硅光融合：探索轻量化XR产品的硅光集成之路
1引 言扩展现实（Extended Reality，XR）融合了计算机图形、仿真、传感、渲染、交互、多媒体、近眼显示等多种技术，通过各种传感产品，可向用户提供关于视觉、听觉、触觉、嗅觉等感官的模拟，实现用户和环境的自然交互，具有广阔的应用场景和巨大的产业潜力。然而，尽管XR相关技术和产品发展快速，但当前XR技术和产品应用中仍存在许多问题亟待解决，如XR高性能终端价格门槛较高、XR产品体积较大，佩戴不够轻便、产品分辨率、视场角等方面的画面视觉质量有限、缺少适配虚拟XR业务的云网优化，致使网络感知不佳等等，这些问题的存在阻碍了XR技术的发展普及。对于XR技术中现存的一些难点问题，硅光（Silicon Photonics）技术有望为其提供相应的解决方案。所谓硅光（Silicon Photonics）技术，是指用成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的工艺，在硅或硅基衬底材料上，制造出相应的光子/光电器件（包括硅基发光器件、调制器、探测器、光波导器件等），并利用这些器件对光信号进行发射、传输、检测和处理，以实现其在光通信、光传感、光计算等领域中的实际应用。基于硅光技术的产品主要包括：硅光器件、硅光芯片、硅光模块。硅光器件包括光源、调制器、探测器、波导等基本硬件，如下图2所示。硅光芯片是集发送/接收/检测/调制芯片于一体的单芯片，具有性能高、功耗低、成本低等优点。硅光模块是硅光技术的集成产品形态，包含了光源、硅光芯片以及相应的模块，如光发送器件、光接收模块，甚至外部驱动电路等。图2 硅光技术产品示意图相较于传统的电路系统而言，硅光技术可以利用光来传输更大的数据量，且其传输效率更高、速度更快，同时硅光子芯片、器件还拥有成本低、体积小、集成度高等优势。目前，硅光技术的应用主要集中于数据中心、城域/骨干网领域中的硅光模块上，其应用几乎占硅光应用的90%以上。随着人工智能、云数据中心等技术推动以及光学激光雷达、量子计算、光学陀螺仪等技术的发展，硅光技术将可迎来更多创新和应用。2硅光技术在XR领域中的潜在应用结合硅光子技术特性及其高集成度、小体积、低功耗、低成本、高速传输大数据量等优势，可以发现硅光技术可针对XR中的一些现存问题提供相应的解决方案，具备较大的应用潜力。对于XR中产品价格门槛较高、XR产品体积较大，佩戴不够轻便等问题，可尝试采用硅光技术芯片化替代部分功能器件，降低产品成本和体积，例如在XR近眼显示应用中，可利用硅光技术制备单芯片集成RGB光源，减少分立合束器件的使用，相应减小产品体积和重量，如下图3所示分别为空间分立透镜合束RGB光源和基于硅光技术制备的波导集成RGB光源。可以看到，基于硅光子技术制备的（PLC）集成RGB光源具有非常小的尺寸和体积，这将有利于减小XR产品的体积和重量。图3 波导集成RGB光源当前基于硅光子技术制备的小尺寸集成RGB光源正被广泛研究，包括采用不同类型的集成材料平台和集成光波导结构，以减小RGB光源尺寸的同时提升其激光性能，并降低激光功耗，如下图4所示为Triplex、TDK 和NTT公司分别基于氮化硅芯片、铌酸锂芯片和PLC芯片研制的集成RGB光源。这些集成RGB光源结构紧凑、尺寸体积小，批量化生产成本相对较低，这将有利于在规模化量产XR产品过程中降低其产品成本。图4不同材料平台和结构的集成RGB光源关于XR产品分辨率、视场角等方面的画面视觉质量受限等问题，基于硅光子技术结合材料平台特性，制备不同相位调制的超表面结构，可为XR系统中扩展FOV提供潜在解决方案。同时采用超表面结构替代传统透镜和分光镜，可实现轻量化的XR头显产品，从而提升佩戴舒适性。如下图所示为不同相位调制机理的超表面结构。通过相位调制方法可为基于超表面的耦合器提供更宽的角度带宽和更高的耦合效率，同时可改进其角效率的响应，以使得在基于波导的AR系统中扩展FOV成为可能。图5 不同相位调制机制的超表面结构信通院虚拟（增强）现实白皮书指出，千兆光网+云VR将成为F5G（第五代固定网络）时代典型特征与重点应用的结合。以10G PON、Wi-Fi6、200G/400G、NG OTN 和 OXC 等技术为代表，具有大带宽、低时延、能力开放、高稳定全光联接特性，可满足多路用户并发诉求。因此，硅光通信的高带宽（400G光模块）特性将在云XR海量数据传输上具备很大的应用潜力，比如利用硅光通信实现高分辨率的视频流和实时的交互数据；其次，硅光通信的高速率传输有助于减少传输时间，从而降低延迟；此外，硅光器件的集成化和小型化有助于在数据中心内部和边缘产品中部署，减少能耗和空间占用。硅光通信有望作为云XR的基础设施，其高带宽、低延迟与集成化优势将加速虚拟与现实的无缝融合，成为下一代沉浸式交互的核心使能技术。3硅光技术在XR应用中的难点硅光技术的高集成度、低功耗、小体积、低成本以及多自由度控制的优势，使其在高分辨率显示、光学传感与环境交互、实时传输XR中高分辨率图像、3D点云和传感器数据以及降低延迟、功耗等问题上，具备广泛的应用潜力。需要指出的是，硅光技术在XR中的应用尚处于研究阶段，针对硅光技术应用于XR中提升其产品性能，尚未完全成熟。同时，硅光技术在实际应用于XR过程中，也存在着难点问题，需要妥善解决，包括：硅光产品良率问题、热管理、集成封装、材料和工艺的兼容性，以及统一的光电协同设计标准等等，这些问题也将是硅光技术在XR应用中所需研究解决的重点。总的来说，硅光技术在XR中的核心价值在于通过利用光子集成技术，突破传统电子器件的物理限制，推动XR产品向更小体积、更低成本、更高性能的方向发展。随着Meta、苹果、微软等企业在XR领域的持续投入以及硅光技术的发展进步，硅光技术或将成为下一代XR应用中的关键技术。
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