄色、洋红色与白色等组合色。研究团队透过同时将三色激光注入芯片，并分别对红、绿、蓝MZI施加-0.4V、2.2V、-1.1V，成功产生白色输出，其色度坐标（0.313、0.329）相当接近标准照明体白点，证实此芯片确实能达到真正中性的白色。
图7：色度图与输出光斑
图8：三色合成白光的输出波形与驱动电压
全彩激光束扫描投影
研究团队将TFLN主动式光电子芯片输出的合波RGB讯号，与外部MEMS扫描反射镜进行同步，并利用此组合投影出全彩影像——TDK公司商标，成功呈现出可辨识的多色商标，证实前述各图所刻划的高速调变与加色混合特性，能够直接转化为实际可运作的激光束扫描显示器。
图9：投影出的全彩TDK商标影像
调变频宽与4K分辨率余裕
研究团队以42GHz光接收器，在637nm波长下量测芯片的电光频率响应，量得3-dB频宽超过10GHz。由于三组RGB MZI共享相同电极几何结构，且铌酸锂的电光响应在整个可见光波段几乎是实时的，此单一量测结果可视为代表全部三个色通道的性能。10GHz的调变频宽远高于4K分辨率LBS显示器所需。
图10：芯片电光频率响应
内容来源：逍遥设计自动化
