CN113867085A - 激光芯片和激光投影显示设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种激光芯片以及激光投影显示设备，该激光芯片包括：半导体基体和存在于半导体基体上的多个波导，相邻的两个波导之间存在间隔，不同的波导的长度不同，每一个波导用于输出一条激光光束，不同的波导输出的激光的波长不同，多个波导用于同时输出多条颜色相同的激光光束，该多条颜色相同的激光光束叠加后得到输出的激光光束。本申请提供的激光芯片，多个波导可以同时输出多条颜色相同的激光光束，不同波导输出的多个激光光束进行叠加，相当于增大了输出的激光波长线宽，从而解决了显示散斑现象和显示激光干涉的问题，并且，结构简单，便于实现。
Description
技术领域
本申请涉及激光投影显示领域，更为具体的，涉及一种激光芯片和激光投影显示设备。
背景技术
激光投影显示技术(laser projection display technology，LPDT)，是以红(red)、绿(green)、蓝(blue)三基色(RGB)激光为光源的显示技术，可以最真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，提供更具震撼的表现力。
由于激光光源发出的激光具有窄线宽、能耗低的特点，使其作为显示应用时具有明显的色域、对比度和小尺寸集成的优势。但是，由于激光光源发出的激光的波长线宽较窄，也带来了显示散斑现象和显示激光干涉现象，如何在保证激光原有优势的同时，简单和有效的增加波长线宽称为目前急需解决的问题。
发明内容
本申请提供了一种激光芯片、激光光源以及激光投影显示设备，可以使得产生的激光具有较大的激光波长线宽，从而解决了显示散斑现象和显示激光干涉的问题，并且，结构简单，便于实现，可以实现小尺寸封装。
第一方面，提供了一种激光芯片，该激光芯片包括：导体基体和存在于该半导体基体上的多个波导，所述多个波导为并排设置，相邻的两个波导之间存在间隔，不同的波导的长度不同，每一个波导用于输出一条激光光束，不同的波导输出的激光的波长不同，该多个波导用于同时输出多条颜色相同的激光光束，该多条颜色相同的激光光束叠加后得到输出的激光光束。
第一方面提供的激光芯片，每一个波导相当于一个谐振腔，相邻的两个波导之间存在间隔(间距)，不同的波导的长度不同，相当于不同的谐振腔的长度不同。每一个波导用于输出一条激光光束，不同的波导输出的激光的中心波长是不同。多个波导可以同时输出多条颜色相同的激光光束，不同波导输出的多个激光光束进行叠加，相当于增大了输出的激光波长线宽，从而解决了显示散斑现象和显示激光干涉的问题，并且，结构简单，便于实现，可以实现小尺寸封装。
在第一方面一种可能的实现方式中，相邻的两个波导之间的间隔小于或者等于10nm，在该实现方式中，可以使得激光芯片上的多个波导共同输出光斑尽量小，有利于提升激光光源芯片输出光束质量。
在第一方面一种可能的实现方式中，该多个波导平行设置，该多个波导的一端对齐，该多个波导的另一端不对齐。例如，该多个波导的另一端为阶梯面结构。在该实现方式中，可以实现不同波导的长度不同。其可以在原有激光芯片产品上只通过改造光刻和抛光工艺，实现了不增加光源体积和光源封装工艺达到增加单色激光线宽的目的，结构简单，便于实现。例如，该半导体基体可以为长方体。
可选的，相邻的两个波导之间的间隔的范围可以为5um～10um，从而可以使得各个波导输出的激光光束的中心波长比较接近，从而使得输出的激光的颜色比较接近。例如，在本申请实施例中，各个波导输出的激光光束的中心波长相差的范围为2nm～10nm。
在第一方面一种可能的实现方式中，该多个波导的一端对齐，相邻的两个波导的延长部之间存在夹角，即该多个波导为非平行设置。在该实现方式中，通过利用多个波导的非平行设置，从而使得多个波导的长度不同，即形成多个不同腔长的谐振腔，避免了工艺相对较难的阶梯抛光，只需要进行波导端面平齐抛光皆可，降低了激光芯片制成难度，结构简单，便于实现。例如，该半导体基体可以为长方体。
在第一方面一种可能的实现方式中，该多个波导的一端该半导体基体的第一端面对齐，该多个波导的另一端与该半导体基体的第二端面对齐，该半导体基体的第一端面与该半导体基体的第二端面不平行。在该实现方式中，可以简单快捷的实现多个波导的长度不同，不需要再追加更多光路架构和光学元件，使得激光光源尺寸较小，能实现极简小型化封装，结构简单，便于实现。例如，该半导体基体的上表面为梯形，多个波导为直线型，且为平行设置。
在第一方面一种可能的实现方式中，该多个波导的一端该半导体基体的第一端面对齐，该多个波导的另一端与该半导体基体的第二端面对齐，该半导体基体的第一端面与该半导体基体的第二端面不平行，每一个波导为折线形，即每一个波导存在一个倾斜夹角。在该实现方式中，不需要再追加更多光路架构和光学元件就可以简单快捷的实现多个波导的长度不同，使得激光光源尺寸较小，能实现极简小型化封装。例如，该半导体基体的上表面为梯形，或者，该半导体基体为长方体。
在第一方面一种可能的实现方式中，该多个波导用于传输蓝光激光、红光激光或者绿光激光。
在第一方面一种可能的实现方式中，该多个波导是通过光刻或者蚀刻设置于该半导体基体上。
第二方面，提供了一种激光光源，该激光光源包括上述第一方面或者第一方面任意一种可能的实现方式提供的激光芯片。
第三方面，提供了一种激光投影显示设备，该激光投影显示设备包括上述第一方面或者第一方面任意一种可能的实现方式提供的激光芯片，或者，包括上述第二方面提供的激光光源。
例如，本申请提供的激光投影显示设备包括：投影物镜和上述第一方面或者第一方面任意一种可能的实现方式提供的激光芯片，或者，投影物镜和上述第二方面提供的激光光源。激光芯片或者激光光源输出端连接该投影物镜，该投影物镜用于将该激光芯片或者激光光源输出的多条颜色相同的激光光束透射到投影显示幕布上。
例如，本申请提供的激光投影显示设备可以为AR设备、VR设备、HUD设备、手机投影显示设备、激光投影显示设备、微投影显示设备、或者近眼显示设备等。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一例AR眼镜的示意性结构图。
图2是本申请实施例提供的一例激光芯片的示意性结构图。
图3是本申请实施例中的在硅基体上光刻波导的过程的硅基体的侧视图。
图4是本申请提供的另一例激光芯片的示意性结构图。
图5是本申请提供的另一例激光芯片的俯视的示意性结构图。
图6是本申请提供的又一例激光芯片的示意性结构图。
图7是本申请提供的又一例激光芯片的俯视的示意性结构图。
图8是本申请提供的又一例激光芯片的示意性结构图。
图9是本申请提供的又一例激光芯片的俯视的示意性结构图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。
在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。
以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
激光投影显示技术(laser projection display technology，LPDT)，也可以称为激光投影技术或者激光显示技术，是以红(red)、绿(green)、蓝(blue)三基色(RGB)激光为光源的显示技术，可以最真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，提供更具震撼的表现力。从色度学角度来看，激光投影显示的色域覆盖率可以达到人眼所能识别色彩空间的90％以上，是传统显示色域覆盖率的两倍以上，彻底突破之前显示技术色域空间的不足的限制，实现人类有史以来最完美色彩还原，使人们通过显示终端看到最真实、最绚丽的世界。表1所示的为激光投影显示技术与传统的发光二极管(light-emitting diode，LED)显示技术的相关参数的对比。
表1
| 对比项目 | 传统的LED显示技术 | 激光投影显示技术 |
| 色域 | ＜70％@Rec.2020 | ＞90％@Rec.2020 |
| 对比度 | ＜500:1 | ≥2000:1 |
| 功耗 | ≥4000mW | ≤500mW |
| 光引擎体积 | ≥10000mm<sup>3</sup> | ≤500mm<sup>3</sup> |
从表1中可以看出，激光投影显示技术明显优于传统的LED显示技术。
目前，基于激光和微机电系统(microelectro mechanical systems，MEMS)的扫描投影设备，由于其无需实体显示面、无需对焦、低功耗、小体积、长寿命的特点，在激光微投，增强现实(Augmented Reality，AR)、虚拟现实(Virtual Reality，VR)等领域越来越得到行业的重视，非常适合便携式、可穿戴式显示应用场景以及激光微投影领域等。例如，目前的MP-CL1A便携式投影仪，尺寸是15cm×7.6cm×1.3cm，重量仅为210克。另一个厂商推出的机器人ROBOHON，其投影系统仅位于约40mm外径大小的头部，还有市场上的用于视网膜医疗检查的AR眼镜、基于单色垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)的极简架构的AR眼镜、基于RGB激光光源的三色极简架构AR眼镜等。
由于激光光源发出的激光具有窄线宽(或者也可以称为小线宽)、能耗低的特点，使其作为显示应用时具有明显的色域、对比度和小尺寸集成的优势。通常情况下激光光源发出的激光的线宽小于或者等于1nm。但是，由于激光光源发出的激光的波长线宽较窄，也带来了显示散斑现象和显示激光干涉现象，如何在保证激光原有优势的同时增加波长线宽成为业界亟需解决的挑战。
在本申请实施例中，激光光源的线宽(或者也可以称为：激光波长线宽或者波长线宽)可以理解为激光光源或者激光器发出的激光的波长谱线宽度。从激光器中发射出的激光起振后，会有一个或多个纵模产生，每个纵模的频率的范围可以称为激光光源的线宽，通常激光光源的线宽的定义值为半高波峰全宽(full width at half maximum，FWHM)。
目前，在相关技术中，有利用在具有谐振器的固体激光器中，在该谐振器内插入两个或多个激光晶体，得到相差在5nm以内的不同波长的振荡固态激光，然后利用波长转换元件进行二次谐波产生(second harmonic generation，SHG)、和频产生(sum-frequencygeneration，SFG)等变换以达到扩展激光线宽的目的。例如，可以将绿光激光波长线宽扩展到530-534nm。但是，该方案可需要增加多个反射镜片、多个激光晶体，由于激光晶体对温度敏感，需要进行温度控制，导致激光光源体积大，且封装工艺复杂，成本难以控制。
或者，还可以采用多个波长接近的半导体激光芯片进行聚焦，再通过反射镜或者棱镜进行合束形成多波长激励光，用该激励光来激励激光转换元件，从而来增加输出谐波激光的整体线宽。但是，该方案中，需要用到多个半导体激光芯片并需要进行合束，增加了芯片数量，从而增加的光源模组的功耗和尺寸。
此外，还可以采用面发射多波长激励光激励非线性晶体产生不同波长的倍频输出光，实现同一个固体激光光源可以产生多色输出光。例如，可以在激光固体激光器产生蓝光激光波长线宽为473nm、绿光激光波长线宽为532nm、红光激光波长线宽为660nm的三色激光。但是，在该方案中，只能产生波长相差比较大的不同波长激光输出(波长差≥30nm)，比如RGB三色光，而无法实现波长差≤10nm不同波长同时输出，做不到增加单色激光线宽的目的。
可见，目前还没有简单、有效的可以增加激光光源发出的单色激光线宽的方案。
有鉴于此，本申请提供了一种激光芯片，该激光芯片包括半导体基底，通过在该半导体基底上通过光刻或者蚀刻等技术制备多个波导(waveguide)，并且，这些波导的长度是不同的，多个波导可以同时输出多条颜色相同的激光光束，每条(或者每个)激光光束的波长是不同的，多个激光光束进行叠加，相当于增大了激光波长线宽。利用该激光芯片产生的激光具有较大的激光波长线宽，从而解决了显示散斑现象和显示激光干涉的问题，并且，结构简单，便于实现，可以实现小尺寸封装。
本申请提供的激光芯片可以应用于AR、VR、平视显示器(head up display，HUD)、手机投影显示、激光投影显示、微投影显示、近眼显示等领域和相关的设备中。
首先简单介绍本申请实施例提供的激光投影显示设备，本申请实施例提供的激光投影显示设备包括本申请提供的激光芯片。例如，本申请提供的激投影显示设备可以为HUD设备、手机投影显示设备、微投影显示设备、近眼显示设备(AR设备或VR设备)等，本申请实施例在此不做限制。本申请提供的激光投影显示设备，光源系统结构简单，体积小、易于封装，并且功耗比较低。
下面将以激光投影显示设备为AR眼镜为例说明本申请提供的激光投影显示设备。图1所示的为本申请实施例提供的一种AR眼镜的示意性结构图，如图1所示的，该AR眼镜包括：支架134、光源系统135、聚光组件136、投影物镜137和138。其中，光源系统为下述本申请实施例提供的任一种激光芯片或者包括下述本申请实施例提供的任一种激光芯片，该光源系统135用于产生多条颜色相同、波长不同的激光光束，并将该多条激光光束进行叠加后并输出，支架134用于用户佩戴该AR眼镜，聚光组件136用于将叠加后的激光光束通过折射或者反射等方式传输至投影物镜137和138，投影物镜137和138用于将该叠加后激光光束透射到投影显示幕布上或者显示墙面上。用户在佩戴该AR眼镜，打开该光源系统135的开关，并利用AR眼镜获取需要投影显示的图像或者图案信息后，该用AR眼镜可以投影显示幕布上或者显示墙面上显示图像或者图案。
应理解，图1所示的例子仅仅为本申请提供的一例AR眼镜的结构示意图，并不应该对本申请提供的AR眼镜结构产生任何的限制。例如，本申请提供的AR眼镜的结构该可以包括更多的结构部件等。本申请实施例在此不作限制。
下面将具体说明本申请实施例提供的激光芯片。
首先简单介绍本申请技术方案的原理。
根据激光产生的原理，当受激辐射的激光在谐振腔来回振荡，需要满足这些光束两两之间在输出端的相位差ΔΦ满足公式(1)：
ΔΦ＝2qπ (1)
在公式(1)中,q表示激光振荡次数，其值为正整数，例如，q＝1、2、3、4等。只有满足该条件，才能在输出端产生加强干涉，输出稳定激光。假设谐振腔的长度为L，激活介质的折射率为N,激光输出的波长为λ，则有下面的公式(2)：
ΔΦ＝(2π/λ)×2NL＝2qπ，(2)
根据公式(2)，可以得到公式(3)：
λ＝2NL/q (3)
从公式(3)中看出，在同一个激活介质中，改变谐振腔的长度可以改变激光输出波长。
如图2所示的，本申请提供的激光芯片包括：
半导体基体，和存在于该半导体基体上的多个波导，所述多个波导为并排设置。该半导体基体用于制备半导体激光芯片。例如，该半导体基体可以为现有单波导激光芯片基体(例如为硅基体)或者基材。例如，可以通过光刻、蚀刻等成型技术在该半导体基体的表面上光刻或者蚀刻出多个波导，一个波导可以理解为一个谐振腔。图2所示为3个波导的例子。应该理解，在本申请实施例中，还可以存在更多个波导，本申请实施例在此不作限制。
可选的，如图2所示的，在本申请实施例中，该多个波导可以为平行设置，相邻的两个波导之间存在间隔(间距)，不同的波导的长度不同，相当于不同的谐振腔的长度不同。该激光芯片可以产生激光光束，该激光光束传输至多个波导上。也就是说，激光芯片产生的激光光束可以通过该多个波导进行传输。每一个波导用于输出一条激光光束，由上述的公式(3)可知，不同的波导输出的激光的中心波长是不同，多个波导可以同时输出多条颜色相同的激光光束，不同波导输出的多个激光光束进行叠加，相当于增大了输出的激光波长线宽，从而解决了显示散斑现象和显示激光干涉的问题，并且，结构简单，便于实现，可以实现小尺寸封装。
应该理解，图2所示的例子不应该对本申请的实施例产生任何限制，在本申请实施例中，对半导体基体的形状不作限制，例如，该半导体基体可以为长方体、正方体、圆柱体、或者为上边面为梯形的立方体等。此外，在本申请实施例中，对于波导的数量也不作限制，例如，可以为4个、5个或者更多个波导，只要这些波导可以同时输出不同波长的激光波束即可。多个波导也可以不是平行设置。本申请在此不做限制。
可选的，在本申请实施例中，由于多个波导在半导体基体上为平行设置方式，相邻的两个波导之间存在间隔。例如，相邻的两个波导之间的间隔(pitch)小于或者等于10nm，这样可以使得多个波导共同输出光斑尽量小，有利于提升激光光源芯片输出光束质量。
在本申请实施例中，由于不同的波导的长度是不同的，因此，如图2所示的，在三个波导为平行设置的情况下，可以将多个波导的一端对齐设置，多个波导的一端为不对齐设置。例如，多个波导的一端可以通过光刻或者蚀刻等技术设置为阶梯面结构。下面结合图2所示的为例进行说明，在图2中，以半导体基体为长方体为例进行说明。
如图2所示的，可以半导体基体上通过光刻等技术制作3个波导(波导1、波导2、波导3)形成激光芯片，该过程成可以包括如下步骤：
将半导体基体通过金属有机化合物气相沉积(metal-organic chemical vapordeposition，MOCVD)等技术进行外延生长；
将外延生长得到的外延片进行检测，例如可以利用X射线衍射(X-raydiffraction，XRD)、光致发光(Photo luminescence,PL)、伏安(Current-Voltage,CV)法等工艺进行外延片的检测；
在经过检测合格的半导体基体上利用光刻技术制作多个波导。例如，利用光刻机以及等离子体增强化学的气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)技术在半导体基体上得到多个波导；
对得到带有波导的半导体基体进行正极(positive)面电极蒸镀；
正极电极蒸镀后，进行减薄、抛光、清洗等；
对清洗后的半导体基体进行负极(negative)面电极蒸镀；
将负极蒸镀后的材料进行综合参数的初步测量；
初步参数测量合格后，在芯片解理机中进行芯片解理，然后在真空镀膜机中进行前后腔镀光学，最后便可以得到激光芯片，并在多功能测试系统中对该激光芯片的性能进行测试。
应该理解，上述的过程只是对于激光芯片制作过程的一个简单描述，不应该对本申请的实施例造成任何限制。
在半导体基体上利用光刻技术制作多个波导的过程中，如图3所示的，图3所示的为在硅(Si)基体上光刻波导的过程的硅基体的侧视图。
首先在硅基体的氧化膜(二氧硅氧化膜)上粘附一层光刻胶，图3中a图所示的，例如可以利用软烘、涂胶以及成底膜等工艺过程，得到如图3中b图所示的结构，利用紫外线和掩模进行曝光过程，得到图3中c图所示的结构，进行显影、竖膜以及检测过程之后，得到如图3中d图所示结构，接着进行刻蚀过程，便可以在硅基体上刻蚀成多个波导，最后进行去胶过程，得到如图3中e图所示的三个波导。其中，图3中e图所示的为三个波导的侧视图中。
得到图3中e图所示的三个波导后，通过阶梯抛光工艺，使三个波导的一端对齐，三个波导的另一端不对齐设置。如图4所示的，三个波导的一端(端面)为对齐的，均位于长方体硅基体的一个端面上，三个波导的另一端不对齐设置，例如可以为如图4所示的，三个波导的三个端面为阶梯面结构(阶梯面1至阶梯面3)，三个波导为平行设置，从而使得三个波导的长度不同，即形成三个不同腔长的谐振腔。
多个波导为平行设置，通过将该多个波导的一端(端面)对齐，该多个波导的另一端(端面)不对齐设置，例如设置为阶梯面结构，可以实现不同波导的长度不同。其可以在原有激光芯片产品上只通过改造光刻和抛光工艺，实现了不增加光源体积和光源封装工艺达到增加单色激光线宽的目的，结构简单，便于实现。
可选的，如图2或者图4所示的，在本申请实施例中，相邻的两个波导之间的间隔(pitch)的范围可以为5um～10um，可以使得各个波导输出的激光光束的中心波长比较接近，从而使得输出的激光的颜色比较接近。例如，在本申请实施例中，各个波导输出的激光光束的中心波长相差的范围为2nm～10nm。
还应理解，在本申请实施例中，相邻的两个波导的长度差以及相邻的两个波导之间的间隔还可以设置为其他数值，本申请实施例在此不作限制。
图5所示的为图2所示的激光芯片的俯视图，如图5所示的，三个波导(波导1、波导2、波导3)的一端为阶梯面结构，相邻的两个波导之间存在间隔。
例如，在图4所示的例子中，以红光激光芯片为例，假设红光激光振荡次数q＝30000，激光谐振腔(波导腔)激活介质材料为砷化镓(GaAs)，其折射率为N＝3.35，当红光激光输出波长λ＝630nm，根据公式：λ＝2NL/q，谐振腔长度(波导的长度)为L＝2.8209mm，当红光激光输出波长λ＝635nm，谐振腔长度(波导的长度)为L＝2.8433mm，当红光激光输出波长λ＝640nm，谐振腔长度(波导的长度)为L＝2.8657mm，相邻两个谐振腔的长度相差22.4um。将三个波导中相邻的两个波导的长度差设置为22.4um，也就是说，将图4所示的激光芯片中的相邻的两个阶梯面的之间距离设置为22.4um，就可以实现±5nm的不同波长的红光激光输出，从而相当于增加了10nm的红光激光线宽。
又例如，在图4所示的例子中，以绿光激光芯片为例，假设绿光激光振荡次数q＝30000，激光谐振腔(波导腔)激活介质材料为氮化镓(GaN)，其折射率为N＝2.35，当绿光激光输出波长λ＝515nm，根据公式：λ＝2NL/q，谐振腔长度(波导的长度)为L＝3.2872mm。当绿光激光输出波长λ＝520nm，谐振腔长度(波导的长度)为L＝3.3191mm。当绿光激光输出波长λ＝525nm，谐振腔长度(波导的长度)为L＝3.3511mm，相邻两个谐振腔的长度相差31.9um。将三个波导中相邻的两个波导的长度差设置为31.9um，即将图4所示的激光芯片中的相邻两个阶梯面的之间距离设置为31.9um，就可以实现±5nm的不同波长的绿光激光输出，从而相当于增加了10nm的绿光激光线宽。
又例如，在图4所示的例子中，以蓝光激光芯片为例，假设蓝光激光振荡次数q＝30000，激光谐振腔(波导腔)激活介质材料为氮化镓(GaN)，其折射率为N＝2.38，当蓝光激光输出波长λ＝445nm，根据公式：λ＝2NL/q，谐振腔长度(波导的长度)为L＝2.8046mm，当蓝光激光输出波长λ＝450nm，谐振腔长度(波导的长度)为L＝2.8361mm，当蓝光激光输出波长λ＝455nm，谐振腔长度(波导的长度)为L＝2.8676mm，相邻两个谐振腔的长度相差31.5um。将三个波导中相邻的两个波导的长度差设置为31.5um，即将图4所示的激光芯片中的相邻阶梯面的之间距离设置为31.5um，就可以实现±5nm的不同波长的蓝光激光输出，从而相当于增加了10nm的蓝光激光线宽。
可选的，作为另一种可能的实现方式，由于不同的波导的长度需要不同，除了上述的利用多个波导的一端为阶梯面结构实现同的波导的长度之外，还可以使得不同的波导为非平行的设置。例如图6所示的，图6所示的为本申请提供的一种激光芯片的示意性结构图。在图6中，以半导体基体为长方体为例进行说明。如图6所示的，三个波导(波导1、波导2、波导3)的一端为对齐的，均位于长方体硅基体的一端，三个波导的另一端均位于长方体硅基体的另一端，三个波导为平行设置，即相邻的两个波导的延长部之间存在夹角。图7所示的为图6所示的激光芯片的俯视图，如图7所示的，三个波导(波导1、波导2、波导3)为非平行设置，相邻的两个波导的延长部之间存在夹角。如图7所示的，波导1和波导2的延长部之间的夹角为夹角1，波导2和波导3的延长部之间的夹角为夹角2。三个波导可以通过光刻技术成型于长方体硅基体上。
通过利用多个波导为非平行设置，多个波导的一端对齐设置，相邻的两个波导的延长部之间存在夹角，从而使得三个波导的长度不同，即形成三个不同腔长的谐振腔，避免了工艺相对较难的阶梯抛光，只需要进行波导端面平齐抛光皆可，降低了激光芯片制成难度，结构简单，便于实现。
例如，在图7所示的例子中，假设长方体形的半导体基体长度为2.8209mm，波导1对应的激光振荡次数q1＝30000，波导2对应的激光振荡次数q2＝29800，波导3对应的激光振荡次数q3＝29700。当红光激光输出波长相差5nm时，红光激光芯片的波导长度相差(波导1和波导2的长度差)12.6um。当红光激光输出波长相差10nm时，红光激光芯片的波导长度相差(波导3和波导2的长度差)21.74um，根据余弦函数定义得出夹角1为5.42度，夹角2为8.92度。
再例如，在图7所示的例子中，假设长方体形的半导体基体长度为3.2872mm，波导1对应的激光振荡次数q1＝30000，波导2对应的激光振荡次数q2＝29800，波导3对应的激光振荡次数q3＝29700，当绿光激光输出波长相差5nm时，绿光激光芯片的波导长度相差(波导1和波导2的长度差)9.88um。当绿光光激光输出波长相差10nm时，绿光激光芯片的波导长度相差(波导3和波导2的长度差)20.53um，根据余弦函数定义得出夹角1为4.42度，夹角2为7.75度。
又例如，在图7所示的例子中，假设长方体形的半导体基体长度为波导1对应的激光振荡次数q1＝30000，波导2对应的激光振荡次数q2＝29800，波导3对应的激光振荡次数q3＝29700。当蓝光激光输出波长相差5nm时，蓝光激光芯片的波导长度相差(波导1和波导2的长度差)3.43um。蓝光激光输出波长相差10nm时，蓝光激光芯片的波导长度相差波导3和波导2的长度差)12.68um，根据余弦函数定义得出夹角1为2.83度，夹角2为6.11度。
可选的，作为另一种可能的实现方式，除了利用上述的方式实现不同的波导的长度不同之外，还可以利用半导体基体的一端存在倾斜角度来实现不同的波导的长度不同。例如图8所示的，图8所示的为本申请提供的一种激光芯片的示意性结构图。在图8中，以半导体基体上表面为梯形为例进行说明，如图8所示的，三个波导(波导1、波导2、波导3)的一端为对齐的，即三个波导的一端(三个端面)均与半导体基体的第一端面对齐。三个波导的另一端(另外三个端面)与该半导体基体的第二端面是对齐的。该半导体基体的第一端面与该半导体基体的第二端面是不平行。可选的，如图8所示的，每一个波导为折线形，即每一个波导存在一个倾斜夹角。如图9所示的，图9所示的为图8所示的激光芯片的俯视图，如图9所示的，三个波导(波导1、波导2、波导3)均为折线形，每一个波导存在一个倾斜夹角，三个波导的倾斜夹角的大小相同。半导体基体上表面为梯形，三个波导(波导1、波导2、波导3)的一个端面与半导体基体的第一端面是对齐的，三个波导的另一端(另一端面)与该半导体基体的第二端(第二端面)也是对齐的。
例如，在图9所示的例子中，当红光激光输出波长相差5nm时，红光激光芯片的三个波导(波导1、波导2、波导3)的长度两两相差12.6um(波导1和波导2的长度相差为12.6um，波导2和波导3的长度相差为12.6um)，则可以计算得到倾斜夹角为51.6度，从而相当于增加了10nm的红光激光线宽。
又例如，在图9所示的例子中，当绿光激光输出波长相差5nm时，绿光激光芯片的三个波导(波导1、波导2、波导3)的长度两两相差9.79um(波导1和波导2的长度相差为9.79um，波导2和波导3的长度相差为9.79um)，则可以计算得到倾斜夹角为44.4度，从而相当于增加了10nm的绿光激光线宽。
又例如，在图9所示的例子中，当蓝光激光输出波长相差5nm时，蓝光激光芯片的三个波导(波导1、波导2、波导3)的长度两两相差为3.43um(波导1和波导2的长度相差为3.43um，波导2和波导3的长度相差为3.43um)，则可以计算得到倾斜夹角为18.9度，从而相当于增加了10nm的蓝光激光线宽。
通过上述方式，可以简单快捷的实现多个波导的长度不同，不需要再追加更多光路架构和光学元件，使得激光芯片尺寸较小，能实现极简小型化封装，结构简单，便于实现。
应理解，图8和和图9所示的例子中，每一个波导可以均为直线型，即不存在倾斜夹角，同样也可以实现多个波导长度不同的目的。
还应理解，在本申请实施例中，还可以利用其它方式或者多个波导的其它位置关系设置使得多个波导的长度不同，本申请实施例在此不作限制。
本申请实施例提供的激光芯片，通过在半导体基体上光刻或者蚀刻出两个或多个波导，不同的波导的长度是不同的，使得这些多个波导可以同时输出多个颜色相同的激光光束，每个激光光束的中心波长是不同的，多个激光光束进行叠加，相当于增大了激光波长线宽。利用该激光芯片产生的激光具有较大的激光波长线宽，从而解决了显示散斑现象和显示激光干涉的问题，并且，结构简单，便于实现，可以实现小尺寸封装。
本申请还提供了一种激光光源，该激光光源包括上述本申请实施例提供的任意一种激光芯片。本申请提供的激光光源，可以在保证激光光源原有优势的同时，简单和有效的增加激光光源的波长线宽，从而解决了显示散斑现象和显示激光干涉的问题，并且，结构简单，便于实现，可以实现小尺寸封装。
例如，本申请提供的激光光源可以为红光激光光源、绿光激光光源或蓝光激光光源等。
可选的，本申请提供的激光光源可以应用于AR、VR、平视显示器(head updisplay，HUD)、手机投影显示、微投影显示、近眼显示等领域和相关的激光投影显示设备中。
应理解，上述只是为了帮助本领域技术人员更好地理解本申请实施例，而非要限制本申请实施例的范围。本领域技术人员根据所给出的上述示例，显然可以进行各种等价的修改或变化，或者上述任意两种或者任意多种实施例的组合。这样的修改、变化或者组合后的方案也落入本申请实施例的范围内。
还应理解，上文对本申请实施例的描述着重于强调各个实施例之间的不同之处，未提到的相同或相似之处可以互相参考，为了简洁，这里不再赘述。
还应理解，本申请实施例中的方式、情况、类别以及实施例的划分仅是为了描述的方便，不应构成特别的限定，各种方式、类别、情况以及实施例中的特征在不矛盾的情况下可以相结合。
还应理解，在本申请的各个实施例中，如果没有特殊说明以及逻辑冲突，不同的实施例之间的术语和/或描述具有一致性、且可以相互引用，不同的实施例中的技术特征根据其内在的逻辑关系可以组合形成新的实施例。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种激光芯片，其特征在于，包括：
半导体基体，和存在于所述半导体基体上的多个波导，所述多个波导为并排设置，相邻的两个波导之间存在间隔，不同的波导的长度不同，每一个波导用于输出一条激光光束，不同的波导输出的激光的波长不同，所述多个波导用于同时输出多条颜色相同的激光光束，所述多条颜色相同的激光光束叠加后得到输出的激光光束。
2.根据权利要求1所述的激光芯片，其特征在于，
所述多个波导的一端对齐，所述多个波导的另一端不对齐，所述多个波导为平行设置。
3.根据权利要求1所述的激光芯片，其特征在于，
所述多个波导的一端对齐，相邻的两个波导的延长部之间存在夹角。
4.根据权利要求1所述的激光芯片，其特征在于，
所述多个波导的一端与所述半导体基体的第一端面对齐，所述多个波导的另一端与所述半导体基体的第二端面对齐，所述半导体基体的第一端面与所述半导体基体的第二端面不平行。
5.根据权利要求4所述的激光芯片，其特征在于，
所述多个波导中的每一个波导为折线形。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光芯片，其特征在于，所述多个波导用于传输蓝光激光、红光激光或者绿光激光。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的激光芯片，其特征在于，所述多个波导是通过光刻或者蚀刻方式设置于所述半导体基体上。
8.一种激光投影显示设备，其特征在于，包括投影物镜和权利要求1至7中任一项所述的激光芯片，所述激光芯片的输出端连接所述投影物镜，所述投影物镜用于将所述激光芯片输出的多条颜色相同的激光光束透射到投影显示幕布上。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0875776A2 (en) * | 1997-04-29 | 1998-11-04 | Lucent Technologies Inc. | Optical multiplexer having flat passbands |
| US5978532A (en) * | 1996-09-24 | 1999-11-02 | France Telecom | Spectrographic multiplexer component having an array of waveguides |
| US7193771B1 (en) * | 2001-01-04 | 2007-03-20 | Lockheed Martin Coherent Technologies, Inc. | Power scalable optical systems for generating, transporting, and delivering high power, high quality laser beams |
| CN101800393A (zh) * | 2010-04-09 | 2010-08-11 | 浙江大学 | 一种基于衍射光栅的集成化阵列波导激光器 |
| EP3431940A1 (en) * | 2017-07-18 | 2019-01-23 | AIP Leibniz-Institut für Astrophysik | Spectrometer comprising at least two separate wavgeguides having different effective optical path lengths |
| US10585351B1 (en) * | 2018-06-05 | 2020-03-10 | Facebook Technologies, Llc | Colinear light source with active optical waveguide coupling |
-
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5978532A (en) * | 1996-09-24 | 1999-11-02 | France Telecom | Spectrographic multiplexer component having an array of waveguides |
| EP0875776A2 (en) * | 1997-04-29 | 1998-11-04 | Lucent Technologies Inc. | Optical multiplexer having flat passbands |
| US7193771B1 (en) * | 2001-01-04 | 2007-03-20 | Lockheed Martin Coherent Technologies, Inc. | Power scalable optical systems for generating, transporting, and delivering high power, high quality laser beams |
| CN101800393A (zh) * | 2010-04-09 | 2010-08-11 | 浙江大学 | 一种基于衍射光栅的集成化阵列波导激光器 |
| EP3431940A1 (en) * | 2017-07-18 | 2019-01-23 | AIP Leibniz-Institut für Astrophysik | Spectrometer comprising at least two separate wavgeguides having different effective optical path lengths |
| US10585351B1 (en) * | 2018-06-05 | 2020-03-10 | Facebook Technologies, Llc | Colinear light source with active optical waveguide coupling |
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