Nature: 光子芯片打造超薄平板激光显示

在显示技术的发展史上，从笨重的显像管到轻薄的平板显示器的转变，深刻地改变了人类与视觉科技的互动方式。如今，平板显示已成为生活中无处不在的核心界面。然而，要实现更高亮度、更广色域以及更沉浸的视觉体验，传统的 LED 光源正逐渐显现出瓶颈。尤其是在增强现实（AR）和虚拟现实（VR）中，对显示的要求更加苛刻。AR/VR 设备必须在极为紧凑的体积和重量限制下，依然能够提供足够的亮度，以确保在户外强光环境中清晰可见。与手机等常规显示相比，AR/VR 显示需要在整体显示面积缩小数百倍的情况下保持相似的分辨率，甚至输出高出数千倍的亮度。这对光的生成、传输与调控提出了前所未有的挑战，迫切需要一种在架构层面实现根本性提升的新型显示方案。

激光凭借方向性强、色彩饱和度高以及天然的偏振特性，被认为是下一代显示的理想光源。但长期以来，激光显示主要依赖庞大的投影式架构，复杂的自由空间光学组件不仅使系统体积臃肿，也难以满足便携化与集成化的需求。如何将激光显示从笨重的投影机压缩为真正的平板形态，成为显示领域长期未解的难题。

近日，Meta Reality Labs Research团队在Nature上报道了一项突破性成果。他们提出了一种基于大规模集成光路（PICs）的全新平板激光显示架构，将原本分散在自由空间的光学元件全部集成到单片光子芯片之上，从而大幅压缩显示器整体厚度。研究团队在一块芯片上集成了数千个不同功能的光学器件，实现了对红、绿、蓝三基色激光的精准导光、分色与出射控制，并与硅基液晶（LCoS）面板相结合，制备出全球首个超薄平板激光显示器。实验结果表明，该系统在体积上相比传统微显示器减少超过80%，色域覆盖率达到211%，充分展示了激光平板显示的潜力。

该工作由Meta Reality Labs Research多位研究人员共同完成，论文以“Flat-panel laser displays through large-scale photonic integrated circuits”为题发表在Nature上。论文共同第一作者为Zhujun Shi（石竹均）、Risheng Cheng（成日盛）、Guohua Wei（魏国华），通讯作者为Giuseppe Calafiore。

基于集成光路的激光照明系统

在传统平板显示中，LED背光采用的是“散射与滤光”架构。光首先通过背光板被打散，然后再经过彩色滤光片、偏振片和其他一系列滤光元件，最终形成符合显示需求的照明光场。这种方式的优势是结构简单，工艺成熟，足以满足手机、电视等常规应用。然而，一旦将光源换成激光，这种架构反而成为限制。

激光具有极高的方向性、窄光谱和天然偏振输出。如果简单地把激光耦合进LED式的背光板，扩散与滤光的过程会彻底抹去这些优势。结果不仅导致效率急剧下降，还会破坏色彩和偏振特性。为此，传统激光显示均为基于自由空间光学的投影仪，而非平板显示。

Meta团队提出的解决方案，是用集成光路（PIC）精准控制激光照明光场。在他们的设计中，所有光的扩展、分色、角度与偏振控制都在单片光子芯片上完成。与“散射与滤光”不同，PIC采用“导光与选择”的模式：光在芯片波导中被有序地分束与传输，再通过设计化的光栅耦合器定向出射。这样不仅保留了激光的方向性和偏振特性，还免除了庞大的自由空间光学器件，使得显示系统能够真正压缩到平板形态。

图1基于集成光路的激光平板显示

图源：Nature

集成光路的设计与实现

要实现这一架构，研究团队在氮化硅（SiN）光子芯片上集成了数千个不同功能的光学器件。首先，RGB激光通过边缘耦合进入芯片，随后在一系列Y型分束器的作用下被逐级分束，扩展为覆盖整个LCoS面板的均匀光场。为了克服光强沿传播方向的指数衰减，团队采用了交错式光路布局：光从两端同时注入，在中心汇合形成均匀分布，从而保证亮度一致性。

图2PIC激光显示器件设计与实现

图源：Nature

在色彩控制方面，研究人员使用片上粗波分复用器（CWDM）将白光重新分解为红、绿、蓝三色，分别优化其传播路径和出射光栅设计。光栅的长度和间距决定了出射角度和发散锥角，使光能够与LCoS面板和成像光学系统精准匹配。同时，芯片设计中还加入了反射型偏振片回收机制，将向下方出射的光反射回显示方向，提高光能利用率。

工艺上，集成光路的加工全部基于CMOS兼容制程。研究团队进行了一系列设计和工艺的优化，使氮化硅波导损耗被压缩至红光0.1 dB/cm、绿光0.3 dB/cm、蓝光1.1 dB/cm。这保证了光在厘米级尺度上传输仍能保持高效率。最终，团队将光子芯片与硅基液晶（LCoS）面板直接集成，制备出仅2毫米厚的平板激光显示器。测试结果显示，其色域覆盖率高达211%，超过sRGB与Adobe RGB标准；亮度均匀性达到71%，色彩均匀性Δu′v′ < 0.01，满足人眼视觉要求。

在增强现实系统中的应用

为了进一步验证其实用价值，研究团队将平板激光显示与波导式增强现实（AR）光学系统结合，展示了一个便携手持式原型机。在该系统中，来自激光显示的光场经过透镜模块准直后耦合进波导，并通过全反射扩展出瞳。实验表明，该原型机能够在明亮的办公室环境中清晰呈现虚拟与现实叠加的画面，展示出极具沉浸感的增强现实体验。

与现有的微型投影式AR光机相比，基于PIC的平板激光显示具有显著优势。它无需庞大的光学透镜阵列，体积缩减超过80%，同时提供更高的亮度和色彩饱和度。这意味着未来的AR眼镜光机有望缩小到不足1立方厘米，真正实现轻量化和全天佩戴的可能。

图3PIC平板激光显示在AR中的应用

图源：Nature

展望未来，基于集成光路的激光平板显示有望在AR/VR、全息显示、光场显示等多个层面重塑显示技术版图。正如从显像管到LED平板的转变带来了一次显示革命，集成光路驱动的激光显示有望成为下一代显示技术的里程碑，为视觉科技打开更加广阔的想象空间。

论文链接：

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