CN117203866A - 包括集成式vcsel和集成式光子腔的多色可见光源 - Google Patents

Abstract

一种可见光源包括：衬底；垂直腔面发射激光器，该垂直腔面发射激光器包括被配置成发射红外光的有源半导体区和被配置成反射由有源半导体区发射的红外光的第一反射器；第二反射器，该第二反射器被配置成反射红外光并与第一反射器形成用于红外光的竖直腔；以及一个或多个微谐振器，该一个或多个微谐振器被配置成接收红外光并使用该红外光通过光学参量振荡产生一种或多种颜色的可见光。可见光源还包括一个或多个输出耦合器，该一个或多个输出耦合器被配置成将一种或多种颜色的可见光从一个或多个微谐振器耦入到自由空间或光子集成电路中。

Description

包括集成式VCSEL和集成式光子腔的多色可见光源

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2021年4月26日提交的申请号为63/179,913、名称为“VISIBLELIGHT SOURCE INCLUDING INTEGRATED VCSELS AND INTEGRATED PHOTONIC CAVITIES(包括集成式VCSEL和集成式光子腔的可见光源)”的美国临时专利申请权益和优先权，于2021年6月10日提交的申请号为17/344738、名称为“VISIBLE LIGHT SOURCE INCLUDINGINTEGRATED VCSELS AND INTEGRATED PHOTONIC CAVITIES(包括集成式VCSEL和集成式光子腔的可见光源)”的美国专利申请权益和优先权，于2021年6月10日提交的申请号为17/344744、名称为“MULTI-COLOR VISIBLE LIGHT SOURCE INCLUDING INTEGRATED VCSELSAND INTEGRATED PHOTONIC CAVITIES(包括集成式VCSEL和集成式光子腔的多色可见光源)”的美国专利申请的权益和优先权，上述申请的全部公开内容通过引用结合于此以用于所有目的。

背景技术

半导体发光器件(例如，发光二极管(light-emitting diode，LED)、微型LED、谐振腔LED(resonant cavity LED，RCLED)、垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)和垂直外腔面发射激光器(vertical external cavity surfaceemitting laser，VECSEL))将电能转换为光能，并提供许多优于其它光源的优点，例如减小的尺寸、改进的耐用性、以及提高的效率和亮度。半导体发光器件可以用作许多显示系统(例如，电视机、计算机监视器、膝上型计算机、平板电脑、智能手机、投射系统和可穿戴电子设备)中的光源。例如，发射不同颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的光的各微型LED或VCSEL可以用于形成显示系统(例如，近眼显示器系统)中的显示面板的子像素。微型LED、VCSEL和其它半导体发光器件也可以部署在各种传感器系统(例如，用于深度感测、三维感测、对象追踪(例如，手部追踪或面部追踪)等的系统)中。

发明内容

本公开总体上涉及可见光源。更具体地，但不限于，本公开涉及集成式垂直腔面发射激光器(VCSEL)泵浦的可见光源，这些可见光源包括被配置成通过光学参量振荡(optical parametric oscillation，OPO)产生可见光的光学谐振器。本文公开的可见光源可以用于例如背光单元(backlight unit，BLU)显示器和有源显示面板。本文描述了各种发明实施例，包括设备、部件、系统、方法、结构、材料和工艺等。

根据某些实施例，一种可见光源可以包括：衬底；位于该衬底上的第一反射器和第二反射器，其中该第一反射器和该第二反射器被配置成反射红外光并且被竖直地排列以形成竖直腔；位于该竖直腔中的有源区，该有源区被配置成发射红外光；位于该衬底上的微谐振器，该微谐振器被配置成接收由该有源区发射的红外光并通过光学参量振荡产生可见光；以及输出耦合器，该输出耦合器被配置成将在该微谐振器中产生的可见光耦出该微谐振器。

根据某些实施例，一种可见光源阵列可以包括CMOS背板以及可见光源的阵列，该CMOS背板包括形成在其上的多个驱动电路，该可见光源的阵列形成在衬底上并直接或间接地结合到该CMOS背板。该可见光源的阵列中的每个可见光源能够由这些驱动电路单独寻址并且包括：第一反射器和第二反射器，该第一反射器和该第二反射器被配置成反射红外光并形成竖直腔；位于该竖直腔中的有源区，该有源区被配置成发射红外光；微谐振器，该微谐振器被配置成接收由该有源区发射的红外光并通过光学参量振荡产生可见光；以及输出耦合器，该输出耦合器被配置成将在该微谐振器中产生的可见光耦出该微谐振器。

在本发明的一个方面，提供了一种可见光源，该可见光源包括：衬底；垂直腔面发射激光器，该垂直腔面发射激光器位于该衬底上并且包括：被配置成发射红外光的有源半导体区以及被配置成反射由该有源半导体区发射的红外光的第一反射器；第二反射器，该第二反射器被配置成反射红外光，该第一反射器和该第二反射器形成用于红外光的竖直腔；一个或多个微谐振器，该一个或多个微谐振器位于该衬底上，并且被配置成接收红外光并使用红外光通过光学参量振荡产生一种或多种颜色的可见光；以及一个或多个输出耦合器，该一个或多个输出耦合器被配置成将一种或多种颜色的可见光从该一个或多个微谐振器耦入到自由空间或光子集成电路中。

该一个或多个微谐振器可以包括相对于彼此竖直布置的第一微谐振器和第二微谐振器；并且该第一微谐振器和该第二微谐振器的特征可以在于不同尺寸、不同形状、不同材料或它们的组合，并且可以被配置成产生各自不同颜色的可见光。

该可见光源还可以包括：第一调谐电路以及第二调谐电路，该第一调谐电路被配置成调谐该第一微谐振器以控制由该第一微谐振器产生的可见光的强度；该第二调谐电路被配置成调谐该第二微谐振器以控制由该第二微谐振器产生的可见光的强度。

该可见光源还可以包括微致动器，该微致动器被配置成移动该第二反射器以改变该竖直腔的光路长度，从而改变由该有源半导体区发射的红外光的波长，其中，该一个或多个微谐振器的微谐振器可以被配置成：使用第一波长的红外光产生第一颜色的可见光；并且使用第二波长的红外光产生第二颜色的可见光。

该一个或多个微谐振器可以位于该竖直腔中或位于该竖直腔上；并且该一个或多个微谐振器中的每个微谐振器可以被配置成接收由该有源半导体区直接地或通过输入耦合器发射的红外光。

该一个或多个输出耦合器中的每个输出耦合器可以包括光栅耦合器、介电散射器、金属散射器或纳米谐振器。

该光栅耦合器可以是倾斜的、切趾的、啁啾的或它们的组合。

该一个或多个微谐振器可以被配置成通过简并四波混频(degenerate four-wavemixing，DFWM)产生可见光。

该一个或多个微谐振器的至少一个微谐振器可以位于该竖直腔外部并且可以不与该垂直腔面发射激光器对准；并且该可见光源还可以包括：波导和输入耦合器，该波导光耦合到该至少一个微谐振器；该输入耦合器位于该竖直腔中或该竖直腔的顶部上，该输入耦合器被配置成将该有源半导体区发射的红外光耦入到该波导中。

该第一反射器和该第二反射器中的每一者可以包括高对比度光栅或分布式布拉格反射器，该分布布拉格反射器包括介电层、半导体层或这两项。

该第二反射器对于可见光可以是抗反射的。

该一个或多个微谐振器可以包括微环、微盘、基于波导的腔、光子晶体点缺陷腔、光子晶体环腔或等离子体谐振器中的至少一者。

该一个或多个微谐振器的特征可以在于圆环形状、椭圆环形状、螺旋形状或跑道形状。

该一个或多个输出耦合器可以被配置成将可见光竖直地耦入到自由空间中或将可见光耦入到光子集成电路中。

该可见光源还可以包括：第三反射器，该第三反射器位于该竖直腔中，其中，该第三反射器可以对红外光是部分反射的；偏振部件，该偏振部件位于该竖直腔中，并且可以被配置成选择红外光的偏振模式；或者该第三反射器和该偏振部件两者。

该偏振部件可以包括偏振器、波片、空间可变偏振器或空间可变波片。

在本发明的一个方面，提供了一种可见光源阵列，该可见光源阵列包括：衬底，该衬底包括形成在其上的多个驱动电路；以及裸片或晶片，该裸片或晶片直接或间接结合到这些驱动电路，该裸片或晶片包括形成在其上的可见光源的阵列，其中，该可见光源的阵列中的每个可见光源能够由这些驱动电路单独寻址并且包括：竖直腔、有源区、一个或多个微谐振器以及一个或多个输出耦合器；该竖直腔由第一反射器和第二反射器形成，该第一反射器和该第二反射器被配置成反射红外光；该有源区位于该竖直腔中，并且被配置成发射红外光；该一个或多个微谐振器被配置成接收红外光并使用红外光通过光学参量振荡产生一种或多种颜色的可见光；该一个或多个输出耦合器被配置成将一种或多种颜色的可见光从该一个或多个微谐振器耦入到自由空间或一个或多个波导中。

该可见光源的阵列中的每个可见光源还可以包括一个或多个调谐电路，该一个或多个调谐电路被配置成调谐该一个或多个微谐振器以控制一种或多种颜色中的每种颜色的可见光的各自强度。

该可见光源的阵列中的每个可见光源还可以包括微致动器，该微致动器被配置成移动该第二反射器以改变该竖直腔的光路长度，从而改变由该有源区发射的红外光的波长；并且该一个或多个微谐振器的微谐振器可以被配置成：使用第一波长的红外光产生第一颜色的可见光；并且使用第二波长的红外光产生第二颜色的可见光。

在本发明的一个方面，提供了一种可见光源阵列，该可见光源阵列包括：衬底，该衬底包括形成在其上的多个驱动电路；以及裸片或晶片，该裸片或晶片直接或间接结合到这些驱动电路，该裸片或晶片包括形成在其上的可见光源的阵列，其中，该可见光源的阵列中的每个可见光源能够由这些驱动电路单独寻址并且包括：竖直腔、有源区、微谐振器以及输出耦合器；该竖直腔由第一反射器和第二反射器形成，该第一反射器和该第二反射器被配置成反射红外光；该有源区位于该竖直腔中，并且被配置成发射红外光；该微谐振器被配置成接收红外光并使用该红外光通过光学参量振荡产生可见光；该输出耦合器被配置成将可见光从该微谐振器耦入到自由空间或波导中，其中，该可见光源阵列的第一可见光源中的第一微谐振器和该可见光源阵列的第二可见光源中的第二微谐振器可以具有不同尺寸、不同形状、不同材料或它们的组合，并且被配置成产生不同颜色的可见光。

本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不旨在孤立地用于确定所要求保护的主题的范围。应当通过参考本公开的整个说明书的适当部分、任意附图或所有附图、以及每个权利要求来理解本主题。在以下的说明书、权利要求书和附图中，将更详细地描述前述内容以及其它特征和示例。

附图说明

下文参考以下附图详细地描述说明性实施例。

图1为根据某些实施例的包括近眼显示器的人工现实系统环境的示例的简化框图。

图2为用于实现本文公开的多个示例中的一些示例的呈头戴式显示器(head-mounted display，HMD)设备形式的近眼显示器的示例的立体图。

图3为用于实现本文公开的多个示例中的一些示例的呈一副眼镜形式的近眼显示器的示例的立体图。

图4示出了根据某些实施例的包括波导显示器的光学透视增强现实系统的示例。

图5A示出了根据某些实施例的包括波导显示器的近眼显示设备的示例。图5B示出了根据某些实施例的包括波导显示器的近眼显示设备的示例。

图6示出了根据某些实施例的增强现实系统中的图像源组件的示例。

图7A示出了垂直腔面发射激光器(VCSEL)的示例。

图7B示出了根据某些实施例的可调谐VCSEL的示例。

图8A和图8B示出了通过简并四波混频使用较低频率泵浦光产生较高频率光信号的示例。图8C示出了微谐振器的示例的多个纵向谐振模式。

图9A示出了根据某些实施例的耦合结构的示例的截面图，该耦合结构被配置成将在光学谐振器中产生的光从光学谐振器竖直耦出。图9B示出了根据某些实施例的图9A的耦合结构的示例的俯视图。图9C示出了根据某些实施例的如下结构的示例的俯视图：该结构被配置成将在光学谐振器中产生的光耦入到输出波导中。图9D示出了根据某些实施例的如下结构的另一示例的俯视图：该结构被配置成将在光学谐振器中产生的光耦入到输出波导中。

图10A和图10B示出了根据某些实施例的可见光源的示例，该可见光源包括微谐振器，该微谐振器位于竖直腔中并且由竖直腔中的红外光VCSEL直接泵浦，其中在微谐振器中产生的可见光从竖直腔竖直耦出。

图11A示出了根据某些实施例的可见光源的示例，该可见光源包括微谐振器，该微谐振器位于竖直腔外部并且由红外光VCSEL直接泵浦。图11B示出了图11A的可见光源的示例的俯视图。

图12A和图12B示出了根据某些实施例的包括由红外光VCSEL泵浦的微谐振器的可见光源的示例，其中红外光通过输入耦合结构以及与微谐振器位于同一层上的波导耦入到微谐振器中。

图12C和图12D示出了根据某些实施例的包括由红外光VCSEL泵浦的微谐振器的可见光源的示例，其中红外光通过输入耦合结构和位于与微谐振器不同的竖直层上的波导耦入到微谐振器中。

图13A示出了根据某些实施例的包括由竖直腔中的红外光VCSEL泵浦的微谐振器的可见光源的示例，其中红外光通过竖直腔中的输入耦合结构和与微谐振器位于相同的竖直层上的波导耦入到微谐振器中。图13B示出了图13A的可见光源的示例的俯视图。

图13C示出了根据某些实施例的包括由竖直腔中的红外光VCSEL泵浦的微谐振器的可见光源的示例，其中红外光通过竖直腔中的输入耦合结构和与微谐振器位于不同的竖直层上的波导耦入到微谐振器中。图13D示出了图13C的可见光源的示例的俯视图。

图14A示出了根据某些实施例的被配置成发射不同颜色的可见光的可见光源的阵列的示例，其中该阵列中的每个可见光源包括微谐振器，该微谐振器位于竖直腔中并且由竖直腔中的红外光VCSEL直接泵浦，并且在微谐振器中产生的可见光从竖直腔竖直耦出。图14B和图14C示出了图14A的可见光源的阵列的示例的俯视图。

图15A示出了根据某些实施例的可见光源的阵列的示例，其中该阵列中的每个可见光源被配置成产生不同颜色的可见光。图15B示出了图15A的可见光源的阵列的示例的俯视图。

图16A示出了根据某些实施例的可见光源的阵列的示例，其中每个可见光源被配置成发射多种颜色的可见光，并且每种颜色的可见光的各自强度是单独可控的。图16B示出了图16A的可见光源的阵列的示例的俯视图。

图17A示出了根据某些实施例的可调谐以发射不同颜色的可见光的可见光源的示例。图17B示出了图17A的可见光源的阵列的示例的俯视图。图17C和图17D示出了通过调谐图17A和图17B的可见光源来产生不同颜色的可见光的示例。

图18A示出了根据某些实施例的可见光源的阵列的示例，其中每个可见光源可调谐以发射一种或多种颜色的可见光，并且每种颜色的可见光的各自强度是单独可控的。图18B示出了图18A的可见光源的阵列的示例的俯视图。

图19为根据某些实施例的近眼显示器的示例的电子系统的简化框图。

附图仅出于说明的目的描绘了本公开的各实施例。本领域技术人员将从下文的描述中容易地认识到，在不脱离本公开的原理或所宣扬的益处的情况下，可以采用所示的结构和方法的替代实施例。

在附图中，相似部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记后面加上破折号和用于区分相似部件的第二附图标记来区分相同类型的各种部件。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的任何一个类似部件，而与第二附图标记无关。

具体实施方式

本公开总体上涉及可见光源。更具体地，但不限于，本公开涉及集成式垂直腔面发射激光器(VCSEL)泵浦的可见光源，这些可见光源包括被配置成通过光学参量振荡(OPO)使用红外光产生可见光的光学谐振器。本文描述了各种发明实施例，包括设备、系统、部件、晶片、裸片、方法、结构、材料和工艺等。

半导体发光器件可以用于许多光学系统，例如显示系统和传感器系统。例如，在一些显示系统中，从可见光源(例如，二极管激光器阵列或微型发光二极管(micro-LED)阵列)发射的可见显示光可以被直接投射到用户的眼睛。在波导显示系统中，从可见光源发射的可见显示光可以耦入到显示器(例如，波导显示器)中，用于将图像传递到观看者的眼睛。波导显示系统的总体效率η_tot可以由η_tot＝η_EQE×η_in×η_out确定。其中，η_EQE是光源(例如，激光器或微型LED)的外部量子效率(external quantum efficiency，EQE)，并且可以与载流子(例如，电子)注入效率、内部量子效率和光提取效率(light extraction efficiency，LEE)的乘积成比例。η_in是可见显示光从光源到波导的耦入效率，η_out是可见显示光从波导向观看者眼睛的耦出效率。例如，为了提高光学系统(例如，显示系统)的亮度、分辨率和效率，通常需要如下的可见光源阵列：所述可见光源阵列具有小像素间距(例如，小于约20μm或约10μm)、高亮度、高动态范围、可控制的发射方向、可单独寻址、大色域和制造可扩展性。

然而，制造这样的可见光源可能是具有挑战性的。例如，LED和有机LED(OLED)在亮度方面可能有基本限制。对于一些可见颜色(例如，绿色)来说，制造具有高效率的VCSEL可能非常困难。在同一芯片或晶片上制造多种颜色的可见光激光光源可能更具挑战性。此外，当前的可见光源体系架构通常可能具有较大的占地区，并且可能不适合用于高分辨率显示的单独可寻址的高密度源阵列。III-V族半导体器件与光子集成电路(photonicintegrated circuit，PIC)的集成可能会带来额外的制造挑战。

根据某些实施例，可见光源可以包括VCSEL，VCSEL可以高效率地发射近红外(near-infrared，NIR)或其它红外(infrared，IR)波段的光。在下文中，NIR光通常可以称为IR光。可见光源还可以包括微谐振器，该微谐振器可以由于微谐振器内的简并四波混频(也称为光学参量振荡(OPO)的三阶非线性光学过程)而将IR光转换为可见光。在一些实施例中，微谐振器可以位于VCSEL腔的内部或外部并且与VCSEL对准，其中由VCSEL发射的IR光可以直接耦入到微谐振器中或通过耦合结构(例如，光栅耦合器或纳米谐振器)耦入到微谐振器中。在一些实施例中，由VCSEL发射的IR光可以通过耦合结构(例如，光栅耦合器或纳米谐振器)耦入到波导中，然后可以例如通过波导耦合器从波导耦入到微谐振器中。微谐振器可以包括例如微环谐振器、光子晶体点缺陷腔、光子晶体环(线缺陷)腔、等离子体谐振器等。由微谐振器中的简并四波混频产生的可见光可以通过侧耦合从微谐振器耦出到波导中，或者通过耦合结构(例如，放置在微谐振器附近的光栅、或者介电散射器或金属散射器)通过竖直耦合耦入到自由空间中。

在一些实施例中，设备可以包括可见光源的阵列，其中这些可见光源可以发射不同颜色(例如，红色、蓝色和绿色)的可见光。在一个示例中，每个可见光源可以包括一个微谐振器，并且一些可见光源中的微谐振器(和/或VCSEL)可以不同于一些其它可见光源中的微谐振器(和/或VCSEL)，从而不同的可见光源可以发射不同颜色的光。在一些实施例中，可见光源的阵列中的每个可见光源可以被配置成，或可配置成发射不同颜色的光。在一个示例中，可见光源的阵列的每个可见光源可以包括泵浦VCSEL和具有不同参数的多个(例如，竖直地布置)微谐振器，其中多个微谐振器中的各个微谐振器可以被配置成产生不同颜色的可见光，并且在一些实施例中，多个微谐振器的每个微谐振器可以被调谐(例如，通过热光或电光调谐器)以独立地调节由微谐振器产生的相应可见光的强度。在一些实施例中，可见光源的阵列中的可见光源可以包括泵浦VCSEL，该泵浦VCSEL具有可调谐的腔并且可以被调谐以发射具有不同波长的泵浦光，并且该可见光源还可以包括具有多个谐振模式的微谐振器，从而可以使用具有不同波长的泵浦光来产生不同颜色的可见光。

本文公开的技术可以实现显示应用所需的性能。例如，由于每个可见光源的竖直配置以及可见光源阵列的布置的紧凑，可以实现小间距、多颜色像素化阵列，该像素化阵列可以用作液晶显示器(liquid crystal display，LCD)用的具有局部调光能力的背光单元(BLU)，或者可以用作有源显示面板。例如，通过输出耦合结构(例如，光栅、散射器等)的设计，来自可见光源的输出光的偏振是高度可控的。可见光源的结构可以被设计成使用OPO工艺产生任何可见波长的光，因此可以用于提供国际电信联盟(InternationalTelecommunication Union，ITU)建议BT.2020(Recommendation BT.2020，Rec.2020)色域或通过产生多于3个原色来提供更大色域。每个可见光源的直接电子控制可以提供单独寻址性、高对比度和快速响应。泵浦光和OPO部件的集成提供了适合用于AR/VR应用的整体紧凑、低轮廓和平面结构。当使用侧耦合时，本文公开的可见光源还可以用于向其它片上光子集成电路提供红光、绿光和蓝光。

此外，本文公开的可见光源可以具有可扩展的制造性。例如，本文公开的可见光源可以使用已知的集成技术来制造，以用于将近红外(NIR)VCSEL与用于光子集成电路的SiN、SiC、AIN、LiNbO₃或SiON材料集成(例如，结合)。本文公开的可见光源使用适合用于衬底剥离的VCSEL结构以实现集成。像素化阵列可以在可扩展的晶片级制造，包括制造VCSEL和PIC器件、结合等。

如本文所使用的，可见光可以是指人眼可见的光，例如波长在约400nm与约750nm之间的光。红外光总体可以指波长大于约750nm的光。近红外(NIR)光可以是指波长在例如约750nm与约2500nm之间的IR光。

本文所述的可见光源可以与各种技术(例如，人工现实系统)结合使用。人工现实系统，例如头戴式显示器(HMD)或平视显示器(heads-up display，HUD)系统，通常包括被配置成呈现人工图像的显示器，这些人工图像描绘虚拟环境中的对象。显示器可以呈现虚拟对象或将现实对象的图像与虚拟对象的图像进行组合，如在虚拟现实(VR)应用、增强现实(AR)应用或混合现实(MR)应用中那样。例如，在AR系统中，用户可以例如通过透视透明的显示眼镜或透镜(通常称为光学透视)或者观看由摄像头采集的周围环境的显示图像(通常称为视频透视)来观看虚拟对象的显示图像(例如，计算机生成的图像(computer-generatedimage，CGI))和周围环境这两者。在一些AR系统中，可以使用基于LED的显示子系统向用户呈现人工图像。

在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以提供对本公开的示例的透彻理解。然而，很明显的是可以在没有这些具体细节的情况下实践各种示例。例如，设备、系统、结构、组件、方法和其它部件可以以框图形式示出为部件，以免不必要的细节使这些示例模糊。在其它情况下，公知的设备、过程、系统、结构和技术可以在没有必要细节的情况下示出，以避免模糊这些示例。附图和说明书不是限制性的。在本公开中已经采用的术语和表达被用作描述性术语而不是限制性术语，并且在使用这些术语和表达时不旨在排除所示和描述的特征或其部分的任何等同物。“示例”一词在本文用于表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例”的任何实施例或设计不一定被解释为优先于或优于其它实施例或设计。

图1为包括根据某些实施例的近眼显示器120的人工现实系统环境100的示例的简化框图。图1所示的人工现实系统环境100可以包括近眼显示器120、可选的外部成像设备150和可选的输入/输出接口140，该近眼显示器、该可选的外部成像设备和该可选的输入/输出接口中的每一者可以耦接到可选的控制台110。虽然图1示出了包括一个近眼显示器120、一个外部成像设备150和一个输入/输出接口140的人工现实系统环境100的示例，但是在人工现实系统环境100中可以包括任何数量的这些部件，或者可以省略这些部件的任何一者。例如，可以具有由与控制台110通信的一个或多个外部成像设备150监视的多个近眼显示器120。在一些构造中，人工现实系统环境100可以不包括外部成像设备150、可选的输入/输出接口140和可选的控制台110。在替代构造中，人工现实系统环境100可以包括不同的部件或附加的部件。

近眼显示器120可以是向用户呈现内容的头戴式显示器。由近眼显示器120呈现的内容的示例包括以下中的一者或多者：图像、视频、音频或它们的任意组合。在一些实施例中，音频可以经由外部设备(例如，扬声器和/或耳机)呈现，该外部设备接收来自近眼显示器120、控制台110或这两者的音频信息，并基于该音频信息呈现音频数据。近眼显示器120可以包括一个或多个刚性本体，这些刚性本体可以彼此刚性地或非刚性地耦接。多个刚性本体之间的刚性耦接可以使耦接后的刚性本体充当单个刚性实体。多个刚性本体之间的非刚性耦接可以允许这些刚性本体相对于彼此移动。在各种实施例中，近眼显示器120可以以任何合适的形状要素(包括一副眼镜)来实现。下文关于图2和图3进一步描述近眼显示器120的一些实施例。此外，在各种实施例中，本文所描述的功能可以用于将近眼显示器120外部环境的图像和人工现实内容(例如，计算机生成的图像)进行组合的头戴式设备中。因此，近眼显示器120可以利用生成的内容(例如，图像、视频、声音等)增强近眼显示器120外部的物理真实世界环境的图像，以向用户呈现增强现实。

在各种实施例中，近眼显示器120可以包括显示电子器件122、显示光学器件124和眼睛追踪单元130中的一者或多者。在一些实施例中，近眼显示器120还可以包括一个或多个定位器126、一个或多个位置传感器128、以及惯性测量单元(inertial measurementunit，IMU)132。近眼显示器120可以省略眼睛追踪单元130、定位器126、位置传感器128和IMU 132中的任何一者，或者近眼显示器在各种实施例中包括附加元件。此外，在一些实施例中，近眼显示器120可以包括组合了结合图1描述的各种元件的功能的多个元件。

显示电子器件122可以根据从例如控制台110接收的数据，向用户显示图像或有助于向用户显示图像。在各种实施例中，显示电子器件122可以包括一个或多个显示面板，例如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)显示器、无机发光二极管(inorganic light emitting diode，ILED)显示器、微型发光二极管(microlight emitting diode，μLED)显示器、有源矩阵OLED显示器(active-matrix OLEDdisplay，AMOLED)、透明OLED显示器(transparent OLED display，TOLED)、或其它一些显示器。例如，在近眼显示器120的一个实施方式中，显示电子器件122可以包括前TOLED面板、后显示面板、以及在前显示面板与后显示面板之间的光学部件(例如，衰减器、偏振器、或衍射膜或光谱膜)。显示电子器件122可以包括发射诸如红色、绿色、蓝色、白色或黄色等主要颜色的光的多个像素。在一些实施方式中，显示电子器件122可以通过二维面板产生的立体效果来显示三维(three-dimensional，3D)图像，以创建对图像深度的主观感知。例如，显示电子器件122可以包括位于用户左眼前方的左显示器和位于右眼前方的右显示器。左显示器和右显示器可以呈现图像的相对于彼此水平移位的副本以产生立体效果(例如，由观看图像的用户对图像深度的感知)。

在某些实施例中，显示光学器件124可以光学地(例如，使用光波导和耦合器)显示图像内容或放大从显示电子器件122接收的图像光、校正与图像光相关联的光学误差、并且向近眼显示器120的用户呈现校正后的图像光。在各种实施例中，显示光学器件124可以包括一个或多个光学元件，例如衬底、光波导、光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、过滤器、输入耦合器/输出耦合器、或任何其它合适的可以对从显示电子器件122发射的图像光产生影响的光学元件。显示光学器件124可以包括不同光学元件的组合以及机械耦接件，机械耦接件用于维持该组合中光学元件的相对间距和取向。显示光学器件124中的一个或多个光学元件可以具有光学涂层，例如抗反射涂层、反射性涂层、过滤性涂层、或不同光学涂层的组合。

显示光学器件124对图像光的放大可以允许显示电子器件122相比于更大的显示器在物理上更小、重量更轻并且消耗更少的功率。另外，放大可以增加所显示的内容的视场。可以通过调整光学元件、添加光学元件或从显示光学器件124移除光学元件来改变显示光学器件124对图像光的放大量。在一些实施例中，显示光学器件124可以将显示的图像投射到一个或多个图像平面，该一个或多个图像平面可以比近眼显示器120更远离用户的眼睛。

显示光学器件124还可以被设计成校正一种或多种类型的光学误差，例如二维光学误差、三维光学误差或它们的任意组合。二维误差可以包括在两个维度中发生的光学像差。二维误差的示例性类型可以包括桶形失真、枕形失真、纵向色差和横向色差。三维误差可以包括在三个维度中发生的光学误差。三维误差的示例性类型可以包括球面像差、彗形像差、像场弯曲和像散现象。

多个定位器126可以是位于近眼显示器120上相对于彼此并且相对于近眼显示器120上的参考点的多个特定位置处的多个对象。在一些实施方式中，控制台110可以识别由外部成像设备150采集的图像中的定位器126，以确定人工现实头戴式设备的位置、取向或这两者。定位器126可以是LED、角立方反射器、反射性标记、一种与近眼显示器120运行的环境形成对比的光源、或它们的任意组合。在定位器126是有源部件(例如，LED或其它类型的发光设备)的实施例中，定位器126可以发射可见光波段(例如，约380nm至750nm)中的光、在红外(infrared，IR)波段(例如，约750nm至1mm)中的光、在紫外波段(例如，约10nm至约380nm)中的光、或者在电磁频谱的另一部分中的光、或者在电磁频谱的多个部分的任意组合中的光。

外部成像设备150可以包括一个或多个摄像头、一个或多个视频摄像头、能够采集包括多个定位器126中的一个或多个定位器的图像的任何其它设备、或者它们的任意组合。此外，外部成像设备150可以包括一个或多个过滤器(例如，以提高信噪比)。外部成像设备150可以被配置成检测从外部成像设备150的视场中的定位器126发射或反射的光。在定位器126包括无源元件(例如，回射器)的实施例中，外部成像设备150可以包括照射多个定位器126中的一些定位器或全部定位器的光源，这些定位器126可以将光回射到外部成像设备150中的光源。可以将慢速校准数据从外部成像设备150传送到控制台110，并且外部成像设备150可以接收来自控制台110的一个或多个校准参数，以调整一个或多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧率、传感器温度、快门速度、光圈等)。

位置传感器128可以响应于近眼显示器120的运动而产生一个或多个测量信号。位置传感器128的示例可以包括加速度计、陀螺仪、磁力计、其它运动检测传感器或误差校正传感器、或它们的任意组合。例如，在一些实施例中，位置传感器128可以包括多个加速度计和多个陀螺仪，该多个加速度计测量平移运动(例如，向前/向后、向上/向下、或向左/向右)，多个陀螺仪测量旋转运动(例如，俯仰、偏转或滚动)。在一些实施例中，各种位置传感器可以彼此正交地定向。

IMU 132可以是基于接收到的来自多个位置传感器128中的一个或多个位置传感器的测量信号来生成快速校准数据的电子设备。位置传感器128可以位于IMU 132的外部、IMU 132的内部、或它们的任意组合。基于来自一个或多个位置传感器128的一个或多个测量信号，IMU 132可以生成快速校准数据，该快速校准数据指示近眼显示器120的相对于近眼显示器120的初始位置的估计位置。例如，IMU 132可以随时间对从加速度计接收的测量信号进行积分来估计速度向量，并随时间对速度向量进行积分以确定近眼显示器120上的参考点的估计位置。可替换地，IMU 132可以向控制台110提供采样的测量信号，该采样的测量信号可以确定快速校准数据。虽然参考点通常可以被定义为空间中的点，但在各种实施例中，参考点也可被定义为近眼显示器120内的点(例如，IMU 132的中心)。

眼睛追踪单元130可以包括一个或多个眼睛追踪系统。眼睛追踪可以是指确定眼睛相对于近眼显示器120的定位，包括眼睛相对于近眼显示器120的取向和位置。眼睛追踪系统可以包括用于对一只或多只眼睛进行成像的成像系统，并且眼睛追踪系统可以可选地包括光发射器，该光发射器可以生成引导至眼睛的光，使得由眼睛反射的光可以被成像系统采集。例如，眼睛追踪单元130可以包括发射可见光谱或红外光谱内的光的非相干光源或相干光源(例如，激光二极管)、以及采集被用户的眼睛反射的光的摄像头。作为另一个示例，眼睛追踪单元130可以采集由微型雷达单元发射的反射性无线电波。眼睛追踪单元130可以使用低功率光发射器，这些低功率光发射器以不会伤害眼睛或引起身体不适的频率和强度来发射光。眼睛追踪单元130可以被布置成增加由眼睛追踪单元130采集的眼睛的图像中的对比度，并且减少由眼睛追踪单元130消耗的总功率(例如，减少由眼睛追踪单元130中所包括的光发射器和成像系统消耗的功率)。例如，在一些实施方式中，眼睛追踪单元130可以消耗小于100毫瓦的功率。

近眼显示器120可以使用眼睛的取向来例如确定用户的瞳孔间距离(inter-pupillary distance，IPD)、确定注视方向、引入深度暗示(depth cue)(例如，模糊用户的主视线之外的图像)、收集VR媒体中的用户交互(例如，根据体验到的刺激而花费在任何特定对象、物体或帧上的时间)的启发式信息、执行部分地基于用户双眼的至少一只眼睛的取向的一些其它功能、或它们的任意组合。因为可以针对用户的双眼确定取向，所以眼睛追踪单元130可以能够确定用户正在看哪里。例如，确定用户注视的方向可以包括基于确定的用户左眼和右眼的取向来确定会聚点。会聚点可以是用户眼睛的两个视网膜中央凹视轴(foveal axis)相交的点。用户注视的方向可以是穿过会聚点和用户眼睛的瞳孔之间的中点的线的方向。

输入/输出接口140可以是允许用户向控制台110发送动作请求的设备。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是启动应用程序或结束应用程序，或者是在应用程序内执行特定动作。输入/输出接口140可以包括一个或多个输入设备。示例性输入设备可以包括键盘、鼠标、游戏控制器、手套、按钮、触摸屏、或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到控制台110的任何其它合适的设备。由输入/输出接口140接收的动作请求可以被传送到控制台110，控制台110可以执行与所请求的动作相对应的动作。在一些实施例中，输入/输出接口140可以根据从控制台110接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时，或者当控制台110已经执行了所请求的动作并向输入/输出接口140传送指令时，输入/输出接口140可以提供触觉反馈。在一些实施例中，外部成像设备150可以用于追踪输入/输出接口140，例如追踪控制器(该追踪控制器可以包括例如IR光源)的位置或定位、或用户的手部的位置或定位，以确定用户的运动。在一些实施例中，近眼显示器120可以包括一个或多个成像设备来追踪输入/输出接口140，例如追踪控制器的位置或定位、或用户的手部的位置或定位，以确定用户的运动。

控制台110可以根据接收到的来自外部成像设备150、近眼显示器120和输入/输出接口140中的一者或多者的信息，向近眼显示器120提供内容来呈现给用户。在图1所示的实施例中，控制台110可以包括应用程序库112、头戴式设备追踪模块114、人工现实引擎116和眼睛追踪模块118。控制台110的一些实施例可以包括与结合图1所描述的模块不同的模块或附加的模块。下文进一步描述的功能可以以与本文描述的方式不同的方式分布在控制台110的多个部件之间。

在一些实施例中，控制台110可以包括处理器和非暂时性计算机可读存储介质，该非暂时性计算机可读存储介质存储可由处理器执行的指令。处理器可以包括并行执行指令的多个处理单元。非暂时性计算机可读存储介质可以是任何存储器，例如，硬盘驱动器、可移动存储器、或固态驱动器(例如，闪存、或动态随机存取存储器(dynamic random accessmemory，DRAM))。在各种实施例中，结合图1所描述的控制台110的模块可以被编码为在非暂时性计算机可读存储介质中的指令，这些指令在由处理器执行时，使得处理器执行下文进一步描述的功能。

应用程序库112可以存储用于供控制台110执行的一个或多个应用程序。应用程序可以包括一组指令，这组指令在由处理器执行时，生成用于呈现给用户的内容。应用程序生成的内容可以响应于经由用户眼睛的移动而从用户接收输入、或响应于从输入/输出接口140接收输入。应用程序的示例可以包括游戏应用程序、会议应用程序、视频播放应用程序或其它合适的应用程序。

头戴式设备追踪模块114可以使用来自外部成像设备150的慢速校准信息来追踪近眼显示器120的移动。例如，头戴式设备追踪模块114可以使用从慢速校准信息观察到的定位器、以及近眼显示器120的模型来确定近眼显示器120的参考点的位置。头戴式设备追踪模块114还可以使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器120的参考点的位置。另外，在一些实施例中，头戴式设备追踪模块114可以使用以下中的多个部分：快速校准信息、慢速校准信息或它们的任意组合，来预测近眼显示器120的未来位置。头戴式设备追踪模块114可以向人工现实引擎116提供近眼显示器120的估计或预测的未来位置。

人工现实引擎116可以执行人工现实系统环境100内的应用程序，并且接收来自头戴式设备追踪模块114的近眼显示器120的位置信息、近眼显示器120的加速度信息、近眼显示器120的速度信息、近眼显示器120的预测的未来位置、或它们的任意组合。人工现实引擎116还可以接收来自眼睛追踪模块118的估计的眼睛位置和取向的信息。人工现实引擎116基于接收到的信息，可以确定要提供给近眼显示器120以呈现给用户的内容。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左侧看，则人工现实引擎116可以生成用于近眼显示器120的、反映了用户眼睛在虚拟环境中的移动的内容。此外，人工现实引擎116可以响应于接收到来自输入/输出接口140的动作请求，在控制台110上执行的应用程序内执行动作，并且向用户提供指示该动作已经被执行的反馈。反馈可以是经由近眼显示器120的视觉反馈或听觉反馈，或者是经由输入/输出接口140的触觉反馈。

眼睛追踪模块118可以接收来自眼睛追踪单元130的眼睛追踪数据，并基于眼睛追踪数据确定用户眼睛的位置。眼睛的位置可以包括眼睛相对于近眼显示器120或近眼显示器的任意元件的取向、位置或这两者。因为眼睛的转动轴线随着眼睛在其眼窝中的位置而改变，所以确定眼睛在其眼窝中的位置可以允许眼睛追踪模块118更准确地确定眼睛的取向。

图2是用于实现本文公开的示例中的一些示例的呈HMD设备200形式的近眼显示器的示例的立体图。HMD设备200可以是例如VR系统、AR系统、MR系统、或它们的任意组合的一部分。HMD设备200可以包括本体220和头带230。图2在立体图中示出了本体220的底侧223、前侧225和左侧227。头带230可以具有可调节或可延伸的长度。在HMD设备200的本体220与头带230之间可以存在足够的空间，以允许用户将HMD设备200安装到用户的头部上。在各种实施例中，HMD设备200可以包括附加的、更少的或不同的部件。例如，在一些实施例中，HMD设备200可以包括例如以下图3所示的眼镜镜腿和镜腿末端，而不是头带230。

HMD设备200可以向用户呈现媒体，该媒体包括具有计算机生成元素的物理真实世界环境的虚拟视图和/或增强视图。由HMD设备200呈现的媒体的示例可以包括图像(例如，二维(2D)图像或三维(3D)图像)、视频(例如，2D视频或3D视频)、音频或它们的任意组合。图像和视频可以通过封装在HMD设备200的本体220中的一个或多个显示组件(图2中未示出)呈现给用户的每只眼睛。在各种实施例中，一个或多个显示组件可以包括单个电子显示面板或多个电子显示面板(例如，用于用户的每只眼睛的一个显示面板)。电子显示面板的示例可以包括例如LCD、OLED显示器、ILED显示器、μLED显示器、AMOLED、TOLED、一些其它显示器或它们的任意组合。HMD设备200可以包括两个适眼框(eye box)区域。

在一些实施方式中，HMD设备200可以包括各种传感器(未示出)，例如深度传感器、运动传感器、位置传感器和眼睛追踪传感器。这些传感器中的一些传感器可以使用结构光图案来感测。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括输入/输出接口，输入/输出接口用于与控制台通信。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括虚拟现实引擎(未示出)，该虚拟现实引擎可以在HMD设备200内执行应用，并且从各种传感器接收HMD设备200的深度信息、位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或它们的任意组合。在一些实施方式中，由虚拟现实引擎接收的信息可以用于向一个或多个显示组件生成信号(例如，显示指令)。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括定位器(未示出，例如定位器126)，这些定位器位于本体220上相对于彼此并且相对于参考点的多个固定位置处。这些定位器中的每个定位器可以发射可由外部成像设备检测的光。

图3是用于实现本文公开的示例中的一些示例的呈一副眼镜形式的近眼显示器300的示例的立体图。近眼显示器300可以是图1的近眼显示器120的特定实施方式，并且近眼显示器300可以被配置成作为虚拟现实显示器、增强现实显示器和/或混合现实显示器运行。近眼显示器300可以包括框架305和显示器310。显示器310可以被配置成向用户呈现内容。在一些实施例中，显示器310可以包括显示电子器件和/或显示光学器件。例如，如上文关于图1的近眼显示器120所述，显示器310可以包括LCD显示面板、LED显示面板或光学显示面板(例如，波导显示器组件)。

近眼显示器300还可以包括在框架305上或框架305内的各种传感器350a、350b、350c、350d和350e。在一些实施例中，传感器350a至350e可以包括一个或多个深度传感器、运动传感器、位置传感器、惯性传感器或环境光传感器。在一些实施例中，传感器350a至350e可以包括一个或多个图像传感器，该一个或多个图像传感器被配置成生成表示不同方向上的不同视场的图像数据。在一些实施例中，传感器350a至350e可以用作输入设备来控制或影响近眼显示器300的显示内容、和/或向近眼显示器300的用户提供交互式VR/AR/MR体验。在一些实施例中，传感器350a至350e也可以用于立体成像。

在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括一个或多个照明器330，以将光投射到物理环境中。投射光可以与不同的频带(例如，可见光、红外光、紫外光等)相关联，并且投射光可以用于各种目的。例如，照明器330可以在黑暗环境中(或在具有低强度的红外光、紫外线等的环境中)投射光来帮助传感器350a至350e采集黑暗环境中不同对象的图像。在一些实施例中，一个或多个照明器330可以用于将某些光图案投射到环境内的对象上。在一些实施例中，照明器330可以用作定位器，例如上文参考图1描述的定位器126。

在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括高分辨率摄像头340。摄像头340可以采集视场中的物理环境的图像。所采集的图像可以例如由虚拟现实引擎(例如，图1的人工现实引擎116)处理，以将虚拟对象添加到采集的图像或者修改所采集的图像中的物理对象，并且处理后的图像可以由显示器310显示给用户，以用于AR应用或MR应用。

图4示出了根据某些实施例的包括波导显示器的光学透视增强现实系统400的示例。增强现实系统400可以包括投射器410和组合器415。投射器410可以包括光源或图像源412，以及投射器光学器件414。在一些实施例中，光源或图像源412可以包括一个或多个如上所述的微型LED器件。在一些实施例中，图像源412可以包括显示虚拟对象的多个像素，诸如LCD显示面板或LED显示面板。在一些实施例中，图像源412可以包括产生相干或部分相干光的光源。例如，图像源412可以包括激光二极管、垂直腔面发射激光器、LED和/或上述的微型LED。在一些实施例中，图像源412可以包括多个光源(例如，上述的微型LED阵列)，每个光源发射与原色(例如，红色、绿色或蓝色)相对应的单色图像光。在一些实施例中，图像源412可以包括三个二维微型LED阵列，其中，每个二维微型LED阵列可以包括多个微型LED，该多个微型LED被配置成发射原色(例如，红色、绿色或蓝色)的光。在一些实施例中，图像源412可以包括光学图案发生器，诸如空间光调制器。投射器光学器件414可以包括一个或多个光学部件，该一个或多个光学部件可以调节来自图像源412的光，诸如将来自图像源412的光进行扩展、准直、扫描、或投射到组合器415。一个或多个光学部件可以包括例如一个或多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。例如，在一些实施例中，图像源412可以包括一个或多个一维微型LED阵列或长形二维微型LED阵列，并且投射器光学器件414可以包括一个或多个一维扫描器(例如，微镜或棱镜)，该一个或多个一维扫描器被配置成扫描一维微型LED阵列或长形二维微型LED阵列以产生图像帧。在一些实施例中，投射器光学器件414可以包括液体透镜(例如，液晶透镜)，该液体透镜具有允许扫描来自图像源412的光的多个电极。

组合器415可以包括输入耦合器430，输入耦合器430用于将来自投射器410的光耦入组合器415的衬底420中。组合器415可以透射第一波长范围内的光的至少50％，并反射第二波长范围内的光的至少25％。例如，第一波长范围可以为约400nm至约650nm的可见光，第二波长范围可以为例如约800nm至约1000nm的红外波段。输入耦合器430可以包括体全息光栅或另一衍射性光学元件(diffractive optical element，DOE)(例如，表面浮雕光栅)、衬底420的倾斜反射性表面、或折射性耦合器(例如，楔形物或棱镜)。例如，输入耦合器430可以包括反射性体布拉格光栅或透射性体布拉格光栅。对于可见光，输入耦合器430可以具有大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。耦入衬底420中的光可以通过例如全内反射(total internal reflection，TIR)在衬底420内传播。衬底420可以呈一副眼镜的镜片形式。衬底420可以具有平坦或弯曲的表面，并且可以包括一种或多种类型的介电材料，诸如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、晶体或陶瓷。衬底的厚度可以在例如约小于1mm至约10mm或更大的范围内。衬底420对于可见光可以是透明的。

衬底420可以包括多个输出耦合器440或可以耦接到多个输出耦合器440，每个输出耦合器440被配置成从衬底420提取由衬底420引导并在衬底420内传播的光的至少一部分，并且将提取的光460向适眼框495引导，当使用增强现实系统400时，增强现实系统400的用户的眼睛490可以位于该适眼框处。多个输出耦合器440可以复制出射光瞳以增加适眼框495的大小，使得所显示的图像在更大的区域中是可见的。如输入耦合器430一样，输出耦合器440可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、其它衍射性光学元件、棱镜等。例如，输出耦合器440可以包括反射性体布拉格光栅或透射性体布拉格光栅。输出耦合器440可以在不同位置具有不同耦合(例如，衍射)效率。衬底420还可以允许来自组合器415前方的环境的光450以很少损耗或没有损耗地穿过。输出耦合器440还可以允许光450以很少的损耗穿过。例如，在一些实施方式中，输出耦合器440对于光450可以具有非常低的衍射效率，使得光450可以进行折射或以其它方式以很少的损耗穿过输出耦合器440，并且因此可以具有比提取的光460更高的强度。在一些实施方式中，输出耦合器440对于光450可以具有高衍射效率，并且可以以某些期望方向(即衍射角)以很少的损耗衍射光450。结果，用户可以观看组合器415前方的环境和由投射器410投射的虚拟对象的图像的组合图像。

图5A示出了根据某些实施例的包括波导显示器530的近眼显示器(NED)设备500的示例。NED设备500可以是近眼显示器120、增强现实系统400或另一类型的显示设备的示例。NED设备500可以包括光源510、投射光学器件520和波导显示器530。光源510可以包括用于不同颜色的光发射器的多个面板，例如，红光发射器512的面板、绿光发射器514的面板和蓝光发射器516的面板。多个红光发射器512被组织成一个阵列；多个绿光发射器514被组织成一个阵列；并且多个蓝光发射器516被组织成一个阵列。光源510中的多个光发射器的尺寸和间距可以较小。例如，每个光发射器可以具有小于2μm(例如，大约1.2μm)的直径，并且间距可以小于2μm(例如，大约1.5μm)。因此，红光发射器512、绿光发射器514和蓝光发射器516各自中的光发射器的数量可以等于或大于显示图像中的像素的数量(例如，960×720、1280×720、1440×1080、1920×1080、2160×1080或2560×1080个像素)。因此，可以由光源510同时地生成显示图像。在NED设备500中可以不使用扫描元件。

在到达波导显示器530之前，由光源510发射的光可以由投射光学器件520调节，投射光学器件520可以包括透镜阵列。投射光学器件520可以对由光源510发射的光进行准直或将由光源510发射的光聚焦到波导显示器530，波导显示器530可以包括耦合器532，该耦合器用于将由光源510发射的光耦入到波导显示器530中。耦入到波导显示器530中的光可以通过例如上文关于图4所述的全内反射在波导显示器530内传播。耦合器532还可以将在波导显示器530内传播的部分光从波导显示器530耦出并且朝向用户的眼睛590。

图5B示出了根据某些实施例的包括波导显示器580的近眼显示器(NED)设备550的示例。在一些实施例中，NED设备550可以使用扫描镜570将来自光源540的光投射到用户的眼睛590可能所在的图像场。NED设备550可以是近眼显示器120、增强现实系统400或另一类型的显示设备的示例。光源540可以包括一行或多行或一列或多列不同颜色的光发射器，例如，多行红光发射器542、多行绿光发射器544和多行蓝光发射器546。例如，多个红光发射器542、多个绿光发射器544和多个蓝光发射器546可以各自包括N行，每行包括例如2560个光发射器(像素)。该多个红光发射器542被组织成一个阵列；该多个绿光发射器544被组织成一个阵列；并且该多个蓝光发射器546被组织成一个阵列。在一些实施例中，光源540可以包括针对每种颜色的单行光发射器。在一些实施例中，光源540可以包括针对红色、绿色和蓝色中的每一种的多列光发射器，其中每列可以包括例如1080个光发射器。在一些实施例中，光源540中的光发射器的尺寸和/或间距可以相对较大(例如，约3μm至5μm)，因此光源540可不包括用于同时生成全显示图像的足够的光发射器。例如，针对单个颜色的光发射器的数量可以小于显示图像中的像素的数量(例如，2560×1080个像素)。由光源540发射的光可以是一组准直或发散的光束。

在到达扫描镜570之前，由光源540发射的光可以由各种光学器件(例如，准直透镜或自由形式光学元件560)调节。自由形式光学元件560可以包括例如多小平面棱镜或另一光折叠元件，该多小平面棱镜或另一光折叠元件可以将由光源540发射的光朝向扫描镜570引导，从而例如以例如约90°或更大角度来改变由光源540发射的光的传播方向。在一些实施例中，自由形式光学元件560可以是可转动的以扫描光。扫描镜570和/或自由形式光学元件560可以将由光源540发射的光反射并投射到波导显示器580，波导显示器580可以包括耦合器582，该耦合器用于将由光源540发射的光耦入到波导显示器580中。耦入到波导显示器580中的光可以通过例如上文关于图4所述的全内反射在波导显示器580内传播。耦合器582还可以将在波导显示器580内传播的部分光从波导显示器580耦出并且朝向用户的眼睛590。

扫描镜570可以包括微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)反射镜或任何其它合适的反射镜。扫描镜570可以旋转以在一个维度或两个维度内扫描。随着扫描镜570旋转，由光源540发射的光可以在每个扫描周期被引导至波导显示器580的不同区域，使得全显示图像可以被投射到波导显示器580上并且由波导显示器580向用户的眼睛590引导。例如，在光源540包括用于一行或多行、或一列或多列中所有像素的光发射器的实施例中，扫描镜570可以在列方向或行方向(例如，x方向或y方向)上旋转以扫描图像。在光源540包括用于一行或多行、或一列或多列中一些但不是所有像素的光发射器的实施例中，扫描镜570可以在行方向和列方向(例如，x方向和y方向)两者上旋转以(例如，使用光栅型扫描图案)投射显示图像。

NED设备550可以在预定显示时段内运行。显示时段(例如，显示周期)可以指扫描或投射全图像的持续时间。例如，显示时段可以是期望的帧率的倒数。在包括扫描镜570的NED设备550中，显示时段也可以称为扫描时段或扫描周期。光源540的光产生可以与扫描镜570的旋转同步。例如，每个扫描周期可以包括多个扫描步骤，其中光源540可以在每个相应的扫描步骤中生成不同的光图案。

在每个扫描周期中，随着扫描镜570旋转，显示图像可以被投射到波导显示器580和用户的眼睛590上。显示图像的给定像素位置的实际颜色值和光强度(例如，亮度)可以是在扫描时段期间照射该像素位置的三种颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的光束的平均值。在完成扫描时段之后，扫描镜570可以回复到初始位置以投射针对下一显示图像的前几行的光，或者可以沿相反方向旋转或者扫描图案以投射针对下一显示图像的光，其中可以向光源540馈送新的一组驱动信号。随着扫描镜570在每个扫描周期旋转，可以重复相同的过程。这样，可以在不同的扫描周期向用户的眼睛590投射不同的图像。

图6示出了根据某些实施例的近眼显示器系统600中的图像源组件610的示例。图像源组件610可以包括例如显示面板640和投射器650，显示面板640可以生成要向用户的眼睛投射的显示图像，投射器650可以如上文关于图4至图5B所述的将显示面板640生成的显示图像投射到波导显示器。显示面板640可以包括光源642和用于光源642的驱动电路644。光源642可以包括例如光源510或540。投射器650可以包括例如上述的自由形式光学元件560、扫描镜570和/或投射光学器件520。近眼显示器系统600还可以包括控制器620，该控制器同步地控制光源642和投射器650(例如，扫描镜570)。图像源组件610可以生成图像光并将其输出到波导显示器(图6中未示出)，例如波导显示器530或580。如上所述，波导显示器可以在一个或多个输入耦合元件处接收图像光，并将所接受的图像光引导至一个或多个输出耦合元件。输入耦合元件和输出耦合元件可以包括例如衍射光栅、全息光栅、棱镜或其任何组合。输入耦合元件可以被选择成使得在波导显示器内发生全内反射。输出耦合元件可以将经全内反射的图像光的多个部分从波导显示器耦出。

如上所述，光源642可以包括以阵列或矩阵布置的多个光发射器。每个光发射器可以发射单色光，例如红光、蓝光、绿光或红外光等。虽然在本公开中经常讨论RGB颜色，但是本文描述的实施例不限于使用红色、绿色和蓝色作为原色。其它颜色也可以用作近眼显示器系统600的原色。在一些实施例中，根据一个实施例的显示面板可以使用三种以上的原色。光源642中的每个像素可以包括三个子像素，该三个子像素包括红色光源、绿色光源和蓝色光源，其中每个光源可以包括例如激光器(例如，VCSEL)、微型LED或谐振腔LED(RCLED)等。在一些实施例中，光源可以包括半导体光源，例如半导体激光器或半导体LED。半导体LED通常包括位于多层半导体材料内的有源发光层。多层半导体材料可以包括不同的化合物材料、或具有不同掺杂剂和/或不同掺杂密度的同一基础材料。例如，多层半导体材料可以包括n型材料层、有源区以及p型材料层，该有源区可以包括多个异质结构(例如，一个或多个量子阱)。多层半导体材料可以生长在具有特定取向的衬底的表面上。在一些实施例中，为了提高光提取效率，可以形成包括多层半导体材料中的至少一些的台面。

控制器620可以控制图像源组件610的图像渲染操作，例如光源642的操作和/或投射器650的操作。例如，控制器620可以确定用于图像源组件610的、渲染一个或多个显示图像的指令。指令可以包括显示指令和扫描指令。在一些实施例中，这些显示指令可以包括图像文件(例如，位图文件)。可以例如从控制台(例如，上文关于图1所述的控制台110)接收显示指令。图像源组件610可以使用这些扫描指令来生成图像光。这些扫描指令可以指定例如图像光的源的类型(例如，单色或多色)、扫描速率、扫描装置的取向、一个或多个照明参数或其任何组合。控制器620可以包括硬件、软件和/或固件的组合，该组合未在这里示出，以免模糊本公开的其它方面。

在一些实施例中，控制器620可以是显示设备的图形处理单元(graphicsprocessing unit，GPU)。在其它实施例中，控制器620可以是其它类型的处理器。由控制器620执行的操作可以包括：获取用于显示的内容并且将该内容划分成离散部分。控制器620可以向光源642提供扫描指令，这些扫描指令包括与光源642的单独源元件相对应的地址和/或施加到单独源元件的电偏压。控制器620可以指示光源642使用与最终向用户显示的图像中的一行或多行像素相对应的光发射器来顺序地呈现离散部分。控制器620还可以指示投射器650对光进行不同的调整。例如，控制器620可以控制投射器650将离散部分扫描到上文关于图5B所述的波导显示器(例如，波导显示器580)的耦合元件的不同区域。这样，在波导显示器的出射光瞳处，各离散部分呈现在各自不同的位置中。虽然各离散部分在各自不同的时间呈现，但是离散部分的呈现和扫描发生地足够快，使得用户的眼睛可以将不同部分整合到单个图像或一系列图像中。

图像处理器630可以是专用于执行本文描述的特征的通用处理器和/或一个或多个专用电路。在一个实施例中，通用处理器可以耦接到存储器以执行软件指令，这些软件指令使该处理器执行本文中所描述的某些过程。在另一个实施例中，图像处理器630可以是专用于执行某些特征的一个或多个电路。虽然图6中的图像处理器630被示出为与控制器620和驱动电路644分开的独立单元，但是在其它实施例中，图像处理器630可以是控制器620的子单元或驱动电路644的子单元。换言之，在这些实施例中，控制器620或驱动电路644可以执行图像处理器630的各种图像处理功能。图像处理器630也可以被称为图像处理电路。

在图6所示的示例中，光源642可以由驱动电路644基于从控制器620或图像处理器630发送的数据或指令(例如，显示指令和扫描指令)来驱动。在一个实施例中，驱动电路644可以包括电路板，该电路板连接到光源642的各种光发射器并且机械地保持这些光发射器。光源642可以根据一个或多个照明参数来发射光，该一个或多个照明参数由控制器620设定并且可能由图像处理器630和驱动电路644进行调整。光源642可以使用照明参数来产生光。照明参数可以包括例如源波长、脉冲速率、脉冲幅度、射束类型(连续式或脉冲式)、可能影响发射光的一个或多个其它参数、或它们的任何组合。在一些实施例中，由光源642产生的源光可以包括多束的红光、绿光和蓝光、或它们的任何组合。

投射器650可以执行一组光学功能，例如使由光源642生成的图像光聚焦、组合由光源642生成的图像光、调节由光源642生成的图像光、或扫描由光源642生成的图像光。在一些实施例中，投射器650可以包括组合组件、光调节组件或扫描镜组件。投射器650可以包括一个或多个光学部件，该一个或多个光学部件光学地调整来自光源642的光，并且可能对来自光源642的光进行重定向。对光进行调整的一个示例可以包括调节光，例如扩展光、准直光、校正一个或多个光学误差(例如，场曲率、色差等)、对光的一些其它调整、或它们的任何组合。投射器650的光学部件可以包括例如透镜、反射镜、光圈、光栅或它们的任何组合。

投射器650可以经由其一个或多个反射部分和/或折射部分使图像光重定向，使得图像光以某些取向朝向波导显示器投射。图像光朝向波导显示器重定向的位置可以取决于一个或多个反射部分和/或折射部分的特定取向。在一些实施例中，投射器650包括在至少两个维度上进行扫描的单个扫描镜。在其它实施例中，投射器650可以包括多个扫描镜，各扫描镜在彼此正交的方向上进行扫描。投射器650可以(水平地或竖直地)执行光栅扫描、双稳态谐振扫描或它们的任何组合。在一些实施例中，投射器650可以沿着水平方向和/或竖直方向以特定振荡频率执行受控振动，以沿着两个维度进行扫描并生成呈现给用户眼睛的媒体的二维投射图像。在其它实施例中，投射器650可以包括透镜或棱镜，该透镜或棱镜可以起到与一个或多个扫描镜类似或相同的功能。在一些实施例中，图像源组件610可以不包括投射器，其中由光源642发射的光可以直接入射在波导显示器上。

(例如，增强现实系统400、NED设备500或NED设备550中的)光子集成电路或基于波导的显示器的总体效率可以是各个部件的效率的乘积，并且还可以取决于这些部件是如何连接的。例如，增强现实系统400中基于波导的显示器的总体效率η_tot可以取决于图像源412的发光效率、通过投射器光学器件414和输入耦合器430从图像源412到组合器415的光耦合效率、以及输出耦合器440的输出耦合效率，因此该总体效率η_tot可以被确定为：

η_tot＝η_EQE×η_in×η_out， (1)

其中，η_EQE是图像源412的外部量子效率，η_in是光从图像源412到波导(例如，衬底420)中的耦入效率，η_out是输出耦合器440将光从波导朝向用户眼睛的耦出效率。因此，可以通过提高η_EQE、η_in和η_out中的一者或多者来提高基于波导的显示器的总体效率η_out。

将来自光源的发射光耦合到波导的光学耦合器(例如，输入耦合器430或耦合器532)可以包括例如光栅、透镜、微透镜和/或棱镜。在一些实施例中，来自小光源(例如，微型LED)的光可以直接(例如，端对端)从光源耦合到波导，而不使用光学耦合器。在一些实施例中，可以在光源上制造光学耦合器(例如，透镜或抛物面形反射器)。

本文描述的可见光源、图像源或其它显示器可以包括一个或多个LED、一个或多个有机LED(OLED)、一个或多个VCSEL或一个或多个RCLED等。通常期望可见光源具有小像素尺寸、高亮度、高动态范围、可控制的发射方向、可单独寻址、大色域覆盖和制造可扩展性。LED和OLED在亮度方面可能有基本限制。

VCSEL通常包括位于形成激光谐振器的激光腔中的发光有源区。发光有源区可以包括在适当偏置时发射光子的多个量子阱(QW)。这些光子可以被一对反射镜(例如，分布式布拉格反射(distributed Bragg reflection，DBR)镜或高对比度光栅(high-contrastgrating，HCG)反射镜)限制在激光腔内。在一些实施例中，一个DBR镜可以是n掺杂的，而另一个DBR镜可以是p掺杂的。在一些实施例中，可以在激光腔中使用p-掺杂层和n-掺杂层，并且发光有源区可以位于p掺杂层与n掺杂层之间。VCSEL可以基于各种材料。例如，波长从大约650nm到大约1300nm的VCSEL可以基于具有DBR的砷化镓(GaAs)晶片，该具有DBR的砷化镓晶片由交错的GaAs层和砷化铝镓(AlGaAs)层形成。在GaAs/A1GaAs VCSEL中，材料的晶格常数不随成分的变化而显著变化，从而允许在一GaAs衬底上生长多个晶格匹配的外延层。AlGaAs基DBR具有接近100％的反射率，这可以有效地限制激光腔内的光子。AlGaAs的折射率可以随着Al含量的增加而变化，从而使用于形成高反射率的DBR镜的层数最小化。掺杂有p型或n型杂质的AlGaAs基DBR也可以作为电流路径。选择性地氧化与QW相邻的AlGaAs层可以横向限制光子和载流子。

图7A示出了VCSEL 700的示例。VCSEL 700可以包括衬底710，例如GaAs衬底或GaN衬底。在所示的示例中，可在衬底710上形成(例如，外延生长)可选的块状(bulk)DBR 720。块状DBR 720可以包括具有不同折射率的不同材料的多个交错层，例如多对AlGaAs/GaAs层或AlAs/GaAs层，并且因此可以在不同材料层之间的界面处反射光以实现高的总体反射率。底部DBR 730可以形成在块状DBR 720上，或者可以是块状DBR 720的一部分。底部DBR 730可以类似地包括具有不同折射率的不同材料的多个交错层。VCSEL 700还可以包括包覆层740、有源区750和包覆层760，其中包覆层740和包覆层760可以是p掺杂或n掺杂的，并且可以将载流子注入到有源区750中。有源区750可以包括一个或多个量子阱或量子点以及QW势垒层。载流子可以在有源区750中重新组合以发射光子。顶部DBR 770可以形成在包覆层760上，并且可以类似于底部DBR 730。顶部DBR 770和底部DBR 730(以及块状DBR 720)可以形成可以限制光子的平面平行激光腔。可以竖直地刻蚀顶部DBR 770、包覆层760、有源区750、包覆层740和底部DBR 730，以在块状DBR 720和衬底710上形成期望尺寸的具有期望间距的各个VCSEL。

VCSEL 700可以具有小于约100μm、50μm、30μm、20μm或10μm的线性尺寸。例如，在一些实施例中，平行激光腔可以具有大约10μm的长度。在图7A中所示的示例中，底部DBR 730和块状DBR 720相结合可以具有接近100％的反射率，以反射几乎所有入射光子。顶部DBR770可以具有小于100％的反射率，使得发射的光子的一部分可以通过顶部DBR 770从激光腔中传输出来。VCSEL 700可以发射具有高效率和高功率(例如，从大约1mW到大约10mW或更高)的红外光。

图7B示出了根据某些实施例的可调谐VCSEL 705的示例。可调谐VCSEL 705中的竖直腔可以由第一反射器724和第二反射器752形成，其中第一反射器724和第二反射器752可以对IR光具有高反射率(例如，>80％、>85％、>90％、>95％、>99％或更高)，而第二反射器752可以对可见光具有低反射率或对可见光具有抗反射性。

可调谐VCSEL 705可以包括驱动电路712，该驱动电路可以通过例如裸片到晶片结合或晶片到晶片结合直接或间接(例如，通过中介层或薄膜晶体管层)结合到VCSEL 722。驱动电路712可以包括例如参考图6所述的形成在硅衬底上的各种电路。驱动电路712可以结合到VCSEL 722的电极以驱动VCSEL 722以产生具有足够长持续时间的连续波(continuous-wave，CW)或脉冲IR光。由VCSEL 722发射的IR光的强度以及由此来自可调谐VCSEL 705的可见光的强度可以由驱动电路712提供给VCSEL 722的驱动电流或电压来控制。

VCSEL 722可以包括第一电极732(例如，阳极或阴极)、第二电极734以及形成在第一电极732与第二电极734之间的半导体结构(例如，外延层)。半导体结构可以包括例如第一反射器724、可以发射IR光的有源区726、以及其它半导体层(图7B中未标出)，例如如上文关于图7所述的可以是p掺杂或n掺杂的包覆层或载流子注入层。

第一反射器724和第二反射器752可以各自包括DBR反射器，该DBR反射器由具有不同折射率和/或厚度的多对介电层、半导体层或金属材料层(掺杂或非掺杂)(例如，GaAs和AlAs(或AlGaAs)层或氧化物层(例如，硅氧化物和另一氧化物层)等)形成。在一些实施例中，第一反射器724或第二反射器752中的至少一者可以包括高对比度光栅(HCG)，该高对比度光栅可以包括由具有大折射率对比度的材料制成的亚波长光栅层。HCG可以具有高反射率的宽带宽，并且可以用作可调谐反射镜。例如，有源区726可以包括InGaAs量子阱层和GaAs势垒层、InAlGaAs量子阱层或AlGaAs势垒层等。

在所示的示例中，可调谐VCSEL 705包括位于由第一反射器724和第二反射器752形成的可调谐竖直腔中的微机电系统(MEMS)设备762，其中第二反射器752可以形成在MEMS设备762上，因此可以由MEMS设备762移动。在一些实施例中，可以使用其它微致动器或纳米致动器(例如，微电机、压电致动器、铁电致动器、磁致动器或超声波致动器等)来移动第二反射器752。由VCSEL 722发射并在由第一反射器724和第二反射器752形成的竖直腔内振荡的光可以通过使用MEMS设备762或另一个致动器来调谐第二反射器752的位置来连续地调谐，以调谐光路长度，从而调谐竖直腔的谐振波长。

如上所述，基于III-V族半导体(例如，InGaN或AlGaAs)的激光器的光谱覆盖范围可能受到可用增益介质的属性(例如，带隙)的限制。制造某些颜色(例如，绿色)和具有高效率的VCSEL可能非常困难。在同一芯片或晶片上制造多种颜色的可见光激光光源可能更具挑战性。此外，当前的可见光源通常可能具有大尺寸，因此可能不适用于可单独寻址的高密度可见光源阵列。III-V族半导体器件与光子集成电路(PIC)的集成可能会给制造带来额外的挑战。

根据某些实施例，某些非线性增益介质的非线性效应可以用于使用来自VCSEL的IR泵浦光在宽光谱范围内产生可见光。在一个示例中，可见半导体光源可以包括VCSEL，该VCSEL可以高效率地发射近红外(NIR)或其它红外(IR)波段的光。可见半导体光源还可以包括微谐振器，该微谐振器包括三阶非线性材料，并且因此可以使用由微谐振器的非线性光学效应(例如，三阶非线性效应x⁽³⁾)引起的简并四波混频(也称为三阶光学参量振荡(OPO))将IR光转换为可见光。

四波混频是由x⁽³⁾系数描述的三阶光学非线性(克尔(Kerr)效应)引起的非线性效应。当具有两个频率分量v₁和v₂的光在包括三阶非线性介质的光波导中一起传播时，可以发生四波混频。由三阶非线性效应引起的折射率调制可以导致具有两个附加频率分量v₃和v₄的光的产生，其中v₄＝v₁+v₂-v₃，并且具有频率v₃和v₄的光可以在非线性介质中经历参量放大。这一过程可称为非简并四波混频。当四个频率的两个频率分量v₁和v₂重合时，可能发生简并四波混频(DFWM)，其中单频泵浦波(例如，具有频率v_p)可以导致信号波(具有频率v_s)和闲波(具有频率v_i)的产生和放大，并且其中可以满足频率相位匹配条件2v_p＝v_s+v_i。信号波和闲波通常可以具有不同的频率。

图8A和图8B示出了通过简并四波混频使用较低频率泵浦光来产生较高频率光信号的示例。可以将具有频率v_p的两个泵浦光子810相加以产生虚拟激发态815，该虚拟激发态815可以用于产生分别具有频率v_s和v_i的一对光子820和830。由于能量守恒，光子820和光子830的频率v_s和v_i可以相对于如图8B所示的泵浦光子810(即，|v_s-v_p|＝|v_p-v_i|)的频率v_p对称。

四波混频是一个相位敏感的过程。如果满足相长干涉的相位匹配条件(其可能受色散和/或非线性相位偏移的影响)，则其效应可以在更长的距离上累积(例如，通过环形谐振器中的许多环路)。环形谐振器可以包括耦接到输入耦合器和/或输出耦合器的闭环波导。当环形谐振器的谐振波长的光通过闭环波导传播时，由于环路之间的相长干涉，其强度在多次往返过程中增强。只有几个波长的光才能在闭环波导内谐振。环形谐振器的光程长度可以是2πr×n_eff，其中r是环形谐振器的半径，并且n_eff是环形谐振器的有效折射率。为了满足相长干涉的谐振条件，环(环路)的光程长度可以是谐振光波长的整数倍：m×λ_m＝2πr×n_eff，其中λ_m是环形谐振器的谐振波长，m是环形谐振器的模数(正整数)。可以通过改变环形谐振器的有效折射率n_eff和/或通过改变泵浦光的波长来调谐谐振频率或波长。

图8C示出了微谐振器(例如，环形谐振器)的示例的多个纵向谐振模式。图8C示出了三个纵向谐振模式m-1、m和m+1。一个纵向模式的透射光谱的全宽半幅(full-widthhalf-magnitude，FWHM)为δv，两个相邻模式的频率之差为自由光谱范围v_fsr。微谐振器的品质因子Q和精细度F可以用下式描述：

以及

其中λ是工作波长。品质因子可以用于确定给定环形谐振器的谐振条件的光谱范围，也可用于量化谐振器中的往返损耗量。低Q因子可能是由于损耗过大造成的。精细度F还可以与谐振器损耗有关，并且因此可以指示往返谐振器损耗。

OPO是光学谐振器(例如，谐振光学腔)内的光学参量放大(optical parametricamplification，OPA)。例如，在环形谐振器中，OPO是一种腔增强型DFWM，其中所有三个光波(泵浦波、信号波和闲波)都满足同一腔的谐振条件，因此可以在环形谐振器中谐振，以通过谐振增强型场强建立来极大地增强非线性转换。因此，泵浦波的频率可以被限制在由环形谐振器在泵浦波长下的光路长度确定的一组纵向谐振模式。类似地，信号波的频率可以被限制在由环形谐振器在信号波长下的光路长度确定的一组纵向谐振模式，并且闲波的频率可以被限制在由环形谐振器在闲波长下的光路长度确定的一组纵向谐振模式。使用低损耗光学谐振器(例如，环形谐振器)，可以在具有紧凑占用面积(例如，对于诸如SiC等某些高折射率材料具有<10μm的半径)的谐振器内显著提高(>10％)非线性转换效率。由于产生的信号波的波长(颜色)可以由腔的光路长度控制以满足谐振条件，所以谐振光学腔(例如，环形谐振器)可以被设计成在产生可见范围内任何颜色的光。

根据某些实施例，用于谐振光学腔(例如，微谐振器)中的DFWM的泵浦光可以是由VCSEL产生的IR光，其中微谐振器可以分别以腔内配置或腔外配置位于VCSEL腔内或外。由VCSEL发射的IR光可以直接耦入到微谐振器中，或者通过耦合结构(例如，光栅耦合器)耦入到微谐振器中。在一些实施例中，由VCSEL发射的IR光可以通过VCSEL腔内或外的耦合结构(例如，光栅耦合器或纳米谐振器)耦入到波导中，然后可以从波导耦入到微谐振器中。在一些实施例中，光栅耦合器可以包括切趾的、啁啾的和/或倾斜的光栅，以实现期望的耦合方向和期望的耦合效率。在一些实施例中，可见光源可以包括以腔外或腔内配置的多个耦合结构。

微谐振器可以包括低损耗结构，其中光在被吸收、散射或转换之前可以传播很长时间。如上所述，通过OPO工艺产生的光的颜色可以由微谐振器的几何形状和材料(从而由有效折射率)来控制。根据某些实施例，微谐振器可以包括例如如上所述的微环谐振器、光子晶点缺陷腔、光子晶体环(线缺陷)腔、等离子体谐振器或基于波导光栅的谐振器等。例如，当在光子晶体中产生点缺陷时，该缺陷可能会将光模式拉入带隙并捕捉光模式(形成谐振腔)，因为这样的状态被禁止在块状晶体中传播，并且谐振腔中在谐振频率下的状态密度可以非常高以实现高效率。例如，可以通过省略光子晶体平板中的多个孔来形成光子晶体线缺陷腔。

根据某些实施例，由微谐振器的谐振腔中的简并四波混频产生的可见光可以通过侧耦合从微谐振器耦出到PIC的波导中，或者可以由耦合结构(例如，光栅耦合器)通过竖直耦合从微谐振器耦出进入到自由空间。在一些实施例中，光栅耦合器可以包括切趾的、啁啾的和/或倾斜的光栅，以实现期望的耦合方向和高耦合效率。

图9A示出了根据某些实施例的包括耦合结构920的结构900的示例的截面图，该耦合结构920被配置成将在光学谐振器910中产生的光从光学谐振器910竖直耦出。图9B示出了根据某些实施例的图9A的结构900的示例的俯视图。在所示的示例中，光学谐振器910可以包括微环谐振器。在一些实施例中，光学谐振器910可以具有不同于环形的形状，例如椭圆形状、跑道形状、螺旋形状(例如，阿基米德螺旋形状)或另一闭合环。光学谐振器910可以包括具有三阶非线性的低损耗材料。在一些实施例中，为了减小光学谐振器910的占用面积，光学谐振器910可以包括诸如SiN或SiC等高折射率材料。耦合结构920可以包括形成在光学谐振器910上的光栅耦合器，其中，该光栅耦合器可以沿着光学谐振器910的内周、在光学谐振器910的顶部或底部、沿着光学谐振器910的外周、或上述位置的任何组合。该光栅耦合器可以包括倾斜的光栅，该倾斜的光栅具有包括在z方向上的分量的光栅向量，使得在光学谐振器910中在x-y平面上的环中传播的光可以由该光栅耦合器从光学谐振器910竖直耦出。

图9C示出了根据某些实施例的结构902的示例的俯视图，结构902被配置成将在光学谐振器930中产生的光耦入到输出波导950中。在图9C中所示的示例中，来自VCSEL的IR泵浦光可以从泵浦波导940耦入到光学谐振器930中，并且所产生的可见光(例如，信号波)可以耦入到输出波导950中。闲波可以耦入到泵浦波导940或输出波导950中。在一些实施例中，可以使用波分解复用器来分离信号波和闲波。

图9D示出了根据某些实施例的结构904的示例的俯视图，结构904被配置成将在光学谐振器中产生的光耦入到波导980中。在所示的示例中，来自VCSEL的IR泵浦光可以至少部分地从波导980耦入到光学谐振器960中，并且所产生的可见光(例如，信号波)可以被耦入回波导980中。闲波可以耦入到波导980或另一波导970中。在一些实施例中，波分解复用器可用于分离波导980中的信号波和未耦合的泵浦波。在一些实施例中，未耦合的泵浦波可以返回到波导980中，并且耦入到光学谐振器960中。

图10A示出了根据某些实施例的可见光源1000的示例，可见光源1000包括微谐振器1040，该微谐振器1040位于竖直腔中并且由竖直腔中的红外光VCSEL 1020直接泵浦，其中微谐振器1040中产生的可见光从竖直腔竖直耦出。图10B示出了图10A的可见光源1000的示例的俯视图。可见光源1000中的竖直腔可以由第一反射器1022和第二反射器1050形成，其中第一反射器1022和第二反射器1050可以对IR光具有高反射率(例如，>805、>85％、>90％、>95％、>99％或更高)，而第二反射器1050可以对可见光具有低反射率或对可见光具有抗反射性。

可见光源1000可以包括驱动电路1010，驱动电路1010可以通过例如裸片到晶片结合或晶片到晶片结合直接或间接(例如，通过中介层或薄膜晶体管层)结合到VCSEL 1020。驱动电路1010可以包括以上例如关于图6所述形成在硅衬底上的各种电路。驱动电路1010可以结合到VCSEL 1020的电极，以驱动VCSEL 1020产生具有足够长持续时间的连续波(CW)或脉冲IR光。由VCSEL 1020发射的IR光的强度以及由此来自可见光源1000的可见光的强度可以由驱动电路1010提供给VCSEL 1020的驱动电流或电压来控制。

VCSEL 1020可以包括第一电极1030(例如，阳极或阴极)、第二电极1032以及形成在第一电极1030与第二电极1032之间的半导体结构(例如，外延层)。半导体结构可以包括例如第一反射器1022、可以发射IR光的有源区1024、以及其它半导体层(图10A中未标出)，例如上文关于图7所述的可以是p掺杂或n掺杂的包覆层或载流子注入层。第一反射器1022可以包括例如参考图7所述的高对比度光栅(HCG)，或由具有不同折射率和/或厚度的多对介电层、半导体层或金属材料层(掺杂或非掺杂)(例如，GaAs和AlAs(或AlGaAs)层或氧化物层(例如，硅氧化物和另一氧化物层)等)形成的DBR反射器。有源区1024可以包括例如InGaAs量子阱层和GaAs势垒层、InAlGaAs量子阱层和AlGaAs势垒层等。

在一些实施例中，VCSEL 1020可以包括用于IR光的部分反射器1026，其中该部分反射器可以部分反射和部分透射在有源区1024中发射的IR光，以与第一反射器1022形成用于VCSEL 1020的谐振腔。由部分反射器1026和第一反射器1022形成的谐振腔可以帮助缩小和选择IR光的输出波长范围，并提高发射的IR光的增益和强度。在一些实施例中，VCSEL1020可以包括偏振器1028。偏振器1028可以用于控制由VCSEL 1020发射的IR光的偏振态，并通过例如可以是偏振相关的光栅耦合器或纳米谐振器(例如，元结构)来提高IR光到微谐振器1040中的耦合效率。在一些实施例中，诸如波片、空间可变偏振器或空间可变波片等其它偏振部件可替代地用于控制由VCSEL 1020发射的IR光的偏振态。

由VCSEL 1020发射的IR光可以直接耦入到微谐振器1040中或通过耦合结构(例如，倾斜的光栅或纳米谐振器)耦入到微谐振器1040中。如上所述，微谐振器1040可以包括具有任何合适形状(例如，环形、椭圆形、螺旋形或跑道形状)并且具有低损耗的闭环波导，使得光子在被吸收、散射或转换之前可以在闭环波导中传播很长一段时间(例如，大约一千个或更多个环路)。该波导材料可以具有三阶非线性，使得OPO(例如，DFWM)工艺可以在闭环波导中发生。可以选择微谐振器1040的材料和几何形状，使得耦入到微谐振器1040中的IR光和由DFWM工艺产生的可见光(信号波)和闲波可以在微谐振器1040中谐振，这可以增强DFWM工艺。在一些实施例中，微谐振器1040可以包括具有高折射率的材料，使得可以减小微谐振器1040的物理尺寸，同时实现闭环波导的期望光路长度。VCSEL 1020和微谐振器1040可以被介电材料1060包围，介电材料1060可以包括氧化物(例如，二氧化硅)或聚合物材料。在一些实施例中，可见光源1000可以包括竖直布置并被配置成产生相同颜色的可见光的两个或更多个微谐振器。

通过DFWM工艺在微谐振器1040中产生的可见光可以通过耦合结构1042从微谐振器1040竖直耦出，耦合结构1042可以包括上文例如关于图9A和图9B所述的光栅或纳米谐振器。由于第二反射器1050可以如上所述对可见光是抗反射的，所以从微谐振器1040耦出的可见光可以由第二反射器1050透射而损耗很小或没有损耗。第一反射器1022、第二反射器1050可以包括例如HCG或由具有交替折射率的多个介电层、半导体层或金属材料层形成的DBR结构。可以选择DBR结构中的介电层、半导体层或金属材料层的厚度和折射率，使得在不同材料之间的相邻界面处反射的IR光可以相长地干涉以增加第二反射器1050对IR光的总体反射率，而在不同材料之间的相邻界面处反射的可见光可以相消地干涉以降低第二反射器1050对可见光的总体反射率。因此，由VCSEL 1020发射且未耦入到微谐振器1040中的IR光可以由第二反射器1050和/或第一反射器1022反射回微谐振器1040，并且可以至少部分耦入到微谐振器1040中，以提高将IR光耦入到微谐振器1040中的效率，从而提高可见光源1000的效率。微谐振器1040、耦合结构1042和第二反射器1050可以在将VCSEL 1020结合到驱动电路1010之前或之后形成。

图11A示出了根据某些实施例的可见光源1100的示例，可见光源1100包括微谐振器1150，该微谐振器1150位于竖直腔外部并且由红外光VCSEL 1120直接泵浦。图11B示出了图11A的可见光源1100的示例的俯视图。可见光源1100可以包括驱动电路1110，该驱动电路可以通过例如裸片到晶片结合或晶片到晶片结合直接或间接(例如，通过中介层或薄膜晶体管层)结合到VCSEL 1120。驱动电路1110可以包括例如关于图6所述的形成在硅衬底上的各种电路。驱动电路1110可以结合到VCSEL 1120的电极，以驱动VCSEL 1120产生具有足够长持续时间和期望强度的连续波(CW)或脉冲IR光。由VCSEL 1120发射的IR光的强度以及由此来自可见光源1100的可见光的强度可以由驱动电路1110提供给VCSEL 1120的驱动电流或电压来控制。

VCSEL 1120可以包括第一电极1140(例如，阳极或阴极)、第二电极1142以及形成在第一电极1140与第二电极1142之间的半导体结构(例如，外延层)。半导体结构可以包括例如第一反射器1122、可以发射IR光的有源区1124、以及其它半导体层(图11A中未标出)，例如如上文关于图7所述的可以是p掺杂或n掺杂的包覆层或载流子注入层。第一反射器1122可以包括例如HCG或DBR反射器，该DBR反射器由具有不同折射率和厚度的多对介电层、半导体层或金属材料层(掺杂或非掺杂)(例如，GaAs和AlAs(或AlGaAs)层、或氧化物层(例如，硅氧化物和另一氧化物层)等)形成。第一反射器1122可以对IR光具有高反射率(例如，>80％、>85％、>90％、>95％、>99％或更高)。例如，有源区1124可以包括InGaAs量子阱层和GaAs势垒层、InAlGaAs量子阱层和AlGaAs势垒层等。VCSEL 1120还可以包括第二反射器1130，该第二反射器可以是部分反射器，该部分反射器被配置成反射由有源区1124发射的IR光的一部分，同时透射由有源区1124发射的IR光的一部分。第二反射器1130可以包括例如HCG或由导电材料(例如，GaAs和AlAs(或AlGaAs))形成的DBR结构。第一反射器1122和第二反射器1130可以在可见光源1100中形成竖直腔。竖直腔可以有助于缩小和选择IR光的输出波长范围，并提高发射的IR光的增益和强度。在一些实施例中，VCSEL 1120可以包括上文关于图10A所述的偏振器(图11A中未示出)。该偏振器可以用于控制由VCSEL 1120发射的IR光的偏振模式，并通过例如可以是偏振相关的光栅耦合器或纳米谐振器(例如，元结构)来提高IR光到微谐振器1150中的耦合效率。

由VCSEL 1120发射的IR光可以直接耦入到微谐振器1150中或通过耦合结构耦入到微谐振器1150中，所述耦合结构例如是倾斜的光栅或纳米谐振器。如上所述，微谐振器1150可以包括具有任何合适形状(例如，环形、椭圆形、螺旋形、跑道形状)并且具有低损耗的闭环波导，使得光子在被吸收、散射或转换之前可以在闭环波导中传播很长一段时间(例如，大约1000个或更多个环路)。该波导材料可以具有三阶非线性，使得OPO(例如，DFWM)工艺可以在闭环波导中发生。可以选择微谐振器1150的尺寸和材料，使得耦入到微谐振器1150中的IR光和由DFWM工艺产生的可见光(信号波)和闲波可以在微谐振器1150中谐振，这可以增强DFWM工艺。在一些实施例中，微谐振器1150可以包括具有高折射率的材料(例如，SiN、SiC等)，从而可以减小微谐振器1150的物理尺寸，同时实现闭环波导的期望光路长度。VCSEL 1120和微谐振器1150可以被介电材料1160包围，所述介电材料可以包括诸如硅氧化物之类的氧化物。

通过DFWM工艺在微谐振器1150中产生的可见光可以通过耦合结构1152从微谐振器1150竖直耦出，该耦合结构可以包括上文例如关于图9A和图9B所述的光栅或纳米谐振器。从微谐振器1150耦出的可见光可以从可见光源1100竖直耦出。微谐振器1150和耦合结构1152可以在将VCSEL 1120结合到驱动电路1110之前或之后形成。在一些实施例中，微谐振器1150中产生的可见光可以耦合到关于图9C和图9D所述的波导。

在一些实施例中，可以在微谐振器1150和耦合结构1152的顶部形成反馈腔结构(反射IR光并透射可见光的DBR结构或热镜)，以将尚未耦入到微谐振器1150中的IR光重定向返回到微谐振器1150，以提高将IR泵浦光耦入到微谐振器1150中的效率以及可见光源1100的效率。

图12A示出了根据某些实施例的包括由红外光VCSEL 1220泵浦的微谐振器1260的可见光源1200的示例，其中红外光通过输入耦合结构以及与微谐振器1260处于同一层上的波导耦入到微谐振器中。图12B示出了图12A的可见光源1200的示例的俯视图。可见光源1200可以包括驱动电路1210，该驱动电路可以通过例如裸片到晶片结合或晶片到晶片结合直接或间接地(例如，通过中介层或薄膜晶体管层)结合到VCSEL 1220。驱动电路1210可以包括上文例如关于图6所述的形成在硅衬底上的各种电路。驱动电路1210可以结合到VCSEL1220的电极，以驱动VCSEL 1220产生具有足够长持续时间和期望强度的连续波(CW)或脉冲IR光。由VCSEL 1220发射的IR光的强度以及由此来自可见光源1200的可见光的强度可以由驱动电路1210提供给VCSEL 1220的驱动电流或电压来控制。

VCSEL 1220可以类似于VCSEL 1120，并且可以包括第一电极1240(例如，阳极或阴极)、第二电极1242以及形成在第一电极1240与第二电极1242之间的半导体结构(例如，外延层)。半导体结构可以包括例如第一反射器1222、可以发射IR光的有源区1224、以及其它半导体层(图12A中未标出)，例如如上文关于图7所述的可以是p掺杂或n掺杂的包覆层或载流子注入层。第一反射器1222可以包括例如HCG或DBR反射器，该DBR反射器由多对具有不同折射率和厚度的介电材料或掺杂或非掺杂半导体材料(例如，GaAs和AlAs(或AlGaAs)层、或氧化物层(例如，硅氧化物和另一氧化物层)等)形成。第一反射器1222可以对IR光具有高反射率(例如，>80％、>85％、>90％、>95％、>99％或更高)。有源区1224可以包括例如InGaAs量子阱层和GaAs势垒层、InAlGaAs量子阱层和AlGaAs势垒层等。VCSEL 1220还可以包括第二反射器1230，该第二反射器以是部分反射器，该部分反射器被配置成反射由有源区1224发射的IR光的一部分，同时透射由有源区1224发射的IR光的一部分。第二反射器1230可以包括例如HCG或由导电材料(例如，掺杂或非掺杂的GaAs和AlAs(或AlGaAs))形成的DBR结构。第一反射器1222和第二反射器1230可以在可见光源1200中形成竖直腔。竖直腔可以帮助选择IR光的输出波长范围，并提高所发射的IR光的增益和强度。在一些实施例中，VCSEL 1220可以包括上文关于图10A所述的偏振元件(例如，图12A中未示出的偏振器、波片、空间可变偏振器或空间可变波片)。该偏振器可以用于控制VCSEL 1220发射的IR光的偏振模式，并通过例如可以是偏振相关的光栅耦合器或纳米谐振器(例如，元结构)来提高IR光到微谐振器1260中的耦合效率。

由VCSEL 1220发射的IR光可以直接耦入到波导1250中或通过耦合结构1252(其可以位于波导1250的上方或下方)耦入到波导1250中，耦合结构1252例如为倾斜的光栅或纳米谐振器。在波导1250中传播的IR光可以耦入到微谐振器1260中。在所示的示例中，波导1250和微谐振器1260可以位于相同的波导材料层(例如，SiN或SiC层)上。如上所述，微谐振器1260可以包括具有任何合适形状(例如，环形、椭圆形、螺旋形、跑道形状)并且具有低损耗的闭环波导，使得光子在被吸收、散射或转换之前可以在闭环波导中传播很长一段时间(例如，大约1000个或更多个环路)。该波导材料可以具有三阶非线性，使得OPO(例如，DFWM)工艺可以在闭环波导中发生。可以选择微谐振器1260的几何形状和材料，使得耦入到微谐振器1260中的IR光和由DFWM工艺产生的可见光(信号波)和闲波可以在微谐振器1260中谐振，这可以增强DFWM工艺。在一些实施例中，微谐振器1260可以包括具有高折射率的材料(例如，SiN、SiC等)，从而可以减小微谐振器1260的物理尺寸，同时实现闭环波导的期望光路长度。VCSEL 1220、波导1250和微谐振器1260可以被介电材料1270包围，所述介电材料可以包括诸如硅氧化物之类的氧化物。

在一些实施例中，通过DFWM工艺在微谐振器1260中产生的可见光可以通过耦合结构(例如，上述的光栅或纳米谐振器)从微谐振器1260竖直耦出。从微谐振器1260耦出的可见光可以从可见光源1200竖直耦出进入到自由空间。在一些实施例中，在微谐振器1260中产生的可见光可以耦合到波导(例如，波导1250或与微谐振器1260紧密耦接的另一波导)和如关于图9C和图9D所述的光子集成电路。

在一些实施例中，可以在波导1250和耦合结构1252的顶部形成反馈腔结构(反射IR光并透射可见光的DBR结构或热镜)，以将尚未耦入到波导1250中的IR光重定向返回到波导1250，以提高将IR泵浦光耦入到波导1250中的效率以及可见光源1200的效率。

图12C示出了根据某些实施例的包括由红外光VCSEL 1220泵浦的微谐振器1262的可见光源1202的示例，其中红外光通过耦合结构1252和与微谐振器1262位于不同的竖直层上的波导1250耦入到微谐振器1262中。图12D示出了图12C的可见光源1202的示例的俯视图。可见光源1202可以类似于可见光源1200，但是不同的是，例如，在可见光源1202中，微谐振器1262和波导1250位于不同的波导层上。在所示的示例中，微谐振器1262可以位于波导1250的上方。在一些实施例中，微谐振器1262可以位于波导1250的下方。即使图12C和图12D未示出，可见光源1202可以包括耦合结构(例如，光栅或纳米谐振器)，该耦合结构被配置成将微谐振器1262中产生的可见光从微谐振器1262竖直耦出，或者可见光源1202可以包括这样的波导：该波导紧密耦接到微谐振器1262并且被配置成将微谐振器1262中产生的可见光耦入到光子集成电路中。

图13A示出了根据某些实施例的可见光源1300的又一示例，该可见光源包括由竖直腔中的红外光VCSEL 1320泵浦的微谐振器1370，其中红外光通过竖直腔中的输入耦合结构1352和与微谐振器1370位于同一竖直层上的波导1350耦入到微谐振器1370中。图13B示出了图13A的可见光源1300的示例的俯视图。可见光源1300中的竖直腔可以由第一反射器1322和第二反射器1330形成，其中第一反射器1322和第二反射器1330可以对于红外光具有高反射率(例如，>80％、>85％、>90％、>95％、>99％或更高)。

可见光源1300可以包括驱动电路1310，该驱动电路可以通过例如裸片到晶片结合或晶片到晶片结合直接或间接地(例如，通过中介层或薄膜晶体管层)结合到VCSEL 1320。驱动电路1310可以包括例如如上文关于图6所述的形成在硅衬底上的各种电路。驱动电路1310可以结合到VCSEL 1320的电极，以驱动VCSEL 1320产生具有足够长持续时间和期望强度的连续波(CW)或脉冲IR光。由VCSEL 1320发射的IR光的强度以及由此来自可见光源1300的可见光的强度可以由驱动电路1310提供给VCSEL 1320的驱动电流或电压来控制。

VCSEL 1320可以包括第一电极1340(例如，阳极或阴极)、第二电极1342以及形成在第一电极1340与第二电极1342之间的半导体结构(例如，外延层)。半导体结构可以包括例如第一反射器1322、可以发射IR光的有源区1324、以及其它半导体层(图13A中未标出)，例如如上文关于图7所述的可以是p掺杂或n掺杂的包覆层或载流子注入层。第一反射器1322可以包括例如HCG或DBR反射器，该DBR反射器由具有不同折射率和厚度的多对介电层、半导体层或金属材料层(掺杂或非掺杂)(例如，GaAs和AlAs(或AlGaAs)层、或氧化物层(例如，硅氧化物和另一氧化物层)等)形成。例如，有源区1324可以包括InGaAs量子阱层和GaAs势垒层、InAlGaAs量子阱层和AlGaAs势垒层等。

在一些实施例中，VCSEL 1320可以包括用于IR光的部分反射器1326，其中该部分反射器可以部分反射和部分透射在有源区1324中发射的IR光，以与第一反射器1322形成用于VCSEL 1320的谐振腔。由部分反射器1326和第一反射器1322形成的谐振腔可以帮助缩小和选择IR光的输出波长范围，并提高所发射的IR光的增益和强度。在一些实施例中，VCSEL1320可以包括偏振器1328。偏振器1328可以用于控制由VCSEL 1320发射的IR光的偏振模式，并通过输入耦合结构1352(例如，光栅耦合器或纳米谐振器)来提高IR光到波导1350中的耦合效率，所述输入耦合结构1352可以是偏振相关的。在一些实施例中，诸如波片、空间可变偏振器或空间可变波片等其它偏振部件可替代地用于控制由VCSEL 1320发射的IR光的偏振态。

由VCSEL 1320发射的IR光可以通过输入耦合结构1352(例如，倾斜的光栅或纳米结构(例如，元结构))耦入到波导1350中。在波导1350中传播的IR光可以耦入到微谐振器1370中。在所示的示例中，波导1350和微谐振器1370可以位于相同的波导材料层(例如，SiN或SiC层)上。如上所述，微谐振器1370可以包括具有任何合适形状(例如，环形、椭圆形、螺旋形、跑道形状)并且具有低损耗的闭环波导，使得光子在被吸收、散射或转换之前可以在闭环波导中传播很长一段时间(例如，大约一百万个或更多个环路)。该波导材料可以具有三阶非线性，使得OPO(例如，DFWM)工艺可以在闭环波导中发生。可以选择微谐振器1370的尺寸和材料，使得耦入到微谐振器1370中的IR光以及由DFWM工艺产生的可见光(信号波)和闲波可以在微谐振器1370中谐振，这可以增强DFWM工艺。在一些实施例中，微谐振器1370可以包括具有高折射率的材料(例如，SiN或SiC等)，使得微谐振器1370的物理尺寸可以减小，同时仍然实现闭环波导的期望光路长度。VCSEL 1320、波导1350和微谐振器1370可以被介电材料1360包围，介电材料1360可以包括诸如硅氧化物之类的氧化物。

在一些实施例中，通过DFWM工艺在微谐振器1370中产生的可见光可以通过耦合结构(例如，上述的光栅或纳米谐振器)从微谐振器1370竖直耦出。从微谐振器1370耦出的可见光可以从可见光源1300竖直耦出。在一些实施例中，在微谐振器1370中产生的可见光可以耦入到波导(例如，波导1350或与微谐振器1370紧密耦接的另一波导)以及如关于图9C和图9D所述的光子集成电路。

如第一反射器1322一样，第二反射器1330可以包括例如HCG或由具有交替折射率的多个介电层、半导体层或金属材料层形成的DBR结构。可以选择DBR结构中的介电层、半导体层或金属材料层的厚度和折射率，使得在不同材料之间的相邻界面处反射的IR光可以相长地干涉以增加第二反射器1330对IR光的总体反射率。这样，由VCSEL 1320发射但尚未耦入到波导1350中的IR光可以被第二反射器1330和/或第一反射器1322反射回到波导1350，并且可以至少部分耦入到波导1350中，以提高将IR泵浦光耦入到微谐振器1370中的效率以及可见光源1300的效率。

图13C示出了根据某些实施例的可见光源1302的示例，该可见光源包括由红外光VCSEL 1320泵浦的微谐振器1372，其中由红外光VCSEL 1320发射的红外光通过竖直腔中的输入耦合结构1352和与微谐振器1372位于不同的竖直层上的波导1350耦入到微谐振器1372中。图13D示出了图13C的可见光源1302的示例的俯视图。可见光源1302可以类似于可见光源1300，但是不同的是，例如，在可见光源1302中，微谐振器1372和波导1350位于不同的波导层上。在所示的示例中，微谐振器1372可以位于波导1350的上方。在一些实施例中，微谐振器1372可以位于波导1350下方。即使未在图13C和图13D示出，但是可见光源1302可以包括耦合结构(例如，光栅或纳米谐振器)，该耦合结构被配置成将微谐振器1372中产生的可见光从微谐振器1372竖直耦出，或者可见光源1302可以包括这样的波导：该波导紧密地耦接到微谐振器1372并且被配置成将微谐振器1372中产生的可见光耦入到光子集成电路中。

在彩色图像显示系统中，可能希望将多种颜色的可见光源集成在同一芯片上。为了提高所显示图像的分辨率，还可能希望使用具有大量可单独寻址的光源的高密度源阵列。当前的可见光源通常可能具有较大的占用面积，并且可能不适合用于具有单独可寻址光源的高密度源阵列。上述的VCSEL泵浦的可见光源可以用于制造高密度光源阵列，该高密度光源阵列包括用于不同颜色的可见光的多个单独可寻址光源。

根据某些实施例，设备可以包括可见光源的阵列，其中可见光源可以发射不同颜色(例如红色、蓝色或绿色)的可见光。在一个示例中，每个可见光源可以包括一个微谐振器，并且一些可见光源中的微谐振器(和/或VCSEL)可以不同于一些其它可见光源中的微谐振器(和/或VCSEL)，从而这些可见光源可以发射不同颜色的光。在一些实施例中，可见光源的阵列中的每个可见光源可以被配置或可调谐以发射不同颜色的光。例如，每个可见光源可以包括泵浦VCSEL和具有不同参数的多个微谐振器，其中多个微谐振器中的每个微谐振器可以被配置成产生不同相应颜色的可见光，并且在一些实施例中，多个微谐振器中的每个微谐振器可以被调谐以调节由微谐振器产生的可见光的强度。在一些实施例中，可见光源可以包括可调谐的泵浦VCSEL(具有可调谐的腔)和微谐振器，该可调谐的泵浦VCSEL可以被调谐以发射具有不同波长的泵浦光，该微谐振器可以具有多个谐振模式并且可以使用具有不同波长的泵浦光来产生不同颜色的可见光。

图14A示出了根据某些实施例的可见光源的阵列1400的示例，该可见光源的阵列被配置成发射不同颜色的可见光，其中阵列中的每个可见光源包括微谐振器，该微谐振器位于竖直腔中并且由竖直腔中的红外光VCSEL直接泵浦，并且在微谐振器中产生的可见光从竖直腔竖直耦出。图14A示出了可见光源的阵列1400中的红色光源1406、绿色光源1404和蓝色光源1402。图14A中所示的每个光源可以是可见光源1000或1100的示例，并且可见光源的阵列中的可见光源可以被制造在相同的晶片或相同的裸片上。可以使用各种晶片到晶片结合技术或裸片到晶片结合技术将晶片或裸片直接或间接(例如，通过中介层或薄膜晶体管层)结合到驱动电路1410，例如CMOS背板。

每个光源1402、1404或1406可以包括发射IR光的VCSEL 1420。如上文关于例如图10和图11所述，VCSEL 1420可以包括第一电极1430(例如，阳极或阴极)、第二电极1432以及形成在第一电极1430与第二电极1432之间的半导体结构(例如，外延层)。半导体结构可以包括例如第一反射器1422、可以发射IR光的有源区1424、以及其它半导体层(图14A中未标出)，例如如上文关于图7所述的可以是p掺杂或n掺杂的包覆层或载流子注入层。第一反射器1422可以包括例如HCG或DBR反射器，该DBR反射器由具有不同折射率和厚度的多对介电层、半导体层或金属材料层(掺杂或非掺杂)(例如，GaAs和AlAs(或AlGaAs)层、或氧化物层(例如，硅氧化物和另一氧化物层)等)形成。有源区1424可以包括例如InGaAs量子阱层和GaAs势垒层、InAlGaAs量子阱层和AlGaAs势垒层等。光源1402、1404和1406中的VCSEL 1420可以具有相同的结构，并且可以发射大约相同波长的IR光。在一些实施例中，VCSEL 1420可以包括用于IR光的部分反射器(例如，部分反射器1026，图14A中未示出)，其中部分反射器可以部分反射和部分透射在有源区1424中发射的IR光，以与第一反射器1422形成用于VCSEL 1420的谐振腔。由部分反射器1422和第一反射器1422形成的谐振腔可以帮助缩小和选择VCSEL 1420发射的IR光的输出波长范围，并提高发射的IR光的增益和强度。在一些实施例中，VCSEL 1420可以包括偏振器(图14A中未示出)，例如偏振器1028。偏振器可以用于控制由VCSEL 1420发射的IR光的偏振模式，并通过可以是偏振相关的光栅耦合器或纳米谐振器(例如，元结构)来提高IR光到微谐振器中的耦合效率。

在所示的示例中，每个光源1402、1404或1406可以包括微谐振器，其中用于每个光源1402、1404或1406的微谐振器可以具有不同的相应设计，从而可以产生不同波长的可见光。不同的相应设计可以包括例如环状形状(例如，环形、椭圆形、螺旋形、跑道形状等)、尺寸、材料(以及由此的折射率)等的不同组合。例如，红色光源1406可以包括微谐振器1444，可以选择微谐振器1444的形状、尺寸和材料，使得可以通过DFWM使用由VCSEL 1420发射的IR光作为泵浦光在微谐振器1444中产生红光。红色光源1406还可以包括耦合结构1454，该耦合结构被配置成将微谐振器1444中产生的红光从微谐振器1444竖直耦出。类似地，绿色光源1404可以包括微谐振器1442，该微谐振器1442被配置成使得可以通过DFWM使用由VCSEL 1420发射的IR光作为泵浦光在微谐振器1442中产生绿光，并且绿色光源1404可以包括耦合结构1452，该耦合结构被配置成将在微谐振器1442中产生的绿光从微谐振器1442竖直耦出。蓝色光源1402可以包括微谐振器1440，该微谐振器被配置成使得可以通过DFWM使用由VCSEL 1420发射的IR光作为泵浦光在微谐振器1440中产生绿光，并且蓝色光源1402可以包括耦合结构1450，该耦合结构被配置成将在微谐振器1440中产生的蓝光从微谐振器1440竖直耦出。

如图所示，每个光源1402、1404或1406还可以包括第二反射器1460、1462或1464，或用于将IR光耦入到微谐振器中的耦合结构，第二反射器1460、1462或1464被配置成将由VCSEL 1420发射但尚未耦入到微谐振器中的IR光反射回到微谐振器。对于由VCSEL 1420发射的IR光，第二反射器1460、1462或1464可以具有接近100％的反射率，并且对于在相应微谐振器中产生并通过相应耦合结构从相应微谐振器耦出的可见光，第二反射器1460、1462或1464可以具有接近0％的反射率。例如，第二反射器1460对蓝光可以是抗反射的，第二反射器1462对绿光可以是抗反射的，并且第二反射器1464对红光可以是抗反射的。

图14B和图14C示出了可见光源的阵列1400的示例的俯视图。图14B和图14C中示出的可见光源的阵列1400的示例可以用作有源显示面板，或者可以用作液晶显示器(例如，硅基液晶(liquid crystal on silicon，LCOS)显示器)的背光单元用的光源。在所示的示例中，红色光源1406可以被分组在一些列中，绿色光源1404可以被分组在一些其它列中，并且蓝色光源1402可以被分组在一些其它列中，其中不同颜色的光源的列可以交错。在一些实施例中，光源1402、1404和1406可以以其它方式布置。例如，可见光源的阵列可以包括布置成二维阵列的多个像素单元，其中每个像素单元可以包括布置在三角形的顶点上的红色光源1406、绿色光源1404和蓝色光源1402。光源阵列中的不同颜色的光源可以使用相同的工艺在相同的晶片或相同的裸片上制造，而不是分开制造，然后拾取并放置在CMOS背板上。可见光源的阵列1400的间距和每个光源的尺寸可以基于应用来选择。在一些实施例中，每个光源的直径可以小于约50μm、小于约30μm、小于约20μm或小于约10μm。可见光源的阵列1400的间距也可以小于约50μm、小于约30μm、小于约20μm或小于约10μm。

图15A和图15B示出了根据某些实施例的可见光源的阵列1500的示例，其中每个可见光源1502可以发射多种颜色的可见光。可见光源的阵列1500中的每个可见光源1502包括位于由第一反射器1522和第二反射器1530形成的竖直腔中的多个微谐振器，其中该多个微谐振器由竖直腔中相同的IR发射VCSEL 1520泵浦以产生不同颜色的可见光。第一反射器1522和第二反射器1530可以对IR光具有高反射率(例如，>80％、>85％、>90％、>95％、>99％或更高)。在一些实施例中，第一反射器1522可以对可见光具有高反射率(例如，>80％、>85％、>90％、>95％、>99％或更高)。第二反射器1530对于可见光可以是抗反射的。在微谐振器中产生的不同颜色的可见光通过各自的耦合结构从微谐振器竖直耦出，并且可以通过第二反射器1530从竖直腔中传输出去。

如图所示，可见光源1502可以包括形成在CMOS背板上的驱动电路1510，其中可以直接或间接地(例如，通过中介层或薄膜晶体管层)将该CMOS背板结合到晶片，该晶片包括在其上制造的多个VCSEL。多个微谐振器和第二反射器1530可以在将包括多个VCSEL 1520的晶片结合到CMOS背板之前或之后形成。VCSEL 1520可以包括第一电极1540(例如，阳极或阴极)、第二电极1542以及形成在第一电极1540与第二电极1542之间的半导体结构(例如，外延层)。半导体结构可以包括例如第一反射器1522、可以发射IR光的有源区1524、以及其它半导体层(图15A中未标出)，例如可以是p掺杂或n掺杂的包覆层或载流子注入层。第一反射器1522可以包括例如HCG或DBR反射器，该DBR反射器由具有不同折射率和厚度的多对介电层、半导体层或金属材料层(掺杂或非掺杂)(例如，GaAs和AlAs(或AlGaAs)层、或氧化物层(例如，硅氧化物和另一氧化物层)等)形成。有源区1524可以包括例如InGaAs量子阱层和GaAs势垒层、InAlGaAs量子阱层和AlGaAs势垒层等。在一些实施例中，VCSEL 1520可以包括用于IR光的部分反射器1526，其中部分反射器1526可以部分反射和部分透射在有源区1524中发射的IR光，以与第一反射器1522形成用于VCSEL 1520的谐振腔。由部分反射器1526和第一反射器1522形成的谐振腔可以帮助缩小和选择VCSEL 1520发射的IR光的输出波长范围，并提高发射的IR光的增益和强度。在一些实施例中，VCSEL 1520可以包括偏振器1528。偏振器1528可以用于控制由VCSEL 1520发射的IR光的偏振模式，并通过例如可以是偏振相关的光栅耦合器或纳米谐振器(例如，元结构)来提高IR光到微谐振器中的耦合效率。在一些实施例中，诸如波片、空间可变偏振器或空间可变波片等其它偏振部件可替代地用于控制由VCSEL 1520发射的IR光的偏振态。

在所示的示例中，每个可见光源1502可以包括第一微谐振器1550、第二微谐振器1560和第三微谐振器1570，以用于使用由VCSEL 1520发射的IR光作为泵浦光在DFWM工艺中产生不同颜色的可见光。第一微谐振器1550、第二微谐振器1560和第三微谐振器1570可以具有不同的相应设计，因此可以使用相同的泵浦光产生不同颜色的可见光。不同的相应设计可以包括例如环状形状(例如，环形、椭圆形、螺旋形、跑道形状等)、尺寸、材料(以及由此的折射率)等的不同组合。例如，可以选择第三微谐振器1570的形状、尺寸和材料，使得可以通过DFWM使用由VCSEL 1520发射的红光作为泵浦光，在第三微谐振器1570中产生红光。耦合结构1572(例如，光栅或纳米谐振器)可以被配置成将在第三微谐振器1570中产生的红光从第三微谐振器1570竖直耦出。类似地，可以选择第二微谐振器1560的形状、尺寸和材料，使得可以通过DFWM使用由VCSEL 1520发射的红外光作为泵浦光，在第二微谐振器1560中产生绿光。耦合结构1562(例如，光栅或纳米谐振器)可以被配置成将在第二微谐振器1560中产生的绿光从第二微谐振器1560竖直耦出。可以选择第一微谐振器1550的形状、尺寸和材料，使得可以通过DFWM使用由VCSEL 1520发射的红外光作为泵浦光，在第一微谐振器1550中产生蓝光。耦合结构1552(例如，光栅或纳米谐振器)可以被配置成将在第一微谐振器1550中产生的蓝光从第一微谐振器1550竖直耦出。第一微谐振器1550、第二微谐振器1560和第三微谐振器1570可以以任何合适的顺序竖直布置。在一些实施例中，每个可见光源1502可以包括被配置成产生两种或更多种颜色的可见光的两个或更多个不同的微谐振器。在一些实施例中，每个可见光源1502可以包括多个微谐振器，其中多个微谐振器中的至少两个微谐振器可以被配置成产生相同颜色的可见光。

由于第二反射器1530可以如上所述对可见光是抗反射的，因此从第一微谐振器1550、第二微谐振器1560和第三微谐振器1570耦出的可见光可以通过第二反射器1530以很小的损耗或没有损耗地从可见光源1502耦出。如第一反射器1522一样，第二反射器1530可以包括例如HCG或DBR结构，该DBR结构由具有交替折射率的多个介电层、半导体层或金属材料层形成。可以选择DBR结构中的介电层、半导体层或金属材料层的厚度和折射率，使得在不同材料之间的相邻界面处反射的IR光可以相长地干涉以增加第二反射器1530对IR光的总体反射率，而在不同材料之间的相邻界面处反射的可见光可以相消地干涉以降低第二反射器1530对可见光的总体反射率。因此，由VCSEL 1520发射但尚未耦入到微谐振器中的IR光可以被第二反射器1530和/或第一反射器1522反射回到微谐振器，并且可以至少部分耦入到微谐振器中，以提高将IR泵浦光耦入到微谐振器中的效率以及可见光源1502的效率。因此，每个可见光源1502可以同时发射不同颜色的可见光，其中所发射的不同颜色的可见光的强度可以由来自驱动电路1510的驱动电压或电流控制。在图15A和图15B所示的示例中，由同一可见光源发射的每种颜色的可见光的各自强度可以不是单独可控的。因此，可见光源的阵列1500可以用作BLU显示器中的光源，但不可以用作有源显示面板的显示像素。可见光源1502中的微谐振器、耦合结构和第二反射器1530可以在将VCSEL 1520结合到驱动电路1510之前或之后形成。

图16A和图16B示出了根据某些实施例的可见光源的阵列1600的示例，其中每个可见光源1602被配置成发射多种颜色的可见光，并且每种颜色的可见光的各自强度是单独可控的。与可见光源的阵列1500相比，可见光源的阵列1600不仅可以对每个可见光源1602具有单独的控制，而且可以对相同可见光源1602中的微谐振器具有单独的控制，使得所发射的每种颜色的可见光的各自强度可以是单独可调谐的。

如图16A中所示，可见光源的阵列1600中的每个可见光源1602包括由第一反射器1622和第二反射器1630形成的竖直腔中的多个微谐振器，其中该多个微谐振器由竖直腔中的相同IR VCSEL 1620泵浦以产生不同颜色的可见光。第一反射器1622和第二反射器1630可以对IR光具有高反射率(例如，>80％，>85％、>90％、>95％、>99％或更高)。在一些实施例中，第一反射器1622可以对可见光具有高反射率(例如，>80％、>85％、>90％、>95％、>99％或更高)。第二反射器1630对于可见光可以是抗反射的。在微谐振器中产生的不同颜色的可见光通过各自的耦合结构从微谐振器竖直耦出，并且可以通过第二反射器1630从竖直腔中传输出去。

可见光源1602可以包括形成在CMOS背板上的驱动电路1610，其中可以直接或间接地(例如，通过中介层或薄膜晶体管层)将该CMOS背板结合晶片上，该晶片包括在其上制造的VCSEL 1620。多个微谐振器和第二反射器1630可以在将包括VCSEL 1620的晶片结合到CMOS背板之前或之后形成。VCSEL 1620可以包括第一电极1640(例如，阳极或阴极)、第二电极1642以及形成在第一电极1640与第二电极1642之间的半导体结构(例如，外延层)。半导体结构可以包括例如第一反射器1622、可以发射IR光的有源区1624、以及其它半导体层(图16A中未标出)，例如可以是p掺杂或n掺杂的包覆层或载流子注入层。第一反射器1622可以包括例如HCG或DBR反射器，该DBR反射器由具有不同折射率和厚度的多对介电层、半导体层或金属材料层(掺杂或非掺杂)(例如，GaAs和AlAs(或AlGaAs)层、或氧化物层(例如，硅氧化物和另一氧化物层)等)形成。有源区1624可以包括例如InGaAs量子阱层和GaAs势垒层、InAlGaAs量子阱层和AlGaAs势垒层等。在一些实施例中，VCSEL 1620可以包括用于IR光的部分反射器1626，其中部分反射器1626可以部分反射和部分透射在有源区1624中发射的IR光，以与第一反射器1622形成用于VCSEL 1620的谐振腔。由部分反射器1626和第一反射器1622形成的谐振腔可以帮助缩小和选择由IR VCSEL 1620发射的IR光的输出波长范围，并提高发射的IR光的增益和强度。在一些实施例中，VCSEL 1620可以包括偏振器1628。偏振器1628可用于控制由VCSEL 1620发射的IR光的偏振模式，并通过例如可以是偏振相关的光栅耦合器或纳米谐振器(例如，元结构)来提高IR光到微谐振器中的耦合效率。在一些实施例中，诸如波片、空间可变偏振器或空间可变波片等其它偏振部件可替代地用于控制由VCSEL1620发射的IR光的偏振态。

在所示的示例中，每个可见光源1602可以包括第一微谐振器1650、第二微谐振器1660和第三微谐振器1670，以用于使用VCSEL 1620发射的IR光作为泵浦光在DFWM工艺中产生不同颜色的可见光。第一微谐振器1650、第二微谐振器1660和第三微谐振器1670可以具有不同的相应设计，从而可以使用相同的泵浦光产生不同颜色的可见光。不同的相应设计可以包括例如环状形状(例如，环形、椭圆形、螺旋形、跑道形状等)、尺寸、材料(以及由此的折射率)等的不同组合。例如，可以选择第三微谐振器1670的形状、尺寸和材料，使得可以通过DFWM使用由VCSEL 1620发射的IR光作为泵浦光，在第三微谐振器1670中产生红光。耦合结构1672(例如，光栅或纳米谐振器)可以被配置成将在第三微谐振器1670中产生的红光从第三微谐振器1670竖直耦出。类似地，可以选择第二微谐振器1660的形状、尺寸和材料，使得可以通过DFWM使用由VCSEL 1620发射的IR光作为泵浦光，在第二微谐振器1660中产生绿光。耦合结构1662(例如，光栅或纳米谐振器)可以被配置成将在第二微谐振器1660中产生的绿光从第二微谐振器1660竖直耦出。可以选择第一微谐振器1650的形状、尺寸和材料，使得可以通过DFWM使用由VCSEL 1620发射的IR光作为泵浦光，在第一微谐振器1650中产生蓝光。耦合结构1652(例如，光栅或纳米谐振器)可以被配置成将在第一微谐振器1650中产生的蓝光从第一微谐振器1650竖直耦出。第一微谐振器1650、第二微谐振器1660和第三微谐振器1670可以以任何合适的顺序竖直地布置。在一些实施例中，每个可见光源1602可以包括两个或更多个不同的微谐振器，这些微谐振器被配置成产生两种或更多种不同颜色的可见光。在一些实施例中，每个可见光源1602可以包括多个微谐振器，其中该多个微谐振器中的至少两个微谐振器可以被配置成产生相同颜色的可见光。

由于第二反射器1630可以如上所述对可见光是抗反射的，所以从第一微谐振器1650、第二微谐振器1660和第三微谐振器1670耦出的可见光可以通过第二反射器1630以很小的损耗或没有损耗地从可见光源1602耦出。如第一反射器1622一样，第二反射器1630可以包括例如HCG或DBR结构，该DBR结构由具有交替折射率的多个介电层、半导体层或金属材料层形成。可以选择DBR结构中的介电层、半导体层或金属材料层的厚度和折射率，使得在不同材料之间的相邻界面处反射的IR光可以相长地干涉以增加第二反射器1630对IR光的总体反射率，而在不同材料之间的相邻界面处反射的可见光可以相消地干涉以降低第二反射器1630对可见光的总体反射率。因此，由VCSEL 1620发射但尚未耦入到微谐振器中的IR光可以被第二反射器1630和/或第一反射器1622反射回到微谐振器，并且可以至少部分耦入到微谐振器中，以提高将IR泵浦光耦入到微谐振器中的效率以及可见光源1602的效率。可见光源1602中的微谐振器、耦合结构和第二反射器1630可以在将VCSEL 1620结合到驱动电路1610之前或之后形成。

可见光源1602可以包括多个附加电极，该多个附加电极用于调谐由相应微谐振器产生并从相应微谐振器耦出的每种颜色的可见光的各自强度。例如，电极1690可以用于调制从第一微谐振器1650耦出的蓝光的强度，电极1692可以用于调制从第二微谐振器1660耦出的绿光的强度，电极1694可以用于调制从第三微谐振器1670耦出的红光的强度。电极1690可以用于调谐第一微谐振器1650、用于将由VCSEL 1620发射的IR光耦入到第一微谐振器1650中的耦合结构、或用于耦合在第一微谐振器1650中产生的蓝光以调制从可见光源1602发射的蓝光的强度的耦合结构1652中的至少一者。例如，电极1690可以用于在电光材料上施加电压或向热光设备提供电流信号，以改变第一微谐振器1650或耦合结构的折射率，从而改变第一微谐振器1650的谐振条件或第一微谐振器1650的耦合结构的耦合效率，从而改变所发射的蓝光的强度。类似地，电极1692可用于改变第二微谐振器1660的谐振条件或第二微谐振器1660的耦合结构的耦合效率，从而改变所发射的绿光的强度。电极1694可以用于改变第三微谐振器1670的谐振条件或第三微谐振器1670的耦合结构的耦合效率，从而改变所发射的红光的强度。以此方式，由可见光源1602发射的红光的强度、绿光的强度和蓝光的强度可以独立地调谐到期望值，以表示如图16B所示的有源显示面板的颜色像素单位，其中可见光源1602的间距可以小于约50μm、小于约30μm、小于约20μm或小于约10μm。

图17A和图17B示出了根据某些实施例的可调谐以发射不同颜色的可见光的可见光源1700的示例。可见光源1700可以是可见光源的阵列中的可见光源的示例。图17A示出了可见光源1700的截面图，图17B示出了可见光源1700的俯视图。可见光源1700包括微谐振器，该微谐振器位于可调谐竖直腔中并且由可调谐竖直腔中的可调谐红外光VCSEL直接泵浦以产生不同颜色的可见光。在微谐振器中产生的可见光从竖直腔竖直耦出。与可见光源1502或1602相比，可见光源1700可以包括单个微谐振器，该微谐振器可以在不同时间产生不同颜色的光。

在所示的示例中，可见光源1700包括位于由第一反射器1722和第二反射器1750形成的可调谐竖直腔中的微谐振器1740，其中第二反射器1750可以形成在微机电系统(MEMS)设备1770上，并且因此可以由MEMS设备1770移动。在一些实施例中，可以使用其它微致动器或纳米致动器(例如，微型电机、压电致动器、铁电致动器、磁致动器或超声波致动器等)来移动第二反射器1750。第一反射器1722和第二反射器1750可以对IR光具有高反射率(例如，80％、>85％、>90％、>95％、>99％或更高)。在一些实施例中，第一反射器1722可以对可见光具有高反射率(例如，80％、>85％、>90％、>95％、>99％或更高)。第二反射器1750对于可见光可以是抗反射的。微谐振器1740可以由竖直腔中发射IR的VCSEL 1720泵浦以产生可见光。在微谐振器1740中产生的可见光可以通过耦合结构1742从微谐振器1740竖直耦出，并且可以通过第二反射器1750从竖直腔传输出去。

可见光源1700可以包括形成在CMOS背板上的驱动电路1710，其中可以直接或间接地(例如，通过中介层或薄膜晶体管层)将该CMOS背板结合到晶片，该晶片包括在其上制造的VCSEL 1720。微谐振器1740和第二反射器1750可以在将包括VCSEL 1720的晶片结合到CMOS背板之前或之后形成。VCSEL 1720可以包括第一电极1730(例如，阳极或阴极)、第二电极1732以及形成在第一电极1730与第二电极1732之间的半导体结构(例如，外延层)。半导体结构可以包括例如第一反射器1722、可以发射IR光的有源区1724、以及其它半导体层(图17A中未标出)，例如可以是p掺杂或n掺杂的包覆层或载流子注入层。第一反射器1722可以包括例如HCG或DBR反射器，该DBR反射器由具有不同折射率和厚度的多对介电层、半导体层或金属材料层(掺杂或非掺杂)(例如，GaAs和AlAs(或AlGaAs)层、或氧化物层(例如，硅氧化物和另一氧化物层)等)形成。有源区1724可以包括例如InGaAs量子阱层和GaAs势垒层、InAlGaAs量子阱层和AlGaAs势垒层等。VCSEL 1720可以可选地包括用于IR光的部分反射器1726，其中部分反射器1726可以部分反射和部分透射在有源区1724中发射的IR光，以与第一反射器1722形成用于VCSEL 1720的谐振腔。由部分反射器1726和第一反射器1722形成的谐振腔可以帮助选择VCSEL 1720发射的IR光的输出波长范围，并提高所发射的IR光的增益和强度。在一些实施例中，VCSEL 1720可以包括偏振器1728。偏振器1728可以用于控制由VCSEL 1720发射的IR光的偏振态，并通过例如可以是偏振相关的光栅耦合器或纳米谐振器(例如，元结构)来提高IR光到微谐振器中的耦合效率。在一些实施例中，诸如波片、空间可变偏振器或空间可变波片等其它偏振部件可替代地用于控制由VCSEL 1720发射的IR光的偏振态。

如第一反射器1722一样，第二反射器1750可以包括例如HCG或DBR结构，该DBR结构由具有交替折射率的多个介电层、半导体层或金属材料层形成。可以选择DBR结构中的介电层、半导体层或金属材料层的厚度和折射率，使得在不同材料之间的相邻界面处反射的IR光可以相长地干涉以增加第二反射器1750对IR光的总体反射率，而在不同材料之间的相邻界面处反射的可见光可以相消地干涉以降低第二反射器1750对可见光的总体反射率。因此，由VCSEL 1720发射但尚未耦入到微谐振器1740中的IR光可以由第二反射器1750和/或第一反射器1722反射回到微谐振器1740，从而由VCSEL 1720发射的IR光可以在由第一反射器1722和第二反射器1750形成的竖直腔内振荡，并且可以以更高的耦合效率耦入到微谐振器1740中，以提高可见光源1700的效率。

在竖直腔中谐振的IR光的波长可以由竖直腔的光路长度确定。因此，当由MEMS设备1770移动第二反射器1750并且因此改变竖直腔的光路长度时，可以改变在竖直腔中谐振的IR光的波长。IR光可以直接耦入到微谐振器1740中或通过耦合结构(例如，光栅或纳米谐振器)耦入到微谐振器1740中。可以选择微谐振器1740的形状、尺寸和材料，使得当通过使用MEMS设备1770调谐竖直腔的光路长度来改变泵浦光的波长时，可以通过OPO(例如，DFWM)工艺在微谐振器1740中产生不同颜色的可见光。耦合结构1742(例如，光栅或纳米谐振器)可以被配置成将微谐振器1740中产生的可见光从微谐振器1740竖直耦出。由于第二反射器1750可以如上所述对可见光是抗反射的，所以从微谐振器1740耦出的可见光可以通过第二反射器1750以很小损耗或没有损耗地从可见光源1700耦出。

图17C和图17D示出了通过调谐可见光源1700产生不同颜色的可见光的示例。图7C示出了通过使用MEMS设备1770或另一致动器调谐第二反射器1750的位置来调谐竖直腔的光程长度并由此调谐竖直腔的谐振波长，可以连续地调谐由VCSEL 1720发射并在由第一反射器1722和第二反射器1750形成的竖直腔内振荡的泵浦光。在所示的示例中，MEMS设备1770可以由控制信号驱动以移动第二反射器1750，使得由VCSEL 1720发射并在竖直腔内振荡的IR光的波长可以在时间上线性改变，如图7C中的曲线1780所示。当IR泵浦光的波长被调谐到第一值时，可以满足微谐振器1740的谐振条件，并且可以发生OPO工艺以产生第一可见波长(例如，红光)的信号光1790。当IR泵浦光的波长被调谐到第二值时，可以再次满足微谐振器1740的(对于不同的模数m)谐振条件，并且可以发生OPO过程以产生第二可见波长的信号光1792(例如，绿光)。当IR泵浦光的波长被调谐到第三值时，可以再次满足微谐振器1740的(对于不同的模数m)谐振条件，并且可以发生OPO过程以产生第三可见波长的信号光1794(例如，蓝光)。以这种方式，可以由可见光源1700产生许多不同颜色的可见光。

控制信号可以是周期性信号或可以是非周期性信号。在一些实施例中，控制信号可以具有由要显示的图像的像素数据确定的更复杂的波形。例如，控制信号可以具有对应于不同颜色的多个不同阶跃水平，其中可以基于要显示的图像帧的颜色像素的相应颜色的期望强度(例如，R值、G值、B值)来确定该图像帧中的颜色像素的每个阶跃水平的持续时间，使得在图像帧的不同时间段期间发射的不同颜色的可见光的时间组合可以被观察者的眼睛感知为在Rec.2020或更大的色域中具有单一颜色的可见光。以此方式，可以单独控制每个可见光源1700以在每个图像帧中以期望强度发射期望颜色的光。因此，可见光源的阵列1700可以用作有源显示面板。

图18A和图18B示出了根据某些实施例的可见光源的阵列1800的示例，其中可见光源的阵列1800中的每个可见光源1802被配置成发射一种或多种颜色的可见光，并且每种颜色的可见光的各自强度是单独可控的。如图18A所示，可见光源1802可以包括位于由第一反射器1822和第二反射器1830形成的可调谐竖直腔中的一个或多个微谐振器，其中第二反射器1830可以形成在MEMS设备1832上，因此可以由MEMS设备1832移动。第一反射器1822和第二反射器1830可以对IR光具有高反射率(例如，>80％、>85％、>90％、>95％、>99％或更高)。在一些实施例中，第一反射器1822可以对可见光具有高反射率(例如，>80％、>85％、>90％、>95％、>99％或更高)。第二反射器1830对于可见光可以是抗反射的。一个或多个微谐振器可以由可调谐竖直腔中的红外光VCSEL 1820直接泵浦，以产生不同颜色的可见光。在一个或多个微谐振器中产生的可见光可以从竖直腔竖直耦出。

可见光源1802可以包括形成在CMOS背板上的驱动电路1810，其中可以直接或间接地(例如，通过中介层或薄膜晶体管层)将该CMOS背板结合到晶片，该晶片包括在其上制造的VCSEL 1820。多个微谐振器和第二反射器1830可以在将包括VCSEL 1820的晶片结合到CMOS背板之前或之后形成。VCSEL 1820可以包括第一电极1840(例如，阳极或阴极)、第二电极1842以及形成在第一电极1840与第二电极1842之间的半导体结构(例如，外延层)。半导体结构可以包括例如第一反射器1822、可以发射IR光的有源区1824、以及其它半导体层(图18A中未标出)，例如可以是p掺杂或n掺杂的包覆层或载流子注入层。第一反射器1822可以包括例如HCG或DBR反射器，该DBR反射器由具有不同折射率和厚度的多对介电层、半导体层或金属材料层(掺杂或非掺杂)(例如，GaAs和AlAs(或AlGaAs)层、或氧化物层(例如，硅氧化物和另一氧化物层)等)形成。例如，有源区1824可以包括InGaAs量子阱层和GaAs势垒层、InAlGaAs量子阱层和AlGaAs势垒层等。在一些实施例中，VCSEL 1820可以包括用于IR光的部分反射器1826，其中部分反射器1826可以部分反射和部分透射在有源区1824中发射的IR光，以与第一反射器1822形成用于VCSEL 1820的谐振腔。由部分反射器1826和第一反射器1822形成的谐振腔可以帮助缩小和选择由IR VCSEL 1820发射的IR光的输出波长范围，并提高所发射的IR光的增益和强度。在一些实施例中，VCSEL 1820可以包括偏振器1828。偏振器1828可以用于控制由VCSEL 1820发射的IR光的偏振模式，并通过例如可以是偏振相关的光栅耦合器或纳米谐振器(例如，元结构)来提高IR光到微谐振器中的耦合效率。在一些实施例中，诸如波片、空间可变偏振器或空间可变波片等其它偏振部件可替代地用于控制由VCSEL 1820发射的IR光的偏振态。

在所示的示例中，每个可见光源1802可以包括第一微谐振器1850、第二微谐振器1860和第三微谐振器1870，以用于使用VCSEL 1820发射的IR光作为泵浦光在DFWM工艺中产生不同颜色的可见光。第一微谐振器1850、第二微谐振器1860和第三微谐振器1870可以具有不同的相应设计，从而可以使用相同的泵浦光产生不同颜色的可见光。不同的相应设计可以包括例如环状形状(例如，环形、椭圆形、螺旋形、跑道形状等)、尺寸、材料(以及由此的折射率)等的不同组合。例如，可以选择第三微谐振器1870的形状、尺寸和材料，使得可以通过DFWM使用由VCSEL 1820发射的IR光作为泵浦光，在第三微谐振器1870中产生红光。耦合结构1872(例如，光栅或纳米谐振器)可以被配置成将在第三微谐振器1870中产生的红光从第三微谐振器1870竖直耦出。类似地，可以选择第二微谐振器1860的形状、尺寸和材料，使得可以通过DFWM使用由VCSEL 1820发射的IR光作为泵浦光，在第二微谐振器1860中产生绿光。耦合结构1862(例如，光栅或纳米谐振器)可以被配置成将在第二微谐振器1860中产生的绿光从第二微谐振器1860竖直耦出。可以选择第一微谐振器1850的形状、尺寸和材料，使得可以通过DFWM使用由VCSEL 1820发射的IR光作为泵浦光，在第一微谐振器1850中产生蓝光。耦合结构1852(例如，光栅或纳米谐振器)可以被配置成将在第一微谐振器1850中产生的蓝光从第一微谐振器1850竖直耦出。第一微谐振器1850、第二微谐振器1860和第三微谐振器1870可以以任何合适的顺序竖直地布置。在一些实施例中，每个可见光源1802可以包括两个或更多个不同的微谐振器，这些微谐振器被配置成产生两种或更多种不同颜色的可见光。在一些实施例中，每个可见光源1802可以包括多个微谐振器，其中多个微谐振器中的至少两个微谐振器可以被配置成产生相同颜色的可见光。

由于第二反射器1830可以如上所述对可见光是抗反射的，所以从第一微谐振器1850、第二微谐振器1860和第三微谐振器1870耦出的可见光可以通过第二反射器1830以很小的损耗或没有损耗地从可见光源1802耦出。如第一反射器1822一样，第二反射器1830可以包括例如HCG或DBR结构，该DBR结构由具有交替折射率的多个介电层、半导体层或金属材料层形成。可以选择DBR结构中的介电层、半导体层或金属材料层的厚度和折射率，使得在不同材料之间的相邻界面处反射的IR光可以相长地干涉以增加第二反射器1830对IR光的总体反射率，而在不同材料之间的相邻界面处反射的可见光可以相消地干涉以降低第二反射器1830对可见光的总体反射率。因此，由VCSEL 1820发射但尚未耦入到微谐振器中的IR光可以被第二反射器1830和/或第一反射器1822反射回到微谐振器，并且可以至少部分耦入到微谐振器中，以提高将IR泵浦光耦入到微谐振器中的效率以及可见光源1802的效率。可见光源1802中的微谐振器、耦合结构和第二反射器1830可以在将VCSEL 1820结合到驱动电路1810之前或之后形成。

如图18A所示，第二反射器1830可以形成在MEMS设备1832上，因此可以由MEMS设备1832移动。在一些实施例中，可以使用其它微致动器或纳米致动器(例如，微型电机、压电致动器、铁电致动器、磁致动器、超声波致动器等)来移动第二反射器1830。在竖直腔中谐振的IR光的波长可以由竖直腔的光路长度确定。因此，当由MEMS设备1832移动第二反射器1830并且因此改变竖直腔的光路长度时，可以改变在竖直腔中谐振的IR光的波长。当通过使用MEMS设备1832调谐竖直腔的光路长度来改变泵浦光的波长时，通过OPO(例如，DFWM)工艺在微谐振器1850、1860和1870中产生的不同颜色的可见光的波长也可以改变。

在所示的示例中，可见光源1802可以包括多个附加电极，该多个附加电极用于调谐由相应微谐振器产生并从相应微谐振器耦出的每种颜色的可见光的各自强度。例如，电极1890可以用于调制从第一微谐振器1850耦出的蓝光的强度，电极1892可以用于调制从第二微谐振器1860耦出的绿光的强度，电极1894可以用于调制从第三微谐振器1870耦出的红光的强度。电极1890可以用于调谐第一微谐振器1850、用于将由VCSEL 1820发射的IR光耦入到第一微谐振器1850中的耦合结构、或用于耦合在第一微谐振器1850中产生的蓝光以调制从可见光源1802发射的蓝光的强度的耦合结构1852中的至少一者。例如，电极1890可以用于在电光材料上施加电压或向热光设备提供电流信号，以改变第一微谐振器1850或耦合结构的折射率，从而改变第一微谐振器1850的谐振条件或第一微谐振器1850的耦合结构的耦合效率，从而改变所发射的蓝光的强度。类似地，电极1892可以用于改变第二微谐振器1860的谐振条件或第二微谐振器1860的耦合结构的耦合效率，从而改变所发射的绿光的强度。电极1894可以用于改变第三微谐振器1870的谐振条件或第三微谐振器1870的耦合结构的耦合效率，从而改变所发射的红光的强度。以这种方式，由可见光源1802发射的红光的强度、绿光的强度和蓝光的强度可以独立地调谐到期望值，以表示如图18B所示的有源显示面板的彩色像素单位，其中可见光源1802的间距可以小于约50μm、小于约30μm、小于约20μm或小于约10μm。

图15A至图17B中描述的可见光源可以在竖直腔中使用一个VCSEL来产生多种颜色(例如，三种原色和由三种原色的组合组成的其它颜色)的光。由可见光源1502和1602中的空间重叠微谐振器产生的不同颜色的空间多路(重叠)可见光或由可见光源1700中的单个微谐振器在不同时间段期间产生的不同颜色的光的时间组合可以被观察者的眼睛感知为色域中的单一颜色。因此，包括图15A至图17B中描述的可见光源的可见光源的阵列可以具有比图14A至图14B中描述的可见光源更小的像素尺寸和更小的像素间距，其中彩色像素可以通过不同原色的三种可见光源的空间组合来实现。

本文公开的实施例可以用于实现人工现实系统的部件，或者可以结合人工现实系统来实现。人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式调整的现实形式，该人工现实可以包括例如虚拟现实、增强现实、混合现实(mixed reality或hybrid reality)、或它们的某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容、或与采集的(例如，真实世界)内容组合的生成内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的一些组合，并且视频、音频、触觉反馈或它们的一些组合中的任一者可以在单个通道或多个通道(例如向观看者产生三维效果的立体声视频)中呈现。另外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用程序、产品、配件、服务或它们的某种组合相关联，这些应用程序、产品、配件、服务或它们的某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或以其它方式用于人工现实中(例如执行人工现实中的活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括被连接到主控计算机系统的HMD、独立的HMD、移动装置或计算系统、或能够向一位或多位观看者提供人工现实内容的任何其它硬件平台。

图19为用于实现本文公开的一些示例的示例性近眼显示器(例如，HMD设备)的示例性电子系统1900的简化框图。电子系统1900可以用作上述HMD设备或其它近眼显示器的电子系统。在该示例中，电子系统1900可以包括存储器1920和一个或多个处理器1910。一个或多个处理器1910可以被配置成执行用于在多个部件处执行操作的指令，并且一个或多个处理器1910可以是例如适合在便携式电子设备内实现的通用处理器或微处理器。一个或多个处理器1910可以与电子系统1900内的多个部件通信耦合。为了实现这种通信耦合，一个或多个处理器1910可以通过总线1940与其它示出的部件通信。总线1940可以是适于在电子系统1900内传输数据的任何子系统。总线1940可以包括用于传输数据的多条计算机总线和附加电路。

存储器1920可以耦接到一个或多个处理器1910。在一些实施例中，存储器1920可以提供短期存储和长期存储这二者，并且可以被划分为若干单元。存储器1920可以是易失性的，例如静态随机存取存储器(static random-access memory，SRAM)和/或动态随机存取存储器(DRAM)，和/或存储器1620可以是非易失性的，例如只读存储器(read-onlymemory，ROM)、闪存等。此外，存储器1920可以包括可移动存储设备，例如安全数字(securedigital，SD)卡。存储器1920可以为电子系统1900提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其它数据的存储。在一些实施例中，存储器1920可以分布到不同的硬件模块中。一组指令和/或代码可以存储在存储器1920上。指令可以采取可由电子系统1900执行的可执行代码的形式，和/或可以采取源代码和/或可安装代码的形式，这些源代码和/或可安装代码在电子系统1900上(例如，使用各种常用的编译器、安装程序、压缩/解压缩实用程序等中的任何一种)进行编译和/或安装时，可以采用可执行代码的形式。

在一些实施例中，存储器1920可以存储多个应用程序模块1922至1924，这些应用程序模块可以包括任何数量的应用程序。应用程序的示例可以包括游戏应用程序、会议应用程序、视频播放应用程序或其它合适的应用程序。这些应用程序可以包括深度感测功能或眼睛追踪功能。应用程序模块1922至1924可以包括要由一个或多个处理器1910执行的特定指令。在一些实施例中，应用程序模块1922至1924的某些应用程序或部分应用程序可以由其它硬件模块1980执行。在某些实施例中，存储器1920可以附加地包括安全存储器，该安全存储器可以包括附加的安全控制，以防止对安全信息的复制或对安全信息的未经授权的其它访问。

在一些实施例中，存储器1920可以包括加载在存储器中的操作系统1925。操作系统1925可操作以启动由应用程序模块1922至1924提供的指令的执行和/或管理其它硬件模块1980以及与无线通信子系统1930交互，无线通信子系统1930可以包括一个或多个无线收发器。操作系统1925可以适于在电子系统1900的多个部件上执行其它操作，这些操作包括线程化、资源管理、数据存储控制和其它类似功能。

无线通信子系统1930可以包括例如红外通信设备、无线通信设备和/或芯片组(诸如设备、IEEE 802.11设备、Wi-Fi设备、WiMax设备、蜂窝通信设施等)和/或类似的通信接口。电子系统1900可以包括用于无线通信的一根或多根天线1934，该一根或多根天线作为无线通信子系统1930的一部分或者作为耦接到系统的任何部分的单独部件。取决于期望的功能，无线通信子系统1930可以包括单独的收发器，以与基站收发站和其它无线设备和接入点进行通信，这可以包括与不同的数据网络和/或网络类型进行通信，这些数据网络和/或网络类型为例如无线广域网(wireless wide-area network，WWAN)、无线局域网(wireless local area network，WLAN)或无线个人域网(wireless personal areanetwork，WPAN)。WWAN可以是例如WiMax(IEEE 802.16)网络。WLAN可以是例如IEEE 802.11x网络。WPAN可以是例如蓝牙网络、IEEE 802.15x或一些其它类型的网络。本文所描述的技术也可用于WWAN、WLAN和/或WPAN的任意组合。无线通信子系统1930可以允许数据与本文所述的网络、其它计算机系统和/或任何其它设备进行交换。无线通信子系统1930可以包括用于使用一根或多根天线1934和一个或多个无线链路1932发送或接收数据(例如HMD设备的标识符、位置数据、地理地图、热图、照片或视频)的装置。无线通信子系统1930、一个或多个处理器1910和存储器1920可以一起包括用于执行本文公开的一些功能的多个装置中的一个或多个的至少一部分。

电子系统1900的实施例还可以包括一个或多个传感器1990。一个或多个传感器1990可以包括例如图像传感器、加速度计、压力传感器、温度传感器、接近传感器、磁力计、陀螺仪、惯性传感器(例如，组合加速度计和陀螺仪的模块)、环境光传感器、或可操作以提供感官输出和/或接收感官输入的任何其它类似模块，该模块为例如深度传感器或位置传感器。例如，在一些实施方式中，一个或多个传感器1990可以包括一个或多个IMU和/或一个或多个位置传感器。IMU可以基于从多个位置传感器中的一个或多个位置传感器接收的测量信号，生成指示HMD设备相对于HMD设备的初始位置的估计位置的校准数据。位置传感器可以响应于HMD设备的运动产生一个或多个测量信号。位置传感器的示例可以包括但不限于一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的传感器、用于IMU误差校正的一种类型的传感器、或它们的任意组合。位置传感器可以位于IMU外部、IMU内部或它们的任意组合。至少一些传感器可以使用结构光图案进行感测。

电子系统1900可以包括显示模块1960。显示模块1960可以是近眼显示器，并且可以从电子系统1900向用户图形地呈现信息，该信息例如为图像、视频和各种指令。这种信息可以从一个或多个应用程序模块1922至1924、虚拟现实引擎1926、一个或多个其它硬件模块1980、它们的组合、或用于(例如，通过操作系统1925)向用户解析图形内容的任何其它合适的装置中得到。显示模块1960可以使用LCD技术、LED技术(例如，包括OLED、ILED、μLED、AMOLED、TOLED等)、发光聚合物显示器(light emitting polymer display，LPD)技术或一些其它显示技术。

电子系统1900可以包括用户输入/输出模块1970。用户输入/输出模块1970可以允许用户向电子系统1900发送动作请求。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是启动应用程序或结束应用程序、或者在应用程序内执行特定动作。用户输入/输出模块1970可以包括一个或多个输入设备。示例性输入设备可以包括：触摸屏、触摸板、一个或多个麦克风、一个或多个按钮、一个或多个拨盘、一个或多个开关、键盘、鼠标、游戏控制器或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到电子系统1900的任何其它合适的设备。在一些实施例中，用户输入/输出模块1970可以根据从电子系统1900接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，可以在接收到一动作请求或已经执行了一动作请求时提供触觉反馈。

电子系统1900可以包括摄像头1950，摄像头1950可以用于拍摄用户的照片或视频，例如，用于追踪用户的眼睛位置。摄像头1950还可以用于拍摄环境的照片或视频，例如，以用于VR应用、AR应用或MR应用。摄像头1950可以包括例如具有几百万或数千万像素的互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)图像传感器。在一些实施方式中，摄像头1950可以包括可以用于采集3D图像的两个或更多个摄像头。

在一些实施例中，电子系统1900可以包括多个其它硬件模块1980。其它硬件模块1980中的每一个可以是电子系统1900内的物理模块。虽然其它硬件模块1980中的每一个可以被永久地配置为结构体，但是其它硬件模块1980中的一些可以被临时配置为执行特定功能或被临时激活。其它硬件模块1980的示例可以包括例如音频输出和/或输入模块(例如，麦克风或扬声器)、近场通信(near field communication，NFC)模块、可充电电池、电池管理系统、有线/无线电池充电系统等等。在一些实施例中，其它硬件模块1980的一种或多种功能可以以软件来实现。

在一些实施例中，电子系统1900的存储器1920还可以存储虚拟现实引擎1926。虚拟现实引擎1926可以执行电子系统1900内的应用程序，并接收来自各种传感器的HMD设备的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置、或它们的任意组合。在一些实施例中，虚拟现实引擎1926接收的信息可用于向显示模块1960产生信号(例如，显示指令)。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则虚拟现实引擎1926可以为HMD设备生成反映用户在虚拟环境中的运动的内容。此外，虚拟现实引擎1926可以响应于从用户输入/输出模块1970接收的动作请求而执行应用程序内的动作，并向用户提供反馈。所提供的反馈可以是视觉、听觉或触觉反馈。在一些实施方式中，一个或多个处理器1910可以包括可以执行虚拟现实引擎1926的一个或多个图形处理单元(graphic processing unit，GPU)。

在各种实施方式中，上述硬件和模块可以在单个设备上实现，或者在可以使用有线或无线连接彼此通信的多个设备上实现。例如，在一些实施方式中，可以在与头戴式显示设备分开的控制台上实现一些部件或模块(例如，GPU、虚拟现实引擎1926和应用程序(例如追踪应用程序))。在一些实施方式中，一个控制台可以连接到多于一个的HMD或支持多于一个的HMD。

在替代配置中，电子系统1900中可以包括不同的部件和/或附加的部件。类似地，这些部件中的一个或多个部件的功能可以以不同于上述方式的方式分布在这些部件之间。例如，在一些实施例中，电子系统1900可以被修改为包括其它系统环境，例如AR系统环境和/或MR环境。

上文讨论的方法、系统和设备均为示例。各种实施例可以适当地省略、替换或添加各种程序或部件。例如，在替代的配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序来执行所描述的方法，和/或可以添加、省略和/或组合各种阶段。此外，关于某些实施例描述的特征可以在各种其它实施例中组合。这些实施例中的不同方面和元件可以以类似的方式组合。此外，技术在发展，因此许多元件都是示例，这些示例并不会将本公开的范围限制在那些具体的示例中。

在说明书中给出了许多具体细节，以提供对这些实施例的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下来实践这些实施例。例如，为了避免模糊这些实施例，已经在不具有非必要细节的情况下示出众所周知的电路、过程、系统、结构和技术。本说明书仅提供了多个示例实施例，并不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。而是，以上对这些实施例的描述将为本领域技术人员提供用于实现各种实施例的使能描述。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

对本领域的技术人员来说将显而易见的是，可以根据具体要求做出实质性变化。例如，也可以使用定制的或专用的硬件，和/或可以在硬件、软件(包括便携式软件，例如小程序等)、或硬件和软件这两者中实现多个特定元素。此外，可以采用与诸如网络输入/输出装置等其它计算装置的连接。

参考附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂时性机器可读介质。术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”可以指参与提供数据的任何存储介质，该数据使机器以特定方式运行。在上文提供的实施例中，各种机器可读介质可以涉及向处理单元和/或其它一个或多个装置提供指令/代码，以供执行。附加地或替代地，机器可读介质可以用于存储和/或携载这些指令/代码。在许多实施方式中，计算机可读介质是物理的和/或有形的存储介质。这种介质可以采用多种形式，这些形式包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。常见形式的计算机可读介质包括例如诸如压缩盘(compact disk，CD)或数字多功能盘(digital versatiledisk，DVD)等磁介质和/或光学介质、穿孔卡、纸带、具有多个孔图案的任何其它物理介质、RAM、可编程只读存储器(programmable read-only memory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read-only memory，EPROM)、可擦除可编程只读存储器闪存(FLASH-EPROM)、任何其它存储芯片、或盒式存储器(cartridge)、如下文所描述的载波、或任何其它介质(计算机可以从该任何其它介质中读取指令和/或代码)。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，该代码和/或机器可执行指令可以表示过程、功能、子程序、程序、例程、应用程序(App)、子例程、模块、软件包、类，或指令、数据结构或程序语句的任意组合。

如本文所使用的术语“和”和“或”可以包括多种含义，其中，也至少部分地基于使用这些术语时的上下文来预料这些含义。通常，“或”如果用于关联一列表，例如A、B或C，则旨在表示A、B和C(此处以包括性意义使用)，以及A、B或C(此处以排它性意义使用)。此外，如本文所使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数形式的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述多个特征、多个结构或多个特性的某种组合。然而，应当注意的是，这仅仅是说明性示例，并且所要求保护的主题不限于该示例。此外，术语“至少一个”如果用于关联一列表，例如A、B或C，则可以解释为A、B、C或A、B、和/或C的任意组合(例如，AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCC等)。

此外，尽管已经使用硬件和软件的特定组合对某些实施例进行了描述，但是应当认识到的是，硬件和软件的其它组合也是可行的。某些实施例可以仅以硬件、或仅以软件、或使用硬件和软件的组合来实现。在一个示例中，软件可以使用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现，该计算机程序代码或指令可以由一个或多个处理器执行，从而执行本公开中描述的多个步骤、多个操作或多个过程中的任何或所有，其中，计算机程序可以存储在非暂时性计算机可读介质上。本文描述的各种过程可以在同一处理器实现或在以任意组合的不同处理器上实现。

在设备、系统、部件或模块被描述为被配置成执行某些操作或功能的情况下，这种配置可以例如通过如下来实现：设计多个电子电路来执行该操作，对可编程电子电路(例如微处理器)进行编程来执行该操作(例如通过执行计算机指令或代码来执行该操作)，或被编程为执行存储在非暂时性存储介质上的代码或指令的处理器或内核，或它们的任意组合。进程可以使用多种技术进行通信，这些技术包括但不限于用于进程间通信的传统技术，并且不同的进程对可以使用不同的技术，或者同一进程对在不同的时间可以使用不同的技术。

因此，说明书和附图将被认为是说明性的，而非限制性的。然而，将显而易见的是，在不脱离如权利要求中所阐述的更广泛的精神和范围的情况下，还可以进行添加、减去、删除以及其它修改和改变。因此，尽管已经描述了具体实施例，但是这些具体实施例并不旨在进行限制。各种修改和等同物均落入所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种可见光源，所述可见光源包括：

衬底；

垂直腔面发射激光器，所述垂直腔面发射激光器位于所述衬底上并且包括：

有源半导体区，所述有源半导体区被配置成发射红外光；以及

第一反射器，所述第一反射器被配置成反射由所述有源半导体区发射的红外光；

第二反射器，所述第二反射器被配置成反射所述红外光，所述第一反射器和所述第二反射器形成用于所述红外光的竖直腔；

一个或多个微谐振器，所述一个或多个微谐振器位于所述衬底上，并且被配置成接收所述红外光并使用所述红外光通过光学参量振荡产生一种或多种颜色的可见光；以及

一个或多个输出耦合器，所述一个或多个输出耦合器被配置成将所述一种或多种颜色的可见光从所述一个或多个微谐振器耦入到自由空间或光子集成电路中。

2.根据权利要求1所述的可见光源，其中，

所述一个或多个微谐振器包括相对于彼此竖直布置的第一微谐振器和第二微谐振器；并且

所述第一微谐振器和所述第二微谐振器的特征在于不同尺寸、不同形状、不同材料或它们的组合，并且被配置成产生不同相应颜色的可见光。

3.根据权利要求2所述的可见光源，所述可见光源还包括：

第一调谐电路，所述第一调谐电路被配置成调谐所述第一微谐振器以控制由所述第一微谐振器产生的可见光的强度；以及

第二调谐电路，所述第二调谐电路被配置成调谐所述第二微谐振器以控制由所述第二微谐振器产生的可见光的强度。

4.根据权利要求1所述的可见光源，所述可见光源还包括微致动器，所述微致动器被配置成移动所述第二反射器以改变所述竖直腔的光路长度，从而改变由所述有源半导体区发射的红外光的波长，其中，所述一个或多个微谐振器中的微谐振器被配置成：

使用第一波长的红外光产生第一颜色的可见光；并且

使用第二波长的红外光产生第二颜色的可见光。

5.根据权利要求1所述的可见光源，其中，

所述一个或多个微谐振器位于所述竖直腔中或位于所述竖直腔上；并且

所述一个或多个微谐振器中的每个微谐振器被配置成接收由所述有源半导体区直接地或通过输入耦合器发射的红外光。

6.根据权利要求1所述的可见光源，其中，所述一个或多个输出耦合器中的每个输出耦合器包括光栅耦合器、介电散射器、金属散射器或纳米谐振器；并且可选地，

其中，所述光栅耦合器是倾斜的、切趾的、啁啾的或它们的组合。

7.根据权利要求1所述的可见光源，其中，所述一个或多个微谐振器被配置成通过简并四波混频(DFWM)产生所述可见光。

8.根据权利要求1所述的可见光源，其中，

所述一个或多个微谐振器中的至少一个微谐振器位于所述竖直腔外部，并且不与所述垂直腔面发射激光器对准；并且

所述可见光源还包括：

波导，所述波导光耦合到所述至少一个微谐振器；以及

输入耦合器，所述输入耦合器位于所述竖直腔中或所述竖直腔的顶部上，所述输入耦合器被配置成将所述有源半导体区发射的红外光耦入到所述波导中。

9.根据权利要求1所述的可见光源，其中，所述第一反射器和所述第二反射器中的每一者均包括高对比度光栅或分布式布拉格反射器，所述分布式布拉格反射器包括介电层、半导体层或这两项。

10.根据权利要求1所述的可见光源，其中，所述第二反射器对所述可见光是抗反射的。

11.根据权利要求1所述的可见光源，其中，所述一个或多个微谐振器包括微环、微盘、基于波导的腔、光子晶体点缺陷腔、光子晶体环腔或等离子体谐振器中的至少一者；并且/或者

其中，所述一个或多个微谐振器的特征在于圆环形状、椭圆环形状、螺旋形状或跑道形状。

12.根据权利要求1所述的可见光源，其中，所述一个或多个输出耦合器被配置成将所述可见光竖直地耦入到自由空间中或将所述可见光耦入到光子集成电路中。

13.根据权利要求1所述的可见光源，所述可见光源还包括：

第三反射器，所述第三反射器位于所述竖直腔中，其中，所述第三反射器对所述红外光是部分反射的；

偏振部件，所述偏振部件位于所述竖直腔中，并且被配置成选择所述红外光的偏振模式；或者

所述第三反射器和所述偏振部件两者；并且可选地，

其中，所述偏振部件包括偏振器、波片、空间可变偏振器或空间可变波片。

14.一种可见光源阵列，所述可见光源阵列包括：

衬底，所述衬底包括形成在其上的多个驱动电路；以及

裸片或晶片，所述裸片或晶片直接或间接结合到所述多个驱动电路，所述裸片或晶片包括形成在其上的可见光源的阵列，其中，所述可见光源的阵列中的每个可见光源能够由所述多个驱动电路单独寻址并且包括：

竖直腔，所述竖直腔由第一反射器和第二反射器形成，所述第一反射器和所述第二反射器被配置成反射红外光；

有源区，所述有源区位于所述竖直腔中，并且被配置成发射红外光；

一个或多个微谐振器，所述一个或多个微谐振器被配置成接收所述红外光并使用所述红外光通过光学参量振荡产生一种或多种颜色的可见光；以及

一个或多个输出耦合器，所述一个或多个输出耦合器被配置成将所述一种或多种颜色的可见光从所述一个或多个微谐振器耦入到自由空间或一个或多个波导中。

15.一种可见光源阵列，所述可见光源阵列包括：

衬底，所述衬底包括形成在其上的多个驱动电路；以及

裸片或晶片，所述裸片或晶片直接或间接地结合到所述多个驱动电路，所述裸片或晶片包括形成在其上的可见光源的阵列，其中，所述可见光源的阵列中的每个可见光源能够由所述多个驱动电路单独寻址并且包括：

竖直腔，所述竖直腔由第一反射器和第二反射器形成，所述第一反射器和所述第二反射器被配置成反射红外光；

有源区，所述有源区位于所述竖直腔中，并且被配置成发射红外光；

微谐振器，所述微谐振器被配置成接收所述红外光并使用所述红外光通过光学参量振荡产生可见光；以及

输出耦合器，所述输出耦合器被配置成将所述可见光从所述微谐振器耦入到自由空间或波导中，

其中，在所述可见光源阵列的第一可见光源中的第一微谐振器和在所述可见光源阵列的第二可见光源中的第二微谐振器具有不同尺寸、不同形状、不同材料或它们的组合，并且被配置成产生不同颜色的可见光。