光波导技术分类
目前比较成熟的增强现实技术主要分为棱镜方案、birdbath方案、自由曲面方案、离轴全息透镜方案和波导（Lightguide）方案，前三种方案体积较大，限制了其在智能穿戴方面，即增强现实眼镜方面的应用。全息透镜方案使用全息片独一无二的光学特性，具有大FOV和小体积的优势，但是受限于眼动范围比较小。
波导是目前最佳的增强现实眼镜方案，分为：几何波导方案、浮雕光栅波导方案和体全息波导方案。
几何波导方案
一般包括锯齿结构波导、偏振薄膜阵列反射镜波导（简称偏振阵列波导）。其中主流的偏振阵列波导是使用阵列的部分透射部分反射薄膜镜来达到虚拟信息的显示的目的，偏振阵列波导方案具有轻薄、眼动范围大且色彩均匀的优势。
浮雕光栅波导方案
可以用纳米压印工艺进行大批量生产，引起了AR光学模组生产产商的极大兴趣，它具有大视场和大眼动范围的优势，但是也会带来视场均匀性和色彩均匀性的挑战，同时相关的微纳加工工艺也是巨大的挑战。
体全息波导方案
在色彩均匀性（无彩虹效应）和实现单片全彩波导上均有优势，但是目前在大规模量产和大视场上受到了限制。
光波导类型的主要区别在于光的进出耦合结构。波导结构的核心在于轻薄透明的玻璃基底，其厚度通常为几毫米或亚毫米级别。
几何光波导通过半透半反镜面阵列实现图像显示，提高了动眼框范围以适应更多用户，但存在制造复杂性和良率挑战。“几何光波导”这一概念自提出以来，已经历了近二十年的发展与优化。这种“半透半反”镜面是嵌入玻璃基底中的特殊表面，它与传输光线形成特定角度。每个镜面都会将部分光线反射出波导，而剩余光线则继续在波导中传播。这种“反射-透射”的过程在每个镜面上都会重复，直到最后一个镜面将所有光线反射出波导，从而实现图像的显示。
衍射光波导利用微纳米级的光栅结构实现光线的精细操控，支持多样化的扩瞳设计，但面临生产成本和彩虹效应的挑战。光波导类型的主要区别在于光的进出耦合结构。衍射光波导包括表面浮雕光栅波导和全息体光栅波导。表面浮雕光栅波导利用光刻技术制造，而全息体光栅波导则采用全息干涉技术。
值得注意的是，全息体光栅波导在色彩表现上具有优势，但目前仍面临FOV的限制。
衍射光栅元件在波导中起到了关键的分光作用，实现了对光线传播方向的改变。这种周期结构通常发生在微纳米级别，与可见光的波长相当，从而实现对光线的精细操控。衍射光栅的“分光”特性体现在两个维度上。当单一波长的入射光遇到衍射光栅时，它会被分成多个衍射级，每个衍射级都沿着不同的方向传播。
衍射光波导的微纳制造
浮雕光栅波导制造
如上所述，表面浮雕光栅从维度上可分为一维和二维光栅，而在结构上可分为直光栅、闪耀光栅和倾斜光栅。
由于增强现实光波导用于可见光波段，为了实现较大的衍射效率和视场角，其特征尺寸一般在数百纳米，甚至几十纳米，且其性能对误差容忍度较小，所以对微纳加工制备提出了很大的挑战。
目前的衍射光波导制备基本都是基于半导体制备工艺（如光刻、刻蚀工艺）完成。但是，由于这些方法受其复杂、昂贵的设备的限制，生产成本非常高，不适合光学模组的大批量制备。
图14所示为表面浮雕光光栅模板制备或小批量制备工艺流程图，包括其扫描电镜图。对于直光栅，其工艺较为成熟，首先在基底上旋涂抗蚀剂层，通过干涉曝光或电子束曝光实现光栅的图案化，之后利用反应离子刻蚀（RIE）或电感耦合等离子体刻蚀（ICP）将图案转移到基底，并将抗蚀剂层去除，完成直光栅的制备。
而由于均匀性问题导致以HoloLens为代表的斜光栅光波导无法直接采用反应型刻蚀方案准备，所以制备工艺较为复杂，需要采用聚焦离子束（focused ion beam etching，FIBE）、离子束刻蚀(ion beam etching，IBE)、反应离子束刻蚀(reactive ion beam etching，RIBE)技术所制备。
综合考虑到效率和均匀性，RIBE是其中较合适的方案。首先，将基底上通过物理或化学方法镀一层硬掩模（如Cr）层，之后旋涂一层抗蚀剂层。同样利用干涉曝光或电子束曝光进行图案化，之后通过氯干刻蚀工艺将抗蚀剂图案转移到Cr层。在刻蚀工艺之后，用氧等离子体法剥离剩余的抗蚀剂层。接下来使用基于氟基的RIBE工艺用电离的氩离子束以倾斜的角度入射基底。在反应离子束刻蚀之后，通过标准的湿法刻蚀工艺去除Cr掩模，获得具有出色均匀性的斜光栅。
图14：表面浮雕光栅模板或小批量制备工艺流程
上述基于半导体工艺的制备成本昂贵，不适合光栅波导量产加工。因此，衍射光波导的复制工艺随即被开发出来以便实现大批量生产，而这这种大规模的制造工艺依赖于高折射率的光学树脂，目前Magic Leap和WaveOptics已经进行相关工艺的验证。复制工艺包括热压法（hot embossing）、紫外线纳米压印光刻法（UV-nano imprint lithography）和微接触压印法（micro contact printing，亦被称为软光刻）。其中紫外线纳米压印光刻是表面浮雕光栅波导批量生产中的常用方法。
具体工艺流程如图15所示，该工艺可分为两个阶段：纳米压印工作模具制备阶段和批量生产阶段。首先，通过上述模板制备工艺将图案加工到硅晶圆上以用作模板，通过纳米压印技术在更大的硅晶片上旋涂UV树脂并在上面印刷更多的模板。然后使用紫外线对印刷的结构进行曝光以固定树脂。最后通过重复上述过程批量生产多图案的压印模具。在批量生产的过程中，使用多图案的模具来生产表面浮雕光栅波导，然后使用功能性涂层覆盖波导，并用激光切割技术分离，最后将不同结构的波导堆叠实现光学模组的制备。
图15：表面浮雕光栅大批量复制量产工艺
体全息波导制造
体全息波导的制备基础是干涉曝光，通过使用激光激发的干涉图案曝光附着在基底上的光敏折射材料，材料特性根据光的强度分布而变化，最后获得具有折射率周期性变化特性的材料。制备体全息波导的材料包括卤化银、重铬酸盐明胶、光敏聚合物、全息高分子分散型液晶以及其他更奇特的材料。对于体全息图的记录过程大都相似，但是一般的曝光仅适用于小批量验证，而对于大批量生产，需要开发更加经济的方案，以Sony和DigiLens为代表的公司开发了体全息波导的加工工艺流程。
如图 16 展示了制备体全息波导的卷对卷（roll-to-roll）工艺。首先，使用双束干涉曝光法在附着在卷胶上的光敏聚合物膜内形成体全息波导；第二步，通过注射成型法形成高质量的环烯烃聚合物塑料波导。为了获得合格的图像，波导的翘曲必须小于5um，并且有效区域的厚度变化应小于1um。然后进行全息光学元件的转移工艺以将全息波导膜准确地与塑料波导对准粘贴；之后将塑料全息波导进行切割；最后在配色过程中，将红、蓝塑料波导与绿色塑料波导对准并用UV树脂将其封装固定。塑料基底在每次加工之前和之后都均应保持平坦是冲压和配色过程中都面临的挑战。图 16 展示了带有绿色、红色、蓝色以及全色塑料VHG波导的照片。
图16：卷对卷体全息波导制备工艺
光波导类型
光波导（optical waveguide）是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。光波导有两大类：一类是集成光波导，包括平面（薄膜）介质光波导和条形介质光波导，它们通常都是光电集成器件（或系统）中的一部分，所以叫作集成光波导；另一类是圆柱形光波导，通常称为光纤 （见光学纤维）。
平面介质光波导是最简单的光波导，它是用折射率为n2的硅（或砷化镓，或玻璃）作基片，用微电子工艺在它上面镀一层折射率为n1的介质膜，再加上折射率为n3的覆盖层制成。通常取n1>n2>n3，以便将光波局限在介质膜内传播。
条形介质光波导是在折射率为n2的基体中产生一个折射率为n1的长条，取n1>n2，以便将光波局限在长条内传播。这种光波导常用作光的分路器、耦合器、开关等功能器件。
平面光波导材料
PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（SiO2）、SOI（Silicon-on-Insulator,绝缘体上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃。
铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。
InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。
二氧化硅波导以硅片为衬底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。
SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。
聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。
光波导技术要求
轻薄化与类眼镜形态：消费级AI眼镜必须追求极致的轻薄。光波导镜片厚度需控制在1mm以内（理想状态为0.5-0.7mm），重量需在4克左右，以接近普通眼镜的佩戴感。这是实现全天候无感佩戴的基础。
大视场角（FOV）与高亮度：为提升沉浸感和户外可用性，需要更大的FOV和更高的入眼亮度。传统玻璃波导FOV受限（约40°），而采用碳化硅（SiC）等高折射率材料的单层波导可将FOV提升至80°以上。同时，波导光效（光能利用率）需持续提升，以支持5000尼特甚至10000尼特的峰值亮度显示需求。
高透光率与低光学缺陷：波导镜片需具备极高的透光率（综合透光率＞98%）以保证现实世界的清晰度。同时，必须有效抑制彩虹纹（衍射分光导致的视觉污染）和漏光（隐私泄露问题）两大固有缺陷，这是影响用户体验的关键。领先厂商已通过独特的光学设计，将彩虹纹可见度控制在极低水平。
低功耗与高效散热：AI眼镜需长续航运行，要求光学模组功耗极低。例如，电致变色镜片单片功耗可低至0.06毫瓦。同时，碳化硅材料的高热导率（约490W/m·K） 能快速传导光机和芯片热量，简化甚至省去主动散热系统，进一步实现轻量化。