CN114280729B - 光波导路型合光器及使用该合光器的投影装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种光波导路型合光器，包括：多个光入射用光波导路，多个光波耦合部，其中任意两个所述光入射用光波导路之间至多只有一段光波耦合部。光入射用光波导路包含基底层、芯层和包层，且芯层与包层的相对折射率差Δ10%。在驱动了多束所述入射光的情况下，入射光在光波耦合部进行耦合后形成一束出射光，出射光从传播非最长波长入射光用光波导路的非入射端射出。本申请还公开了一种采用上述光波导路型合光器的投影装置。与现有技术相比，本申请所公开的光波导路型合光器对光的限制能力强，能够使用的弯曲半径更小；能够高效地将若干束不同波导中的光合入一束波导中；合光器整体耦合功率损失小于入射光功率的25%。
Description
技术领域
本发明涉及一种合光器，尤其涉及一种光波导路型合光器及使用该合光器的投影装置，属于光投影显示技术领域。
背景技术
现有技术中，已有利用了激光方向性好的特点，通过扫描器件（振镜，扫描镜等）动态的改变激光束的方向，从而使图像向屏幕等投影的显示装置。在该显示装置中，是将单色激光束（通常采用基色激光束）经过合光后作为显示装置的光源，图像显示部将传输的光进行二维地扫描，并投影成像。
这种技术不需要复杂的光学元件，结构能够大大的简化，光利用效率大大的增加。对于画面中的暗场，由于是主动控制光源的亮度，因此不存在漏光的问题，因此采用扫描形式的激光显示具有很高的对比度。另一方面，由于一般的画面都会存在大量的暗部画面，因此激光器在很大部分时间都是低功率输出，这使实际使用时，激光光束扫描显示视频流时拥有较低的功耗。
由于这些优势，激光光束扫描显示技术被认为在微型显示领域具有广阔的应用前景，而这一技术中不可避免的会使用合光器件。
现有技术中投影显示设备中的合光器件主要包括以下几种类型：
（1）二向色反射镜合光，该合光方式效率较高，但装配工艺复杂、光路尺寸较大，不利于系统的量产与小型化。
（2）棱镜合光，该合光方式效率较高，装配工艺复杂相对简化，但光路尺寸较大，不利于系统的小型化。
（3）PLC二氧化硅波导合光，该合光方式能够达到较高的效率，但由于二氧化硅波导芯层对光的局限较弱（相对折射率低，，ncore为芯层折射率，nclad为包层折射率），折弯半径需要很大，导致整个合光器件尺寸较大，兼之这种耦合设计较为复杂，包含了分离的三段耦合区，进一步增大了器件长度，使总长超过10 mm。
发明内容
有鉴于现有技术缺陷中的至少一个，本申请公开一种光波导路型合光器，其目的在于探索更加小型化的激光合光方案，及使用该合光器的投影装置。
在本申请中，光波导路也可称为光波导或波导，是引导和限制光波在其中传播的介质装置，为条形，包含两个端部。其一端供入射光射入，该端部可称为光波导路的入射端；另一端供出射光射出，该端部可称光波导路的出射端或非入射端。用于入射和传播入射光的光波导路也可称之为入射光波导路，用于射出耦合后出射光的光波导路也可称之为出射光波导路。在某些情况下，同一光波导路既可以入射和传播入射光，也可以射出耦合后出射光，即：入射光波导路和出射光波导路为同一光波导路。
根据一些实施例，公开了一种光波导路型合光器，包括以下：多个光入射用光波导路，其一端作为入射端，入射和传播来自波长不同的多束单色入射光；多个光波耦合部，其将在多个所述光入射用光波导路中传播的所述入射光进行耦合；以及任意两个所述光入射用光波导路之间至多只有一段光波耦合部。
其中，所述光入射用光波导路包含基底层、芯层和包层，所述芯层的折射率分别大于所述基底层的折射率和所述包层的折射率，且所述芯层与包层的相对折射率差Δ满足式1：
…（式1）
式中：ncore为芯层折射率，nclad为包层折射率。
在驱动了多束所述入射光的情况下，所述入射光在所述光波耦合部进行耦合后形成一束出射光，所述出射光从传播非最长波长入射光用光波导路的非入射端射出。
根据一些实施例，公开了一种光波导路型合光器，包括以下：多个光入射用光波导路，其一端作为入射端，入射和传播红色、绿色和蓝色这三种单色入射光；多个光波耦合部，其将在多个所述光入射用光波导路中传播的所述入射光进行耦合；以及任意两个所述光入射用光波导路之间至多只有一段光波耦合部。
其中，所述光入射用光波导路包含基底层、芯层和包层，所述芯层的折射率分别大于所述基底层的折射率和所述包层的折射率，且所述芯层与包层的相对折射率差Δ满足式1：
…（式1）
式中：ncore为芯层折射率，nclad为包层折射率。
在驱动了红色、绿色和蓝色这三种入射光的情况下，所述入射光在所述光波耦合部进行耦合后形成一束出射光，所述出射光从传播绿色或蓝色入射光用光波导路的非入射端射出。
根据一些实施例，公开了一种光波导路型合光器，包括以下：多个光入射用光波导路，其一端作为入射端，入射和传播红色、绿色和蓝色这三种单色入射光；多个光波耦合部，其将在多个所述光入射用光波导路中传播的所述入射光进行耦合；以及任意两个所述光入射用光波导路之间至多只有一段光波耦合部。
其中，所述光入射用光波导路包含基底层、芯层和包层，所述芯层的折射率分别大于所述基底层的折射率和所述包层的折射率，且所述芯层与包层的相对折射率差Δ满足式1：
…（式1）
式中：ncore为芯层折射率，nclad为包层折射率。
其中，至少一种颜色的入射光包含两种或两种以上不同的波长，如入射光包含两种波长的蓝色光、一种波长的绿色光和一种波长的红色光；或者，一种波长的蓝色光、一种波长的绿色光和两种波长的红色光；或者两种波长的蓝色光、两种波长的绿色光和三种波长的红色光；或者其他类似的情况。
在驱动了红色、绿色和蓝色这三种入射光的情况下，所述入射光在所述光波耦合部进行耦合后形成一束出射光，所述出射光从传播蓝色或绿色入射光用光波导路的非入射端射出。
根据一些实施例，入射光选用例如激光或其他具有方向性好的光源，方向性好一方面意味着光的发散角小、方向固定，另一方面意味着能量集中度高，这两方面更有利于实现本发明的目的。
根据一些实施例，任意两个光入射用光波导路之间至多只有一段光波耦合部，两个光入射用光波导路之间也可以没有光波耦合部，光波耦合部数量为光入射用光波导路数量减一。
例如，在存在第一光波导路、第二光波导路和第三光波导路的情况下，第一光波导路和第三光波导路分别与第二光波导路存在一光波耦合部，而第一光波导路和第三光波导路之间则不存在一光波耦合部。
又如，在存在第一光波导路、第二光波导路、第三光波导路和第四光波导路的情况下，第一光波导路和第二光波导路存在一光波耦合部，第三光波导路和第四光波导路存在一光波耦合部，第二光波导路和第三光波导路存在一光波耦合部。在第一光波导路中传播的第一入射光与在第二光波导路中传播的第二入射光耦合后形成第一耦合光在第二光波导路中继续传播，在第三光波导路中传播的第三入射光与在第四光波导路中传播的第四入射光耦合后形成第二耦合光在第三光波导路中继续传播，在第二光波导路中传播的第一耦合光与在第三光波导路中传播的第二耦合光耦合后形成出射光从第二光波导路中射出。
根据一些实施例，任意两个不同波长的入射光经光波导路耦合后，从传播非最长波长入射光用光波导路的非入射端射出。本申请利用了不同波长的入射光在相同条件耦合区域中耦合长度（将光功率完全从一光波导路传输到另一光波导路的最短长度）的差异特性，波长越长的入射光耦合长度越短，而当光波导路芯层与包层的相对折射率差Δ较大时，不同波长入射光的耦合长度的差异将急剧增大，因此将最长波长的入射光耦合进入出射光波导路中所需要的耦合长度远小于短波长的入射光，此时原本在出射光波导路中传播的短波长入射光在经过这一小段耦合区后能量损失将降至很低水平。
根据一些实施例，光入射用光波导路为非平面的条形，其截面可以为梯形、矩形等，能够将入射光波限制在以光波导路为中心的区域中即可，在现有的光刻或者离子交换、质子注入的加工方式中，矩形截面的梯度折射型波导和渐变折射率型波导最为常用。
根据一些实施例，光入射用光波导路的基底层为二氧化硅，芯层为氮化硅，包层为二氧化硅或聚合物，采用聚合物层为包层时，需满足氮化硅与聚合物的相对折射率差Δ满足
可选的聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、AZ型光刻胶、SU-8光刻胶等。
根据一些实施例，入射光经过所述光波耦合部进行耦合后以基模（fundamentalmode）传播，单一模式的传播保证了用于激光扫描的光斑质量和耦合区的能量效率。
根据一些实施例，从所述光入射用光波导路的输入功率至所述光出射用光波导路的输出功率的损失小于25%。
根据一些实施例，得益于芯材对光的限制能力，在可见光波长范围内，所述光入射用光波导路的最小曲率半径低于0.016m，使得尽管存在多个光波耦合部，入射光的入射端至出射光的出射端最小长度仍可小于7mm。
根据一些实施例，一种投影装置，是将经上述任一实施例中的光波导路型合光器合光后的光投射到被投射面而成像。
与现有技术相比，本申请所公开的光波导路型合光器及使用该合光器的投影装置具有如下有益效果之一：
（1）光波导路对光的限制能力强，能够使用的弯曲半径更小；
（2）光波导路之间结构简洁，两个光波导路之间至多只有一段光波耦合部，能够高效地将若干束不同波导中的光合入一束波导中；
（3）入射光经过所述光波耦合部进行耦合后以基模（fundamental mode）传播，单一模式的传播保证了用于激光扫描的光斑质量和耦合区的能量效率；
（4）耦合损失小，合光器整体耦合功率损失小于入射光功率的25%。
附图说明
在附图中阐述的实施例的性质是说明性和示例性的，并且不旨在限制由权利要求定义的主题。当结合以下附图阅读时，可以理解下文对说明性实施例的详细描述。
图1示出了本申请一实施例中光入射用光波导路截面示意图。
图2示出了本申请一实施例合光器的作用示意图，示出入射红（R）、绿（G）、蓝（B）三种单色入射光时的传输模式。
图3示出了本申请一实施例中红（R）、绿（G）、蓝（B）三种单色入射光入射后能量在三条波导内的分布情况。其中图3（a）是红光功率在各光波导路中的分布，图3（b）是绿光功率在各光波导路中的分布，图3（c）是蓝光功率在各光波导路中的分布。
图4示出了本申请一实施例合光器的作用示意图，示出入射红（R）、绿（G）、蓝（B）三种单色入射光时的传输模式。
图5示出了本申请一实施例合光器的作用示意图，示出入射红（R）、红（R）、绿（G）、蓝（B）四种单色入射光时的传输模式。
图6示出了本申请一实施例合光器的作用示意图，示出入射红（R）、红（R）、绿（G）、蓝（B）四种单色入射光时的传输模式。
当结合附图理解时，本申请的特征及优点将从下文具体实施方式的详细描述中变得更显而易见，除非另外指出，否则在本公开全文中提供的附图不应当被解释为按比例绘制。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明，在附图中，为了描述方便，各部件的尺寸比例并非实际比例。
实施例1
光波导路截面示意图参照图1所示，在硅片或玻璃基材上有一层SiO2基底层，其厚度为2 μm；光波导路的芯层为Si3N4，其厚度与宽度均为0.16 μm；上方有SiO2作为覆盖层保证波导的可靠性。光波导路的包层（包含基底层和覆盖层，此实施例中为同一材质）与芯层折射率如表1所示。
表1 光波导路的包层与芯层折射率
参照图2所示，红、绿、蓝三束单色激光分别经过耦合器进入三条光波导路中，其中蓝光波长为450 nm，由GaN基半导体激光器产生，进入最左侧光波导路中（本实施例中下简称光波导路2）；绿光波长为520nm，由InAlGaN基半导体激光器产生，进入中间光波导路中（本实施例中下简称光波导路1）；红光波长为638nm，由AlGaInP基半导体激光器产生，进入右侧光波导路中（本实施例中下简称光波导路3）。当耦合部光波导路间距为0.54μm时，这三种波长的光在氮化硅波导中的耦合系数差异很大，其比值约为：KR:KG:KB≈50:6:1，其中红光的耦合长度远小于蓝绿光，可以单独考虑。
参照图2所示，其中光波导路1和光波导路2之间有一段耦合部，耦合部两个光波导路间距为0.54μm，长度为1300μm，在这个区域内，蓝光从光波导路2进入光波导路1中，绿光在多次能量交换后回到光波导路1中。光波导路1和光波导路3之间有一段耦合部，耦合部两个光波导路间距为0.84μm（因间距0.54μm时，红光的耦合部长度太短，对系统公差比较敏感，故增大间距，其他实施例相同），长度为165μm，在这个区域内，红光从光波导路3进入光波导路1中，绿光和蓝光能量几乎没有转移。整个系统总长度为5mm。
通过仿真可以得到，，红、绿、蓝三束单色激光的能量在三条光波导路中的分布情况如图3所示，可见三色光最终进入波导1中的功率效率均大于90%。
实施例2
光波导路截面示意图参照图1所示，在硅片或玻璃基材上有一层SiO2基底层，其厚度为2 μm；光波导路的芯层为Si3N4，其厚度与宽度均为0.16 μm；上方有SiO2作为覆盖层保证波导的可靠性。
参照图4所示，红、绿、蓝三束单色激光分别经过耦合器进入三条光波导路中，其中蓝光波长为450 nm，由GaN基半导体激光器产生，进入中间光波导路中（本实施例中下简称光波导路2）中；绿光波长为520nm，由InAlGaN基半导体激光器产生，进入左侧光波导路中（本实施例中下简称光波导路1）中；红光波长为638nm，由AlGaInP基半导体激光器产生，进入右侧光波导路中（本实施例中下简称光波导路3）中。当光波导路间距为0.54μm时，这三种波长的光在氮化硅波导中的耦合系数差异很大，其比值约为：KR:KG:KB≈50:6:1，。
参照图4所示，其中光波导路1和光波导路2之间有一段耦合部，耦合部光波导路间距为0.54μm，长度为230μm，在这个区域内，绿光从光波导路1进入光波导路2中，蓝光85%能量仍然保留在光波导路2中。光波导路2和光波导路3之间有一段耦合部，耦合部光波导路间距为0.84μm，长度为165μm，在这个区域内，红光从光波导路3进入光波导路2中，绿光和蓝光能量几乎没有转移。整个系统总长度为3.9 mm。
通过仿真可以得到，绿光和红光最终进入光波导路2中的功率效率大于90%，蓝光保留在光波导路2中的功率效率大于80%。由于蓝激光电光效率较高，其耦合效率偏低不影响显示。
实施例3
为了提高输出红光的功率，可以将两束红激光、一束绿激光和一束蓝激光进行合光。
光波导路截面示意图参照图1所示，在硅片或玻璃基材上有一层SiO2基底层，其厚度为2 μm；光波导路的芯层为Si3N4，其厚度与宽度均为0.16 μm；上方有SiO2作为覆盖层保证波导的可靠性。
参照图5所示，波长为450 nm的蓝激光耦入传播蓝色激光的光波导路（左1，本实施例中下简称光波导路1）；波长为520nm的绿激光耦入传播绿色激光的光波导路（左2，本实施例中下简称光波导路2）；波长为638nm的红激光耦入第一传播红色激光的光波导路（右2，本实施例中下简称光波导路3）；波长为642nm的红激光耦入第二传播红色激光的光波导路（右1，本实施例中下简称光波导路4）。当耦合部光波导路间距为0.54μm时，这四种波长的光在氮化硅波导中的耦合系数比值约为：KR642:KR638:KG520:KB450≈55:50:6:1，其中两种波长的红光的耦合长度接近，且远小于蓝绿光，可以单独考虑。
参照图5所示，其中光波导路1和光波导路2之间有一段耦合部，耦合部光波导路间距为0.54μm，长度为1300μm，在这个区域内，蓝光从光波导路1进入光波导路2中，绿光在多次能量交换后回到光波导路2中。光波导路3和光波导路4之间有一段耦合部，耦合部光波导路间距为0.72μm，长度为1500μm，在这个区域内，波长为642nm的红光从光波导路4进入光波导路3中，波长为638nm的红光在多次能量交换后回到光波导路3中。光波导路3和光波导路2之间有一段耦合部，耦合部光波导路间距为0.84μm，长度为165μm，在这个区域内，波长为638nm和642nm的红光共同从光波导路3进入光波导路2中，绿光和蓝光能量几乎没有转移。整个系统总长度为5.5mm，四种波长的光合光进入光波导路2中的功率效率均大于90%。
实施例4
在某些场景下，需要合如入一束红外光作传感检测，可以在合束器件中加入红外光通道。
光波导路截面示意图参照图1所示，在硅片或玻璃基材上有一层SiO2基底层，其厚度为5 μm；光波导路的芯层为Si3N4，其厚度为0.16 μm，宽度为0.3μm；上方有SiO2作为覆盖层保证波导的可靠性。
参照图6所示，波长为450 nm的蓝激光耦入传播蓝色激光的光波导路（左1，本实施例中下简称光波导路1）；波长为520nm的绿激光耦入传播绿色激光的光波导路（左2，本实施例中下简称光波导路2）；波长为638nm的红激光耦入第一传播红色激光的光波导路（右2，本实施例中下简称光波导路3）；波长为905nm的红激光耦入第二传播红色激光的光波导路（右1，本实施例中下简称光波导路4）。当耦合部光波波导间距为0.6μm时，这四种波长的光在氮化硅波导中的耦合系数比值约为：KIR905:KR638:KG520:KB450≈78:16:4:1，其中红外光的耦合长度远小于红光，同时红光耦合长度远小于蓝绿光，可以将红外光和红光单独考虑。
参照图6所示，光波导路1和光波导路2之间有一段耦合部，耦合部光波导路间距为0.4μm，长度为560μm，在这个区域内，蓝光从光波导路1进入光波导路2中，绿光在多次能量交换后回到光波导路2中。光波导路3和光波导路2之间有一段耦合部，耦合部波导间距为0.68μm，长度为140μm，在这个区域内，红光从光波导路3进入光波导路2中，而光波导路2中的蓝绿光能量转移很少。光波导路4和光波导路2之间有一段耦合部，耦合部光波导路间距为1μm，长度为130μm，在这个区域内，红外光从光波导路4进入光波导路2中，红光、绿光和蓝光能量几乎没有转移。整个系统总长度为6.5mm，四种波长的光合束进入光波导路2中的功率效率均大于80%。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种光波导路型合光器，其特征在于包括：
多个光入射用光波导路，其一端作为入射端，入射和传播来自波长不同的多束单色入射光，
多个光波耦合部，其将在多个所述光入射用光波导路中传播的所述入射光进行耦合，以及，
任意两个所述光入射用光波导路之间至多只有一段光波耦合部；
所述光入射用光波导路为条形，包含基底层、芯层和包层，所述基底层为二氧化硅，所述芯层为氮化硅，所述包层为二氧化硅或聚合物；
所述芯层的折射率分别大于所述基底层的折射率和所述包层的折射率，且所述芯层与包层的相对折射率差Δ满足式1：
式中：ncore为芯层折射率，nclad为包层折射率；
在驱动了多束所述入射光的情况下，所述入射光经所述多个光波耦合部进行耦合后以基模传播并最终形成一束出射光，所述出射光从传播非最长波长入射光用光波导路的非入射端射出。
2.一种光波导路型合光器，其特征在于包括：
多个光入射用光波导路，其一端作为入射端，入射和传播红色、绿色和蓝色这三种单色入射光，
多个光波耦合部，其将在多个所述光入射用光波导路中传播的所述入射光进行耦合，以及，
任意两个所述光入射用光波导路之间至多只有一段光波耦合部；
所述光入射用光波导路为条形，包含基底层、芯层和包层，所述基底层为二氧化硅，所述芯层为氮化硅，所述包层为二氧化硅或聚合物；
所述芯层的折射率分别大于所述基底层的折射率和所述包层的折射率，且所述芯层与包层的相对折射率差Δ满足式1：
式中：ncore为芯层折射率，nclad为包层折射率；
在驱动了多束所述入射光的情况下，所述入射光经所述多个光波耦合部进行耦合后以基模传播并最终形成一束出射光，所述出射光从传播非红色入射光用光波导路的非入射端射出。
3.一种光波导路型合光器，其特征在于包括：
多个光入射用光波导路，其一端作为入射端，入射和传播红色、绿色和蓝色这三种单色入射光，
多个光波耦合部，其将在多个所述光入射用光波导路中传播的所述入射光进行耦合，以及，
任意两个所述光入射用光波导路之间至多只有一段光波耦合部；
所述光入射用光波导路为条形，包含基底层、芯层和包层，所述基底层为二氧化硅，所述芯层为氮化硅，所述包层为二氧化硅或聚合物；
所述芯层的折射率分别大于所述基底层的折射率和所述包层的折射率，且所述芯层与包层的相对折射率差Δ满足式1：
式中：ncore为芯层折射率，nclad为包层折射率；
至少一种颜色的入射光包含两种或两种以上不同的波长；
在驱动了多束所述入射光的情况下，所述入射光经所述多个光波耦合部进行耦合后以基模传播并最终形成一束出射光，所述出射光从传播非红色入射光用光波导路的非入射端射出。
4.根据权利要求1-3之一所述的光波导路型合光器，其特征在于：所述入射光为激光。
5.根据权利要求1-3之一所述的光波导路型合光器，其特征在于：所述光波耦合部数量为所述光入射用光波导路数量减一。
6.根据权利要求1-3之一所述的光波导路型合光器，其特征在于：从所述光入射用光波导路进入的所述入射光的输入功率至所述出射光的输出功率的损失小于25％。
7.根据权利要求1-3之一所述的光波导路型合光器，其特征在于：在可见光波长范围内，所述光入射用光波导路的最小曲率半径低于0.016m。
8.根据权利要求1-3之一所述的光波导路型合光器，其特征在于：所述光入射用光波导路没有分叉。
9.根据权利要求1-3之一所述的光波导路型合光器，其特征在于：所述光入射用光波导路为梯度折射型或渐变折射率型。
10.根据权利要求1-3之一所述的光波导路型合光器，其特征在于：从入射光的入射端至出射光的出射端最小长度小于7mm。
11.一种投影装置，其特征在于具有：
权利要求1-10之一所述的光波导路型合光器；以及
图像形成部，其将所述光波导路型合光器合光后的光投射到被投射面。
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