JP2023534747A - オプトエレクトロニックモジュール、オプトエレクトロニックモジュールを作動させる方法およびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

本出願では、少なくとも１つの半導体レーザ（１０）およびフォトニックチップ（２０）を有するオプトエレクトロニックモジュール（１）が記載されている。半導体レーザ（１０）は、フォトニックチップ（２０）に入力結合される１次電磁放射を放出する。フォトニックチップ（２０）は、少なくとも１つの第１導波体（２１０）と、電気変調信号によって変調される反射率を有する少なくとも１つの光ブラッグ反射器（３０）とを有する。２次電磁放射は、少なくとも１つの第２導波体（２２０）によってフォトニックチップ（２０）から出力結合され、２次電磁放射は、電気変調信号に応じて変調されるドミナント波長を有する。さらに、オプトエレクトロニックモジュール（１）を作動させる方法と、オプトエレクトロニックモジュール（１）を有するヘッドマウントディスプレイとが提供される。

Description

本出願は、オプトエレクトロニックモジュール、オプトエレクトロニックモジュールを作動させる方法およびヘッドマウントディスプレイに関する。

改善された光学特性を有するオプトエレクトロニックモジュールを提供することが課題である。

発明の概要
オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、オプトエレクトロニックモジュールは、少なくとも１つの半導体レーザおよびフォトニックチップを有する。半導体レーザは、コヒーレント電磁放射の放出用である。フォトニックチップは好ましくは、放射透過性材料と、電磁放射を操作するのに適した光学構造、例えば導波体とを有する。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、半導体レーザは、１次電磁放射を放出する。１次電磁放射は、フォトニックチップに入力結合される。１次電磁放射は、ドミナント波長を有する。電磁放射のドミナント波長は、電磁放射のスペクトルが最大強度を有する波長である。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、フォトニックチップは、少なくとも１つの第１導波体と、電気変調信号によって変調される反射率を有する少なくとも１つの光ブラッグ反射器とを有する。第１導波体は、半導体レーザから光ブラッグ反射器に１次電磁放射を伝達する。第１導波体は、１次電磁放射に対して透過である材料を有していてよい。例えば、第１導波体は、１次電磁放射に対して第１導波体それ自体の材料よりも低い屈折率を有する材料によって少なくとも部分的に取り囲まれている。したがって、１次電磁放射は、導波体内に閉じ込められ、第１導波体に沿って伝搬する。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、２次電磁放射は、少なくとも１つの第２導波体によってフォトニックチップから出力結合される。第２導波体は、ブラッグ反射器の下流に配置されている。２次電磁放射は、電気変調信号に応じて変調されるドミナント波長を有する。電気変調信号の変調は、任意の時間依存変化であってよく、周期的である必要はない。

オプトエレクトロニックモジュールは好ましくは、少なくとも部分的に、人間の眼に見えるスペクトル領域内にある２次電磁放射を放出する。

少なくとも１つの実施形態によると、オプトエレクトロニックモジュールは、少なくとも１つの半導体レーザおよびフォトニックチップを有し、
－半導体レーザは、１次電磁放射を放出し、
－１次電磁放射は、フォトニックチップに入力結合され、
－フォトニックチップは、少なくとも１つの第１導波体と、電気変調信号によって変調される反射率を有する少なくとも１つの光ブラッグ反射器とを有し、
－２次電磁放射は、少なくとも１つの第２導波体によってフォトニックチップから出力結合され、２次電磁放射は、電気変調信号に応じて変調されるドミナント波長を有する。

本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールは、とりわけ、以下の考察に基づいている。すなわち、半導体レーザは、良好なビーム品質を有する１次電磁放射を放出し、これにより、半導体レーザは、ヘッドマウントディスプレイユニットまたはプロジェクション装置における使用に特に適しているようになる。半導体レーザの良好なビーム品質に加え、半導体レーザはまた、ほぼ点光源に相応する、放出領域の特に小さな広がりも有する。これによって有利には結果的に、光学系の小型化に寄与し得る有利な高輝度が得られる。しかしながら、可視波長領域において半導体レーザを使用すると、例えばスペックルの形態の望ましくない干渉作用が、時として観察者によって知覚されてしまうことがある。これらの干渉作用は結果的に不均一な照明および障害的な照明パターンになってしまう。

本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールは、とりわけ、可変のドミナント波長を有する２次電磁放射を生成するという着想に基づいている。２次電磁放射のドミナント波長は、電気変調信号によって反射率を変化させることが可能なブラッグ反射器によって変調可能である。さらに、複数の半導体レーザの複数の１次電磁放射を重畳することにより、増大された第２スペクトル帯域幅を有する２次電磁放射を生成することができる。２次電磁放射のドミナント波長を変化させることにより、スペクトル帯域幅を増大させかつコヒーレンス長を短くすることができる。コヒーレント放射が少なくなることによって有利には、任意の望ましくない干渉作用の強度が減少する。このことは、スペックルの出現を減少または除去するという利点を有する。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、半導体レーザは、反射防止コーティングによって覆われたフロントファセットを有する。反射防止コーティングにより、フロントファセットにおいて反射されて戻る放射の量が低減され、したがって半導体レーザから出力結合されることがない。フロントファセットは好ましくは、最大１０％の、好ましくは最大１％の、特に好ましくは最大０．００１％の、１次電磁放射に対する反射率を有する。フロントファセットの低い反射率により、オプトエレクトロニックモジュールの効率が改善される。さらに、フロントファセットの反射率が低減されると、半導体レーザに対する光フィードバックは、有利にはブラッグ反射器の変調された反射率によって決定される。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、１次電磁放射は、第１スペクトル帯域幅を有し、２次電磁放射は、第１スペクトル帯域幅よりも広くかつ電気変調信号によって制御される第２スペクトル帯域幅を有する。より広いスペクトル帯域幅によって結果的に、電磁放射のコヒーレンスが低減され、したがって、スペックルのような障害的な光干渉作用が低減または除去される。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、１次電磁放射および２次電磁放射のドミナント波長は、可視スペクトル領域にある。ここで、また以下において、可視スペクトル領域は、３８０ｎｍ以上かつ７８０ｎｍ以下の波長のスペクトル領域と定義されるべきである。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、オプトエレクトロニックモジュールは、複数の半導体レーザと、複数の第１導波体と、複数のブラッグ反射器とを有し、１つの第１導波体および１つのブラッグ反射器が、それぞれの半導体レーザに割り当てられている。複数の半導体レーザを使用することにより、パワー出力を増大させることができる。したがって、オプトエレクトロニックモジュールのパワー出力は容易にスケーリング可能にすることができる。例えば、複数の異なる半導体レーザを使用するオプトエレクトロニックモジュールにより、広いスペクトル領域をカバーすることができ、ここではそれぞれの半導体レーザにより、異なるドミナント波長を有する１次電磁放射が放出される。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、複数の半導体レーザは、モノリシックに集積されている。好ましくは、オプトエレクトロニックモジュールの全ての半導体レーザが、モノリシックに集積されている。モノリシックに集積されているコンポーネントは、例えば、単一の半導体基体に集積されている複数のレーザリッジを有するマルチリッジ素子であってよい。これにより、互いに小さな横方向間隔で半導体レーザを配置することが容易になる。横方向間隔は、オプトエレクトロニックモジュールの主延在面に平行な間隔である。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、複数の第２導波体は、フォトニックチップの側面まで延在しており、フォトニックチップの側面において互いに１０μｍ未満の横方向間隔以内で配置されている。フォトニックチップの側面において小さな横方向間隔で複数の第２導波体を配置することにより、特に小さい放出領域が保証される。このような配置は、２次電磁放射の集束およびプロジェクションに有利である。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、第２導波体は、共通出力ファセットを有する共通導波体に半導体レーザの２次電磁放射を結合するビームコンバイナーである。第２導波体は好ましくは、共通出力ファセットを有する共通導波体にそれぞれの半導体レーザの２次電磁放射をビームコンバイナーである。このような設計により、例えば、いくつかの半導体レーザの１次電磁放射を重ね合わせることによって単一ＲＧＢピクセルのプロジェクションが可能になり、また共通出力ファセットの下流に配置される光学系を介して２次電磁放射のプロジェクションが簡単になる。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、オプトエレクトロニックモジュールは、少なくとも３つの異なる半導体レーザを有し、それぞれの半導体レーザにより、異なるドミナント波長を有する１次電磁放射が放出される。例えば、１つの半導体レーザは、赤色光のスペクトル領域にドミナント波長を有する１次電磁放射を放出し、別の１つの半導体レーザは、緑色光のスペクトル領域にドミナント波長を有する１次電磁放射を放出し、さらに別の１つの半導体レーザは、青色光のスペクトル領域にドミナント波長を有する１次電磁放射を放出する。このような装置により、３つの異なるドミナント波長によって張られるカラートライアングル内にある任意の所望の色を有する１次電磁放射を放出することができるＲＧＢオプトエレクトロニックモジュールを作製することができる。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、半導体レーザは、フォトニックチップ上に配置されている。フォトニックチップ上に半導体レーザを配置することにより、第１導波体に対する半導体レーザの位置合わせを容易にすることができる。さらに、温度依存の位置合わせ不良を低減するかまたは回避することができ、機械的な安定性を改善することができる。

オプトエレクトロニックの少なくとも１つの実施形態によると、フロントファセットから第１導波体まで延在している領域には、１次電磁放射に対して透過である充填材料が充填されている。充填材料は、劣化を及ぼす環境影響からフロントファセットを保護することができる。したがって有利には、フロントファセットの密閉封止は不要である。例えば、充填材料は、シリコーンまたはエポキシ材料を有する。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、第１導波体、第２導波体および／またはブラッグ反射器は、次の材料、すなわち、ＬｉＮｂ，ＩＴＯ，ＳｉＮ，ＳｉＯ，液晶材料のうちの１つから作製される。好ましくは、第１導波体、第２導波体およびブラッグ反射器は、これらの材料の１つから作製される。ＩＴＯの屈折率は、これを通る電流に依存する。ＬｉＮｂ，ＳｉＮ，ＳｉＯおよび液晶材料の屈折率は、これに印加される電圧に依存する。結果として、これらの材料の屈折率は有利には、電気変調信号を使用して変調可能である。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、第１導波体は、単一モード導波体である。単一モード導波体は、縦モードの伝搬だけを可能にする。有利には、これにより、特に均一なビーム強度プロフィールが得られる。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、第１導波体は、フロントファセットからブラッグ反射器に向かって先細りになっている。この先細りは、半導体レーザにおいて生成される１次電磁放射についての結合効率を増大可能である。例えば、第１導波体は、半導体レーザに向かっている端部においてより大きな直径を有し、この直径は、半導体レーザから距離が増大するのに伴って減少する。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、フォトニックチップは、ケイ素、ガラスまたはサファイアから作製される基板を有し、好ましくは機械的な安定性を提供する。これらの基板材料は、特に純粋にすることができ、したがって付加的な層の成長に特に良好に使用可能である。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、フォトニックチップは、ブラッグ反射器の下流に少なくとも１つの光変調器を有する。光変調器は、２次電磁放射の強度を変調するために使用可能である。結果として、２次電磁放射のパルス長が調整可能である。このことは、半導体レーザが連続モードで動作されなければならない場合には特に有利である。光変調器は好ましくは、マッハ・ツェンダー変調器である。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、フォトニックチップは、フォトニックの主延在面から２次電磁放射を偏向する光偏向器を有する。好ましくは光偏向器により、垂直方向に、特に好ましくは、フォトニックチップの主延在面に対して垂直な方向に２次電磁放射を偏向する。例えば、光偏向器は、プリズム、グレーティングまたは回折型ＭＥＴＡ光コンポーネントである。光偏向器は、フォトニックチップ上に直接、配置可能である。フォトニックチップ上に偏向器を直接、配置することにより、特にコンパクトなオプトエレクトロニックモジュールが提供される。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、それぞれのブラッグ反射器は、共通の電位に電気接続されているか、またはそれぞれブラッグ反射器は、個別の電位に電気接続されている。例えば、それぞれのブラッグ反射器は、好ましくは異なる電位に接続されている第１電気端子を有する。個別に電気接続されているブラッグ反射器は、同時に制御されるかまたは個別に制御されるように構成可能である。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、フロントファセットは、半導体チップの主延在方向に対して、両端の値を含めて２°～３２°の角度で傾斜されているか、または第１導波体の入力結合ファセットは、第１導波体の主延在方向に対して両端を含めて２°～３２°の角度で傾斜されている。主延在方向は、半導体レーザの主放出方向に対して平行である。入力結合ファセットは、半導体レーザに向かっている第１導波体の端面である。１次電磁放射は好ましくは主に、入力結合ファセットを介して第１導波体に結合される。

半導体レーザのフロントファセットおよび／または第１導波体の入力結合ファセットを傾斜させることにより、戻って半導体レーザに衝突する１次電磁放射を有利には減少させるかまたは阻止することができる。例えば、電磁放射の一部は、これがわずかな光増幅を利得するまたはさらなる光増幅の利得することなく、電磁放射の一部が反射されて戻る。任意の望ましくないサイドモードの増幅を抑圧するのに役に立つ。

好ましくは、フロントファセットおよび／または入力結合ファセットは、フロントファセットおよび／または入力結合ファセットの反射率を最小化するために、１次電磁放射についてのブリュースター角にしたがって傾斜される。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、フォトニックチップは、フォトダイオードを有し、２次電磁放射の一部は、このフォトダイオードに当たる。好ましくは２次電磁放射の１０％以下が、フォトダイオードに当たる。フォトダイオードは、半導体レーザの光強度を監視するために使用可能である。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、フォトダイオードは、第２導波体にＧｅまたはＳｉを導入することによって実現される。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、このモジュールは、２次電磁放射の偏光状態を変更するために、フォトニックチップの下流に波長板を有する。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、このモジュールは、２次電磁放射をコリメートするために、フォトニックチップの下流にコリメーション光学系を有する。

オプトエレクトロニックモジュールの少なくとも１つの実施形態によると、フォトニックチップは、少なくとも１つの半導体光増幅器（ＳＯＡ：semiconductor optical amplifier）を有する。

半導体レーザの前述の例示的な実施形態、特徴および特性は、単一の半導体レーザを有するオプトエレクトロニックモジュールにも、複数の半導体レーザを有するモジュールにも共に関連している。さらに、開示した特徴および特性は、全ての半導体レーザに実装可能であるか、またはいくつかの半導体レーザにのみ実装可能である。

第１導波体の前述の例示的な実施形態、特徴および特性は、単一の第１導波体を有するオプトエレクトロニックモジュールにも、複数の第１導波体を有するモジュールにも共に関連している。さらに、開示した特徴および特性は、全ての第１導波体に実装可能であるか、またはいくつかの第１導波体だけに実装可能である。

第２導波体の前述の例示的な実施形態、特徴および特性は、単一の第２導波体を有するオプトエレクトロニックモジュールにも、複数の第２導波体を有するモジュールにも共に関連している。さらに、開示した特徴および特性は、全ての第２導波体に実装可能であるか、またはいくつかの第２導波体だけに実装可能である。

ブラッグ反射器の前述の例示的な実施形態、特徴および特性は、単一のブラッグ反射器を有するオプトエレクトロニックモジュールにも、複数のブラッグ反射器を有するモジュールにも関連している。さらに、開示した特徴および特性は、全てのブラッグ反射器に実装可能であるか、またはいくつかのブラッグ反射器だけに実装可能である。

オプトエレクトロニックモジュールを作動させる方法も同様に開示されている。オプトエレクトロニックモジュールを作動させる方法は特に、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールを作動するのに適している。つまり、オプトエレクトロニックモジュールに関連して開示した全ての特徴は、オプトエレクトロニックモジュールを作動させる方法についても開示されているのであり、この逆も同様である。

オプトエレクトロニックモジュールを作動させるこの方法の少なくとも１つの実施形態によると、ブラッグ反射器により、１ｎｓ当たり少なくとも２ｎｍの変調速度で２次電磁放射のドミナント波長を変調する。高い変調速度により、例えばちらつきによって、人の観察者に対して放出光の知覚を妨害することなく、２次電磁放射におけるスペクトル帯域幅を大きく増大させることができる。

オプトエレクトロニックモジュールを作動させるこの方法の少なくとも１つの実施形態によると、ブラッグ反射器により、少なくとも１０ｎｍのスペクトル領域内で２次電磁放射のドミナント波長を変調する。少なくとも１０ｎｍのスペクトル領域内で２次電磁放射のドミナント波長を変化させることにより、２次電磁放射のコヒーレンス長が有利に減少される。

オプトエレクトロニックモジュールを有するヘッドマウントディスプレイも同様に開示されている。このヘッドマウントディスプレイは特に、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールを使用するのに適している。つまり、オプトエレクトロニックモジュールに関連して開示した全ての特徴は、このヘッドマウントディスプレイについても開示されているのであり、この逆も同様である。ヘッドマウントディスプレイは、例えば、ニアアイ（near eye）ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイまたは仮想現実ヘッドセットである。

本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールは、拡張現実（ＡＲ：augmented reality）、仮想現実（ＶＲ：virtual reality）ユニットが実現されるいわゆる「スマートアイウェア製品」おける使用に特に適している。本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールはまた、例えばメガネにおいて、眼の近くに画像コンテンツを表示するか、または人の眼の中に画像を直接、プロジェクションする様々なプロジェクションシステムにも使用可能である。

オプトエレクトロニックモジュールの別の利点および有利な設計および別の発展形態は、図面に関連して以下で説明する以下の例示的に実施形態から得られる。

第１の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略平面図である。 第２の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略側面図である。 第３の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略平面図である。 第４の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略平面図である。 第５の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略平面図である。 第６の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略平面図である。 第７の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略平面図である。 第８の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略平面図である。 第９の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略平面図である。 第１０の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略平面図である。 第１１の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略平面図である。 第１２の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略平面図である。 第１３の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略平面図である。 第１４の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略平面図である。 第１５の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略平面図である。 第１６の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略平面図である。 第１７の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略平面図である。 第１８の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略平面図である。 第１９の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略側面図である。 第２０の例示的な実施形態による、本明細書で説明するオプトエレクトロニックモジュールの概略側面図である。

詳細な説明
複数の図において同じ要素、類似の要素または同等の要素には同じ参照符号が付されている。図および図に表されている要素の相互間の比は、縮尺通りであるとみなすべきでない。むしろ、個々の要素は、表し易くするため、かつ／またはわかり易くするために特に大きくされていることがある。

図１には、第１の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略平面図が示されている。オプトエレクトロニックモジュール１は、半導体レーザ１０およびフォトニックチップ２０を有する。フォトニックチップ２０は、第１導波体２１０、ブラック反射器３０および第２導波体２２０を有する。

半導体レーザ１０は、フロントファセット１０Ａを通して、ドミナント波長を有する１次電磁放射を放出する。フロントファセット１０Ａは、フォトニックチップ２０の方を向いている、半導体レーザ１０の滑らかな表面である。第１導波体２１０は、１次電磁放射に対して透過である材料から作製されている。第１導波体２１０は、第１導波体２１０を取り囲む材料よりも高い屈折率を有する。第１導波体２１０は、フォトニックチップの側面２０Ａからブラッグ反射器３０まで延在している。第２導波体２２０は、ブラッグ反射器３０の下流に配置されている。

ブラッグ反射器３０は、交番する屈折率を有する、周期的に配置される複数の層を有する。これによって結果的に、周期的に配置される層の屈折率および距離による反射率が得られる。ブラッグ反射器３０の反射率は、ブラッグ反射器３０に印加される電流または電圧によって変調可能である。第１電気端子４１は、ブラック反射器３０の反射率を変調する電気変調信号をブラック反射器３０に供給するためにフォトニックチップ２０上に配置されている。

１次電磁放射は、フォトニックチップ２０上の第１導波体２１０に入力結合され、第１導波体２１０の主延在方向に沿ってブラッグ反射器３０に伝搬される。第１電気端子４１を介して供給される電気変調信号に依存するブラッグ反射器３０の反射率にしたがい、１次電磁放射の一部は、半導体レーザ１０に向かって反射され、一部は、２次電磁放射として、ブラッグ反射器３０の下流の第２導波体２２０に伝送される。

図２には、第２の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の側面図が示されている。オプトエレクトロニックモジュール１は、半導体レーザ１０、フォトニックチップ２０および結合光学系５０を有する。半導体レーザ１０は、フロントファセット１０Ａを通して１次電磁放射を放出する。結合光学系５０は、半導体レーザ１０とフォトニックチップ２０との間に配置されている。１次電磁放射は、結合光学系５０によってフォトニックチップ２０の側面２０Ａに導かれる。結合光学系５０は、例えば、レンズ、光ファイバおよび光コネクタを有していてもよい。したがって半導体レーザ１０は必ずしもフォトニックチップ２０の直ぐ近くに配置されている必要はない。

フォトニックチップ２０は、ケイ素、サファイアまたはガラスから作製される基板２１を有し、この基板２１上には第１導波体２１０および第２導波体２２０が配置されている。第１導波体２１０および第２導波体２２０は、ＬｉＮｂ，ＩＴＯ，ＳｉＮ，ＳｉＯまたは液晶材料から作製される。

図３には、オプトエレクトロニックモジュール１の第３の例示的な実施形態の概略平面図が示されている。オプトエレクトロニックモジュール１は、モノリシックに集積されている複数の半導体レーザ１０を有する。全ての半導体レーザ１０は、１つの連続した半導体基体１００から作製されている。

フォトニックチップ２０は、複数の第１導波体２１０、複数のブラック反射器３０および複数の第２導波体２２０を有する。第１導波体２１０およびブラッグ反射器３０はそれぞれの半導体レーザ１０に割り当てられている。それぞれのブラック反射器３０には、第２導波体２２０が割り当てられている。オプトエレクトロニックモジュール１の光出力パワーは、複数の半導体レーザ１０を使用することによって増大される。

全てのブラッグ反射器３０は、１つの第１電気端子４１に接続されている。ブラック反射器３０の反射率は、第１電気端子４１によって同時に変調可能である。

図４には、第４の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略平面図が示されている。第４の例示的な実施形態は実質的に、第３の例示的な実施形態に対応する。第３の例示的な実施形態とは異なり、図４のオプトエレクトロニックモジュール１は、モノリシックに集積されていない複数の半導体レーザ１０を有する。それぞれの半導体レーザ１０は、異なるドミナント波長を有する１次電磁放射を放出することが意図されている。

第１半導体レーザ１０は、赤色のスペクトル領域にドミナント波長を有する１次電磁放射を放出し、第２半導体レーザ１０は、緑色のスペクトル領域にドミナント波長を有する１次電磁放射を放出し、第３半導体レーザ１０は、青色のスペクトル領域にドミナント波長を有する１次電磁放射を放出し、第４半導体レーザ１０は、橙色のスペクトル領域にドミナント波長を有する１次電磁放射を放出することが意図されている。したがって、全ての半導体レーザ１０の放出は、所望の色出力を達成することを目的として、電磁放射を混合するために使用可能である。

光出力パワーを増大するために、それぞれの半導体レーザ１０は、モノリシックに集積された複数の半導体レーザ１０を有する半導体基体１００によって置き換え可能である。

図５には、第５の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略平面図が示されている。第５の例示的な実施形態は実質的に、第１の例示的な実施形態に対応する。第１の例示的な実施形態に加え、図５のオプトエレクトロニックモジュール１は、光変調器６０および第２電気端子４２を有する。光変調器６０は、例えば、２次電磁放射の位相および／または強度を変調するのに適したマッハ・ツェンダー変調器である。これにより、有利には半導体レーザ１０の連続動作モードが可能になり、２次電磁放射の最大変調周波数を増大させることができる。光変調器６０は、第２電気端子４２に印加される電気変調信号によって変調されることが可能である。

図６には、第６の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略平面図が示されている。第６の例示的な実施形態は実質的に、第５の例示的な実施形態に対応する。第５の例示的な実施形態に加え、図６のオプトエレクトロニックモジュールは、光検出器７０を有する。光検出器７０は、２次電磁放射の１０％未満を受け取る。光検出器７０は、例えば、半導体レーザ１０の光出力パワーを監視するフォトダイオードである。光検出器７０は、フォトニックチップ２０に単純にＧｅまたはＳｉを導入することによって作製可能である。電流または電圧は、光検出器７０に接続される第３電気端子４３において測定可能である。

図７には、第７の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略平面図が示されている。オプトエレクトロニックモジュール１は、３つの異なる半導体レーザ１０およびフォトニックチップ２０を有し、それぞれの半導体レーザ１０はフロントファセット１０Ａを有する。フォトニックチップ２０は、３つの第１導波体２１０、３つブラック反射器３０および３つの第２導波体２２０を有する。第１導波体２１０、ブラック反射器３０および第２導波体２２０はそれぞれ、１つの半導体レーザ１０に割り当てられている。第１電気端子４１は、電気変調信号によってブラック反射器３０の反射率を変調するためにそれぞれのブラック反射器３０に接続されている。

２次電磁放射は、第２導波体２２０によってフォトニックチップ２０から出力結合される。全ての第１導波体２２０は、フォトニックチップ２０の側面２０Ａに出力ファセット２２０Ａを有する。出力ファセット２２０Ａは、互いに横方向間隔Ｄ１で配置されている。横方向間隔Ｄ１は、１０μｍ未満である。これにより、フォトニックチップ２０の下流に配置される光学素子により、２次電磁放射のその後のプロジェクションおよび／またはコリメーションが簡単になる。

図８には、第８の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略平面が示されている。第８の例示的な実施形態は実質的に、第７の例示的な実施形態に対応する。第７の例示的に実施形態とは異なり、図８の第２導波体２２０は、共通出力ファセット２２０Ａを有する共通導波体に半導体レーザ１０の２次電磁放射を結合するビームコンバイナーを形成する。このような設計により、異なるドミナント波長を有するいくつかの半導体レーザ１０の１次電磁放射を重ね合わせることによって、単一ＲＧＢピクセルのプロジェクションが可能になる。このような光源のさらなるコリメーションおよび／または偏向が有利にも簡単になる。共通出力ファセット２２０Ａの横方向サイズが小さいことにより、これは点光源に極めて類似している。

図９には、第９の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略平面図が示されている。第９の例示的な実施形態は実質的に、第７の例示的な実施形態に対応する。第７の例示的に実施形態に加え、図９のフォトニックチップ２０は、複数の半導体光増幅器８０すなわちＳＯＡを有する。それぞれの第２導波体２２０には、半導体光増幅器８０が配置されている。半導体光増幅器８０により、電磁放射は、所望のレベルに増幅可能である。

それぞれの半導体光増幅器８０は、異なるドミナント波長を有する２次電磁放射を増幅するのに適している。青色および緑色発光用の半導体光増幅器８０は、ＩｎＧＡＮベースであり、サファイア基板またはＧａＮ基板またはフォトニックチップ２０上で直接、成長させられる。赤色発光の増幅用の半導体光増幅器８０は、異なる成長基板上に成長させられかつ引き続いてフォトニックチップ２０に取り付けられるいわゆるμＳＯＡとして作製される。

図１０には、第１０の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略平面図が示されている。第１０の例示的な実施形態は実質的に、第９の例示的な実施形態に対応する。第９の例示的に実施形態とは異なり、半導体レーザ１０は、フォトニックチップ２０上に配置されている。したがって、フォトニックチップ２０は、半導体レーザ１０用の機械的に安定した取り付けプラットフォームとして使用される。

フォトニックチップ２０上に半導体レーザ１０を配置することにより、第１導波体２１０がフォトニックチップ２０に導入される前にフォトニックチップ２０上に半導体レーザ１０が配置される、オプトエレクトロニックモジュール１の製造方法が可能になる。これにより、それぞれの半導体レーザ１０に対して、第１導波体２１０の個別の位置合わせが可能になる。導波体２１０は、極めて高い精度で実行可能なフォトリソグラフィを使用することによって製造可能である。例えば、半導体レーザ１０に対する第１導波体２１０の横方向の位置合わせ不良は、１μｍ未満、好ましくは０．１μｍ未満とすることが可能である。

図１１には、第１１の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略平面図が示されている。第１１の例示的な実施形態は実質的に、第１０の例示的な実施形態に対応する。第１０の例示的な実施形態に加え、半導体レーザ１０のフロントファセット１０Ａは、半導体レーザ１０の主延在方向に対して２°～３２°の角度で傾斜されている。さらに、第１導波体２１０は、第１導波体２１０の主延在方向に対して同様に２°～３２°の角度で傾斜されている入力結合ファセット２１０Ａを有する。好ましくは、フロントファセット１０Ａおよび／または入力結合ファセット２１０Ａは、反射率を最小化するために、１次電磁放射についてのブリュースター角に対応する角度で傾斜される。

図１２には、第１２の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略平面図が示されている。第１２の例示的な実施形態は実質的に、第１０の例示的な実施形態に対応する。第１０の例示的な実施形態に加え、いくつかの半導体レーザ１０のフロントファセット１０Ａと第１導波体２１０との間には、充填材料９０が配置されている。充填材料９０は、半導体レーザ１０によって放出される１次電磁放射に対して透過である。充填材料９０により、劣化を及ぼす環境影響からフロントファセット１０Ａが保護される。したがって有利には、フロントファセット１０Ａの密閉封止は不要である。充填材料９０は、シリコーンまたはエポキシ材料を有する。さらに、充填材料９０は、１次電磁放射の結合効率を改善するためのために、半導体レーザ１０の屈折率と第１導波体２１０の屈折率との間の屈折率を有していてよい。

図１３には、第１３の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略平面図が示されている。第１３の例示的な実施形態は実質的に、第１０の例示的な実施形態に対応する。第１０の例示的に実施形態に加え、図１３の第１導波体２１０は先細りになっている。第１導波体２１０の直径は、半導体レーザ１０からの距離が増大するのに伴って減少している。これにより、１次電磁放射の結合効率を改善することができる。

図１４には、第１４の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略平面図が示されている。第１４の例示的な実施形態は実質的に、第８の例示的な実施形態に対応する。第８の例示的な実施形態に加え、フォトニックチップ２０の出力ファセット２２０Ａの下流に光学素子２が配置されている。光学素子２は、例えば、出力ファセット２２０Ａから出力結合される２次電磁放射をコリメートとするように設計されている。

図１５には、第１５の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略平面図が示されている。第１５の例示的な実施形態は実質的に、第７の例示的な実施形態に対応する。第７の例示的な実施形態に加え、コリメーション光学系３および複数のミラー４が、フォトニックチップ２の下流に配置されている。出力ファセット２２０Ａから出力結合される２次電磁放射はさらに、コリメーション光学系３によってコリメートされ、その後、ミラー４によって偏向される。ミラー４は、所望の方向に、コリメートされた２次電磁放射の偏向を実現するために少なくとも１つの軸線において旋回可能である。このような配置は、プロジェクション装置における使用に特に適している可能性がある。

図１６には、第１６の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略平面図が示されている。第１６の例示的な実施形態は実質的に、第８の例示的な実施形態に対応する。第８の例示的な実施形態に加え、コリメーション光学系３および複数のミラー４が、フォトニックチップ２０の下流に配置されている。第２導波体２２０は、共通導波体に全ての半導体レーザ１０の２次電磁放射を結合するビームコンバイナーとして形成されている。

共通導波体の出力ファセット２２０Ａから出力結合される２次電磁放射はさらに、コリメーション光学系３によってコリメートされ、その後、ミラー４によって偏向される。ミラー４は、所望の方向に、コリメートされた２次電磁放射の偏向を実現するために少なくとも１つの軸線において旋回可能である。このような配置は、プロジェクション装置における使用に特に適している可能性がある。単一の出力ファセット２２０Ａを使用することにより、２次電磁放射のコリメーションが簡単になり、例えば第１５の例示的な実施形態に比べてより小型のコリメーション光学系３を使用することができる。

図１７には、第１７の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略平面図が示されている。第１７の例示的な実施形態は実質的に、第１５の例示的な実施形態に対応する。第１５の例示的な実施形態に加え、半導体レーザ１０、第１導波体２１０、ブラッグ反射器３０および第２導波体２２０の個数を増やす（図１７では点で示されている）ことにより、増大した光出力パワーおよび／またはより高い表示解像度が達成される。

図１８には、第１８の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略平面図が示されている。第１８の例示的な実施形態は実質的に、第１６の例示的な実施形態に対応する。第１６の例示的な実施形態に加え、半導体レーザ１０、第１導波体２１０、ブラッグ反射器３０および第２導波体２２０の個数を増やす（図１８では点で示されている）ことにより、増大した光出力パワーおよび／またはより高い表示解像度が達成される。

図１９には、第１９の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略側面図が示されている。オプトエレクトロニックモジュール１は、半導体レーザ１０およびフォトニックチップ２０を有する。フォトニックチップ２０は、ガラス、サファイアまたはケイ素から作製される基板２１を有する。さらに、フォトニックチップ２０は、基板２１上に配置されている第１導波体２１０および第２導波体２２０を有する。半導体レーザ１０は、フロントファセット１０Ａを通して１次電磁放射を放出し、フォトニックチップ２０上に配置されている。１次電磁放射は、フォトニックチップ２０の側面２１０Ａにおける入力結合ファセットを通して第１導波体２１０に入力結合される。

フォトニックチップ２０は、フォトニックチップ２０の主延在面から２次電磁放射を偏向するように設計されている光偏向器２３０を有する。好ましくは光偏向器２３０により、フォトニックチップ２０の主延在面に対して垂直な方向に２次電磁放射が偏向される。したがって、オプトエレクトロニックモジュール１の下流の付加的な外部光偏向素子を省略することができる。

図２０には、第２０の例示的な実施形態によるオプトエレクトロニックモジュール１の概略側面図が示されている。第２０の例示的な実施形態は実質的に、第１９の例示的な実施形態に対応する。第１９の例示的な実施形態に加え、コリメーション光学系３が、光偏向器２３０の下流に配置されている。コリメーション光学系３は、フォトニックチップ２０上に直接配置可能である。有利にはオプトエレクトロニックモジュール１の下流に別の外部コリメーション光学系３は不要である。

本明細書で説明する本発明は、例示的な実施形態を参照して示される説明によって限定されない。むしろ本発明には、特に、特許請求の範囲の特徴の任意の組み合わせを含め、任意の新たな特徴および特徴の任意の組み合わせが包含されており、このことは、この特徴またはこの組み合わせそれ自体が、特許請求の範囲または例示的な実施形態に明に示されていないとしても当てはまるものである。

本特許明細書は、米国特許出願公開第２０２２／００９１４４４号明細書の優先権を主張するものであり、開示内容は、参照によってこの明細書に取り込まれるものである。

１ オプトエレクトロニックモジュール
２ 光学素子
３ コリメーション光学系
４ ミラー
１０ 半導体レーザ
１０Ａ フロントファセット
２０ フォトニックチップ
２０Ａ 側面
２１ 基板
３０ ブラッグ反射器
４１ 第１電気端子
４２ 第２電気端子
４３ 第３電気端子
５０ 結合光学系
６０ 光変調器
７０ 光検出器
８０ 光増幅器
９０ 充填材料
１００ 半導体基体
２１０ 第１導波体
２１０Ａ 入力結合ファセット
２２０ 第２導波体
２２０Ａ 出力ファセット
２３０ 光偏向器
Ｄ１ 横方向間隔

Claims (20)

1. 少なくとも１つの半導体レーザ（１０）およびフォトニックチップ（２０）を有するオプトエレクトロニックモジュール（１）であって、
   前記半導体レーザ（１０）は、１次電磁放射を放出し、
   前記１次電磁放射は、前記フォトニックチップ（２０）に入力結合され、
   前記フォトニックチップ（２０）は、少なくとも１つの第１導波体（２１０）と、電気変調信号によって変調される反射率を有する少なくとも１つの光ブラッグ反射器（３０）とを有し、
   ２次電磁放射は、少なくとも１つの第２導波体（２２０）によって前記フォトニックチップ（２０）から出力結合され、前記２次電磁放射は、前記電気変調信号に応じて変調されるドミナント波長を有する、オプトエレクトロニックモジュール（１）。
2. 前記半導体レーザ（１０）は、反射防止コーティングによって覆われたフロントファセット（１０Ａ）を有する、請求項１記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）。
3. 前記１次電磁放射は、第１スペクトル帯域幅を有し、前記２次電磁放射は、前記第１スペクトル帯域幅よりも広くかつ前記電気変調信号によって制御される第２スペクトル帯域幅を有する、請求項１または２記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）。
4. 前記１次電磁放射の前記ドミナント波長および前記第２次電磁放射の前記ドミナント波長は、可視スペクトル領域にある、請求項１から３までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）。
5. 複数の半導体レーザ（１０）と、複数の第１導波体（２１０）と、複数のブラッグ反射器（３０）とを有し、１つの前記第１導波体（２１０）および１つの前記ブラッグ反射器（３０）が、それぞれの前記半導体レーザ（１０）に割り当てられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）。
6. 複数の前記半導体レーザ（１０）は、モノリシックに集積されている、請求項５記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）。
7. 複数の前記第２導波体（２２０）が、前記フォトニックチップ（２０）の側面（２０Ａ）まで延在しておりかつ前記フォトニックチップ（２０）の前記側面（２０Ａ）において互いに１０μｍ未満の横方向間隔（Ｄ１）以内で配置されている、請求項５または６記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）。
8. 前記第２導波体（２２０）は、共通出力ファセットを有する共通導波体に前記半導体レーザ（１０）の前記２次電磁放射を結合するビームコンバイナーである、請求項５から７までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）。
9. 少なくとも３つの異なる前記半導体レーザ（１０）を有し、それぞれの前記半導体レーザ（１０）により、異なるドミナント波長を有する１次電磁放射が放出される、請求項５から８までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）。
10. 前記半導体レーザ（１０）は、前記フォトニックチップ（２０）上に配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）。
11. 前記フロントファセット（１０Ａ）から前記第１導波体（２１０）まで延在している領域には、前記１次電磁放射に対して透過である充填材料（９０）が充填されている、請求項１０記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）。
12. 前記第１導波体（２１０）、前記第２導波体（２２０）および／または前記ブラッグ反射器（３０）は、次の材料、すなわち、ＬｉＮｂ，ＩＴＯ，ＳｉＮ，ＳｉＯ，液晶材料のうちの１つから作製される、請求項１から１１までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）。
13. 前記第１導波体（２１０）は、単一モード導波体である、請求項１から１２までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）。
14. 前記第１導波体（２１０）は、前記フロントファセット（１０Ａ）から前記ブラッグ反射器（３０）に向かって先細りになっている、請求項１から１３までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）。
15. 前記フォトニックチップ（２０）は、ケイ素、ガラスまたはサファイアから作製される基板（２１）を有する、請求項１から１４までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）。
16. 前記フォトニックチップ（２０）は、前記ブラッグ反射器（３０）の下流に少なくとも１つの光変調器（６０）を有する、請求項１から１５までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）。
17. 前記フォトニックチップ（２０）は、前記フォトニックチップ（２０）の主延在面から前記２次電磁放射を偏向する光偏向器（２３０）を有する、請求項１から１６までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）。
18. 請求項１から１７までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）を作動させる方法であって、前記ブラッグ反射器（３０）により、１ｎｓ当たり少なくとも２ｎｍの変調速度で前記２次電磁放射の前記ドミナント波長を変調する、方法。
19. 請求項１から１７までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）を作動させる方法であって、前記ブラッグ反射器（３０）により、少なくとも１０ｎｍのスペクトル領域内で前記２次電磁放射の前記ドミナント波長を変調する、方法。
20. 請求項１から１７までのいずれか１項記載のオプトエレクトロニックモジュール（１）を有するヘッドマウントディスプレイ。

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