一种异质键合光波导片的制作方法

本发明涉及光学元件的，尤其是涉及一种异质键合光波导片。

背景技术：

1、增强现实技术，即ar技术，是在展示真实场景的同时，通过图像、视频、3d模型等技术为用户提供虚拟信息，实现将虚拟信息与现实世界巧妙地相互融合，属于下一个信息技术的引爆点，而增强现实眼镜可能会取代手机成为下一代的协作计算平台。以增强现实眼镜为代表的增强现实技术目前在各个行业开始兴起，尤其在安防和工业领域，增强现实技术体现了无与伦比的优势，大大改进了信息交互方式。目前比较成熟的增强现实技术中的光学显示方案主要分为棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案、离轴全息透镜方案和波导方案。

2、在众多光学显示方案中，浮雕光栅波导为使用浮雕光栅（srg）代替传统的折反射光学器件（roe）作为波导方案中耦入、耦出和出瞳扩展器件，因其优异的性能被认为是最有希望成为消费级ar眼镜产品的实现方案。波导上的这些光栅分别为可见光谱范围的红光、绿光或者蓝光的波长设计，通过这些光栅使得虚拟图像或者信息耦合到光波导体中或者从中解耦，从而使得这些图像能够被眼睛看见。如果用作波导的玻璃基板具有高折射率，由于ar眼镜的光学效果通常由光波导片的最小折射率等决定，即由玻璃基板在红色光谱范围内的折射率决定，这种高折玻璃可以使光在波导内发生全反射，从而减少光的泄露损耗，减少彩虹纹，进而达到提高视场角（fov）、光学清晰度和光传输效率的效果。

3、现有的高折玻璃材质较脆，厚重的玻璃成分（即具有高摩尔质量的成分）有助于提高玻璃基板的折射率和机械可靠性，但同时会增加玻璃基板的佩戴重量和生产成本。同时，目前高折玻璃的折射率达到瓶颈（2.0折射率左右），还存在高折射率带来的二次耦出产生杂光等问题，这对于ar镜片光学性能的提升非常有限。因此，如何提供一种新型光波导片，使其具有高折射率、大fov、降低彩虹纹等优点的同时，还能实现单片全彩画面、避免二次耦出产生杂光，是目前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是针对现有技术中所存在的上述不足而提供一种异质键合光波导片，其解决了现有高折玻璃光波导片存在的折射率达到2.0瓶颈、二次耦出产生杂光等问题，具有高折射率、大fov、单片全彩、降低彩虹纹的优点。

2、本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种异质键合光波导片，包括由宽禁带半导体材料组成的光波导层、以及由高折射率玻璃组成的玻璃基底，所述光波导层设置于所述玻璃基底上，且所述光波导层背离玻璃基底的表面具有光栅结构。

4、具体地，在本发明的光波导镜片中，所述“宽禁带半导体材料”的具体含义是指禁带宽度在2.3ev及以上的半导体材料，非限定地例如可为碳化硅（4h-sic、6h-sic、3c-sic）、氮化镓（gan）、氧化锌（zno）、氮化铝（aln）、硒化锌（znse）、氧化铟镓锌（igzo）、金刚石中的一种或几种的组合物；

5、所述“光栅结构”的具体含义是指由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件，非限定地例如可为透射式光栅和/或反射式光栅；

6、所述“高折射率玻璃”的具体含义是指折射率为1.50以上的高折射率玻璃，非限定地例如可为硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、氟化物和硫系化合物系列玻璃或其掺杂氧化钛、氧化锆、氧化锌、氧化铝等高折介电质材料。

7、进一步地，所述光波导层的折射率在2.60以上。

8、更进一步地，所述光波导层由碳化硅材料组成。

9、最进一步地，所述光波导层的厚度为0.10~0.20mm。

10、进一步地，所述光栅结构是由多个直齿光栅、斜齿光栅、和/或闪耀光栅组成并呈一维或二维阵列布置的亚波长光栅结构。

11、进一步地，所述玻璃基底的折射率为1.50~1.90。

12、更进一步地，所述玻璃基底的厚度为0.30~0.80mm。

13、进一步地，所述光波导层通过直接键合、温压键合、和/或光学键合的键合方式设置于所述玻璃基底上。

14、更进一步地，所述光波导层和玻璃基底的键合过程包括，将光波导层和玻璃基底的键合面分别经过等离子活化处理后，按照键合面相对的方式叠放光波导层和玻璃基底，并依次进行键合和退火处理，以使光波导层和玻璃基底之间形成si-o-si键合面，得到异质键合光波导片。

15、最进一步地，在所述等离子活化处理前，预先采用rca清洗方法分别清洗宽禁带半导体材料和高折射率玻璃。

16、最进一步地，在所述等离子活化处理过程中，控制o2流量为15~25sccm，功率为80~120w，时间为50~70s。

17、最进一步地，在键合处理过程中，按照从中心到边缘的方式完成光波导层和玻璃基底之间的键合。

18、最进一步地，在所述退火过程中，控制温度为200~400℃，时间为1~3h。

19、具体地，所述光波导层和玻璃基底的键合过程包括，

20、s1清洗，采用rca清洗方法分别清洗宽禁带半导体材料和高折射率玻璃，氮气吹干，得到光波导层和玻璃基底；

21、s2等离子体活化，先按照键合面朝上的方式放置所述s1得到光波导层和玻璃基底，再采用o2等离子体分别轰击所述光波导层和玻璃基底的表面，并控制o2流量为20sccm，功率为100w，时间为60s；其中，等离子体活化能激活所述光波导层和玻璃基底表面的si-o键、并具有亲水性；

22、s3键合，先按照键合面相对的方式叠放所述s2得到光波导层和玻璃基底，再按照从中心到边缘的方式完成所述光波导层和玻璃基底之间的键合，并排出所述光波导层和玻璃基底之间的空气，得到临时键合光波导片；其中，所述光波导层和玻璃基底之间的界面富含=o键，结合空气中的水汽，形成-oh键，氢键的范德华力会使所述光波导层和玻璃基底的表面相互粘合在一起，获得一定强度的临时键合；

23、s4退火，将所述s3得到的临时键合光波导片进行热处理，并控制温度为200~400℃，时间为1~3h，得到异质键合光波导片；其中，退火热处理将键合面的-oh键还原成水分子，形成键合力更强的si-o-si键合面，并排出水气，实现范德华力到共价键的转化，从而大大增加了所述光波导层和玻璃基底之间的键合强度。

24、综上所述，本发明的有益技术效果为：

25、1.如果单独使用碳化硅或高折射率玻璃作为光波导片材料，随着光波导片厚度的减小和折射率的提高，其内部的全反射路径较短，多次反射到耦出光栅上，进而导致二次耦出概率增大、并产生较多杂光，基于光波导片减薄和高折射率的改进目的，同时为了避免上述改进带来的弊端，本发明通过采用碳化硅光波导层键合高折射率玻璃基底，并将光栅结构一体加工在碳化硅光波导层上，有利于增加小角度衍射光的横向传输距离，减少光线的二次衍射，避免因此产生的杂光；

26、2.本发明通过单片光波导片就能实现全彩显示，增加小角度衍射光的横向传输距离，并减少光线的二次衍射产生的色差；根据光栅方程ndsinθ=kλ可知，sinθ=kλ/nd，sinθr-sinθg=k（λr-λg）/nd，δθ=kδλ/nd；其中，n为折射率，θr和θg分别为红光和绿光的衍射角度；所以，在相同的光线传输，折射率越大，衍射角度差值越小，色差减小；

27、3.本发明采用2.6以上折射率的碳化硅材料键合1.5以上折射率的高折射率玻璃，能使光波导片突破2.0折射率瓶颈，进而提高光线在光波导片中传播的弯折角度，最终提高视场角并减小彩虹纹影响的外界杂光范围。