增强现实（AR）技术正推动着人机交互市场的变革，然而其大规模商业化始终受制于硬件瓶颈：设备厚重导致佩戴不适，且全彩显示时的“彩虹伪影”严重影响了用户体验。近日，西湖大学、慕德微纳（杭州）科技有限公司联合发布了一种颠覆性的解决方案，采用碳化硅（SiC）材料成功研发出超轻、超薄的衍射光波导。该方案首次实现了单层碳化硅衍射光波导的设计、量产级制造与封装，为基于SiC的AR技术路线奠定了开创性基础。基于该单层SiC波导，不仅实现了无彩虹伪影的全彩显示，且其重量仅为3.795克，厚度薄至0.75毫米，实现了远超传统方案的轻量化水平（注：日常佩戴的近视眼镜单目在几克-几十克不等）。更重要的是，该技术与大规模量产的超薄菲涅尔处方镜片兼容，为近视用户提供了“一站式”的轻便AR视觉解决方案。这项工作为未来消费级AR眼镜的发展扫清了关键障碍，为下一代信息交互方式开辟了充满希望的道路。相关研究成果以“SiC Diffractive Waveguides for Augmented Reality: Single-Layer, Full-Color, Rainbow-Artifact-Free Display with Vision Correction”为题发表于eLight（影响因子32.1，入选两期卓越计划）。
浙江大学-西湖大学联合培养博士生陈博取为第一作者。西湖大学仇旻教授、慕德微纳（杭州）科技有限公司杜凯凯博士、蔡璐博士为共同通讯作者。研究得到国家重点研发计划，国家自然科学基金，西湖大学未来产业研究中心、先进微纳加工与测试平台的大力支持。
论文链接：https://doi.org/10.1186/s43593-025-00100-1
自诞生以来，AR技术始终面临着一项核心技术难题：如何在保持设备可穿戴性（紧凑、轻便）的同时，实现宽阔的视场角（FOV）和卓越的显示质量。衍射光波导技术因其能够较好地平衡纤薄性、宽广视场和量产潜力，成为当前AR显示的主流方案。然而，随着功能集成度和显示质量要求的不断提升，传统以高折射率玻璃为基底材料的衍射光波导不仅导致AR眼镜镜片体积庞大、重量激增（单目>10-15克），更因光栅结构对环境光的衍射，产生了严重的“彩虹伪影”，极大地影响了用户的视觉沉浸感。尽管业界已认识到碳化硅（SiC）等新材料的潜力，例如扎克伯格领衔的Meta公司曾发布搭载SiC波导的概念原型机Orion，但其复杂双面结构带来的良率风险以及高昂的制造成本，使得规模化量产迟迟未能实现。因此，开发一种既能解决彩虹伪影问题，又能实现极致轻薄，并且具备大规模量产能力的新型AR波导技术，已成为整个行业亟待攻克的关键挑战。
本研究工作遵循“概念革新-制造突破-性能实证”的严谨逻辑，系统性地解决了AR显示领域的核心挑战，其亮点可按文章图示顺序展开：
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概念革新：
定义下一代AR眼镜形态
研究团队首先展示了该项研究的最终成果：一副基于碳化硅（SiC）衍射光波导的超薄、超轻AR眼镜原型。与笨重且存在彩虹伪影的传统玻璃波导方案相比，该团队的SiC波导方案从根本上改变了AR设备的形态和视觉体验（图1a）。最终封装的单片波导镜片重量仅为3.795克，厚度仅0.75毫米，实现了革命性的轻量化。实物展示（图1b）和全彩显示效果（图1c）直观证明，该研究成功地将一个纯净、无干扰的AR世界带入现实，无论在暗室还是日光环境下，都能保持卓越的显示质量。
图1：(a) SiC波导（左）与传统玻璃波导（右）的对比；(b) SiC波导静态模组（上）和整机演示模组（下）；(c) AR场景整机演示模组测试结果
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制造突破：
实现SiC波导的规模化量产
一项技术要走向应用，离不开可行的量产制造技术。研究团队展示了在4英寸SiC晶圆上的大面积、高精度量产成果（图2a），这得益于团队提出的“纳米压印剥离”（NIL-to-lift-off）工艺。该工艺巧妙地利用纳米压印批量化转移结构图案，通过蒸镀与剥离工艺实现金属掩模制备，攻克了SiC这类硬脆材料的干法刻蚀低选择比难题。扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）图像（图2b-c）证实了纳米光栅结构的高保真度。同时，团队还开发了超薄菲涅尔透镜的低成本NIL制造方案（图2f-h），为后续的功能集成奠定了基础。
图2：(a) 量产的4寸SiC波导晶圆；(b) SiC纳米光栅的扫描电子显微镜（SEM）图像；(c) SiC纳米光栅的原子力显微镜（AFM）图像；(d)经过封装与激光切割后的SiC波导镜片；(e) 单目SiC波导镜片重量；(f)激光切割后的菲涅尔近视镜片；(g-h)菲涅尔近视镜片的共聚焦显微镜图
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性能实证：
全方位的功能集成与验证
最后，团队通过自主搭建的光学测试平台（图3a）量化了器件的卓越性能。测试结果表明，该SiC波导实现了高达1238.10 nit/lm的全彩显示光效，较主流商用产品提升72%，并具备优异的20.45% 全彩显示亮度均匀性（图3b-h）。同时，团队成功将厚度仅0.2毫米的超薄菲涅尔镜片与SiC波导集成，实现了与传统镜片效果相当的视力矫正功能（图3i），且图像清晰度测试（图3j-l）验证了其光学质量。这一系列数据不仅证明了该技术的领先性，更展示了其作为成熟产品推向市场的巨大潜力。
图3：(a) 自主搭建的光学测试平台；(b) 对比度（上）、视场角（中）和畸变（下）的测试结果；(c) RGB全彩显示；(d)SiC波导在632、524和467 纳米波长下混合与分离的耦出亮度；(e-h)混合与分离的耦出光效；(i)超薄菲涅尔透镜演示；(j)图像清晰度测试装置示意图；(k)透过菲涅尔透镜观察的视图照片；(l)中心和边缘区域的空间频率响应
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总结与展望
本研究成功展示了一个基于碳化硅（SiC）波导的全新AR显示平台，它同时解决了轻薄化、全彩无彩虹伪影显示和规模化量产三大核心难题。团队通过创新的材料应用、光学设计和制造工艺，打造出一款重量仅3.795克、厚度0.75毫米、光效高达1238.10 nit/lm的AR衍射光波导，并集成了超薄视力矫正功能。
这项工作不仅为消费级AR眼镜的发展提供了切实可行的技术路径，更揭示了SiC作为下一代光电平台材料的巨大潜力。目前，该技术方案已供应给多家业内头部企业，正为AR显示行业的技术进步持续助力。展望未来，该技术平台有望进一步优化，实现更宽广的视场角。此外，利用SiC优异的导热性，未来的AR眼镜可将波导本身作为散热元件，将光学引擎和计算单元产生的热量高效导出，实现“功能-结构一体化”的无源热管理，这将是AR设备迈向更高性能、更长续航的关键。该研究为AR、元宇宙、航空航天等前沿领域的发展奠定了坚实的技术基础，预示着一个由SiC光子技术驱动的新时代的到来。
文章来源：西湖大学工学院（SOE）微信公众号
