TWI465830B - 視覺顯示用發光裝置 - Google Patents

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TWI465830B
TWI465830B TW096137186A TW96137186A TWI465830B TW I465830 B TWI465830 B TW I465830B TW 096137186 A TW096137186 A TW 096137186A TW 96137186 A TW96137186 A TW 96137186A TW I465830 B TWI465830 B TW I465830B
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light pulse
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Janne Konttinen
Pietari Tuomisto
Tomi Jouhti
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Epicrystals Oy
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Description

視覺顯示用發光裝置
本發明與發光裝置有關，特別是視覺應用上之發光裝置。
影像投射機可包含提供光給調制器(modulator)陣列之光源。該調制器陣列之像素(pixels)所傳送或反射之光可接著藉投射光學透鏡投射至外部銀幕以顯示影像。
當使用影像投射機時，由雷射光源所提供之高光學強度及低偏差是有利之特性。但是，強力半導體雷射發射器之典型光波長是紅光或紅外線區域。
視覺應用上之藍光及/或綠光可藉由倍頻(frequency-doubling)產生是已知的。對於倍頻，美國專利第2006/23757號揭示一具有非線性晶體之鎖模表面發光雷射(mode-locked surface-emitting laser)。
本發明之目的在於提供一種可放射一或多可見波長之裝置。
本發明之第一個特徵是發光裝置，包括：- 具有電激發增益區(gain region)之波導器(wave guide)，- 飽和吸收器(saturable absorber)，- 反射結構，- 基片(substrate)，及- 非線性介質(nonlinear medium)， 其中，該飽和吸收器及該增益區是用以從該波導器之終端發射第一光脈衝，該反射結構是用以將該第一光脈衝反射至該非線性介質，該非線性介質是用以產生第二光脈衝，該第二光脈衝之光學頻率是該第一光脈衝之兩倍；該增益區，該飽和吸收器及該反射結構是建置於該基片上以致使該反射結構改變該第一光脈衝之方向，其改變之角度範圍為70至110度。
本發明之第二個特徵是一種使用電激發增益區之波導器、飽和吸收器、反射結構、基片及非線性介質以產生光脈衝之方法，該增益區、該飽和吸收器及該反射結構是建置於該基片，該方法包含：- 利用該飽和吸收器及該增益區以從該波導器之終端提供第一光脈衝，- 利用該反射結構以改變該第一光脈衝之方向，其改變角度之範圍是70至110度，及- 耦合該第一光脈衝進入該非線性介質以產生第二光脈衝，該第二光脈衝之光學頻率是該第一光脈衝之兩倍。
本發明之第三個特徵是提供一種包括光源裝置及投射透鏡之投射裝置，該光源裝置進一步包括：- 具有電激發增益區之波導器，- 飽和吸收器，- 反射結構，- 基片，及- 非線性介質， 其中，該飽和吸收器及該增益區是用以從該波導器之終端發射第一光脈衝，該反射結構是用以將該第一光脈衝反射至該非線性介質，該非線性介質是用以產生第二光脈衝，該第二光脈衝之光學頻率是該第一光脈衝之兩倍；該增益區，該飽和吸收器及該反射結構是建置於該基片以致使該反射結構改變該第一光脈衝之方向，其改變角度之範圍為70至110度。
由於該傾斜之反射結構，該發光裝置之操作可受測試於一晶圓於該發光裝置離開該晶圓之前。
由於該傾斜之反射結構，非線性晶體可相對於發射之基本光柱作校準。
相較於先前技術之線性邊射(edge-emitting)安排，該增益區、該飽和吸收器及該反射結構之建置於該共同之基片能提供相當之穩固。
在一實施例中，該增益區、該飽和吸收器、該傾斜之反射結構及該非線性晶體是附著於一共同之半導體基片，如此可提供一穩固之結構。
固態氣體表面可在光腔(optical cavity)中造成相反之反射。該等反射可被減少，例如使用抗反射塗層。但是，直接使用抗反射塗層於該增益區之終端可能由於塗層之面積小而產生問題。在一實施例中，由於該傾斜之反射結構，該抗反射塗層可應用在該基片之表面以取代發射器之斷裂邊。
在特定案例中，甚至無法在晶圓級處理中，直接在增益區之終端使用抗反射塗層。
歸功於該傾斜之反射結構，發光裝置之光學表面於晶圓級處理中可被鈍化，其有助於低成本之大量生產。
高峰強度也可能導致半導體晶面之災難性光學傷害(catastrophic optical damage，COD)。在實施中，高強度在發射器之斷裂邊之情況可被避免。由於該傾斜之反射結構，放射之基本光柱之光功率可被分佈於較大之基片表面，如此導致強度之減小。該基片可選用比傳統邊射半導體雷射之邊更寬之帶隙(band gap)，如此基片材質對於災難性光學傷害可具有較高臨界強度。
在一實施例中，非常短的光脈衝可產生於光學品質開關(Q-switch)之設置，其中非線性晶體包含布拉格光栅(Bragg grating)以透過該晶體提供頻率選擇性光回饋(optical feedback)給增益區。該晶體與該光栅結合之反射性可實質上在高強度值上減少，其可允許光脈衝由傾腔(cavity dumping)產生。
該發光裝置適用於放射高重覆率(repetition rate)之短光脈衝。該脈衝之持續期間可能例如為500fs至1ns。該脈衝之重覆率可能例如為100MHz至100GHz。該連續脈衝具有短同調長度(coherence length)且實質上互為不同調。因此，相較於連續操作雷射產生之光，該脈衝光產生更低之斑點對比值(speckle contrast)。同調光所形成之影像基本上於視覺觀賞上會產生干擾之斑點圖案。
當光源提供高重覆率之短光脈衝，該斑點對比值可實質上減少。由於該脈衝之短持續期間，該脈衝具有可進一步減 少斑點對比值之寬頻譜。
在實施例中，發光裝置包括適用於實質上獨立發射光脈衝之複數發射器。因此，相較於單一發射器裝置，斑點對比值可大量減少。高斑點對比值基本上相當干擾視覺且降低投射影像之品質。
由於該脈衝操作，該峰值功率可實質上高於連續操作雷射裝置之峰值功率。該峰值光功率可能是平均光功率之10倍以上，或甚至100倍以上。因此，非線性晶體之二次諧波產生之效率可大大增加。
由於該脈衝操作於高重覆率，該裝置相較於提供相同光功率於相同可見波長之連續操作裝置可消耗較少之電功率。因此，該裝置可能產生較低溫及具有較高可靠度。因此，所需之冷卻單元之重量及尺寸將可減少。
可選擇非常小之個別光脈衝之能量使其對人眼不構成傷害。該個別光脈衝之能量可例如實質小於1nJ。在實施例中，該發光裝置可考慮提供實質上非同調光。法規管理非同調光源之使用在某些狀態較為寬鬆。
極化穩定相較於先前技術之垂直空腔表面發射雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers，VCSEL)是較優的。在實施例中，極化穩定允許週期極化非線性晶體之有效使用。
參見圖1，發光裝置400包括：具有增益區20之波導器24，半導體飽和吸收器40，第一反射結構60，第二反射結構M1，基片10，及非線性晶體140。該飽和吸收器40及第一反 射結構60之結合也以縮寫SESAM(Semiconductor Saturable Absorber Mirror；半導體飽和吸收器鏡面)為人所知。該第二反射結構M1在此也稱作傾斜反射結構M1或耦合結構M1。該第一反射結構60在此也稱作後反射器60。增益區20、半導體飽和吸收器40及傾斜反射結構M1是安置於相同之基片10。
雷射發射器E1可包含：後反射器60、飽和吸收器40及增益區20。若所選增益區的增射會足夠高，則圖1之發射器E1可提供雷射光。發射器E1提供來自波導器20的一第一端之光脈衝B1。該光脈衝B1係耦合進非線性晶體140中，以提供相較於光線B1具有兩倍光學頻率及一半波長之一第二光脈衝B2，即，提供二次諧波產生(SHG：second harmonic generation)。換言之，該非線性介質係適於產生二次光，使得由非線性晶體所提供之光線B2的光學頻率是光線B1的光學頻率之兩倍。
傾斜反射結構M1可將波導器24所放射之光柱B1反射進入非線性晶體140。該傾斜反射結構M1改變該光柱B1之角度方向β，其範圍是70至100度。此例中，該角度β實質上等於90度。
該波導器24可能是脊狀波導器，亦即，該波導器具有脊樑之形式(見圖23)。該波導器24平行於SX方向。光線縱向傳播，即實質上在波導器之SX方向上，藉該波導器24側邊之完全內部反射被約束於該波導器。
該傾斜反射結構M1可適於將由發射器E1所提供之光柱B1反射至一實質垂直方向SZ。該方向SZ是垂直於方向SX。 假若該傾斜反射結構M1是反射表面，例如鏡面，則反射表面與方向SX之間的角度α是35至55度。此例中，該角度α可實質上為45度。
共同基片10可對光柱B1實質上透明，以允許光柱B1垂直通過該共同基片10。此外，非線性晶體140也可附著於該共同基片10，當光柱B1被反射通過該基片10進入該晶體140。
配設非線性晶體140於共同基片10之一實質上水平表面，且引導該光柱B1實質上垂直進入該晶體140，如此可允許該晶體140，相較於沒有該傾斜反射結構M1之線性設計，更容易對準該光柱B1。該線性設計顯示於圖32及33。
該傾斜反射結構M1可藉波導器之傾斜末端來實行(圖24)。
該後反射器60可與波導器24接觸或相隔一個空間。該波導器24可與該傾斜反射結構M1接觸或相隔一個空間。該非線性晶體140可與該共同基片10接觸或相隔一個空間。該飽和吸收器40可與該增益區20接觸或相隔一個空間。該光學表面可具有抗反射(AR)塗層。
第二反射結構M1用以耦合進入非線性介質之光線。該第二反射結構M1也可能是一繞射光柵(diffraction grating)，其可例如應用在波導器24之側邊以繞射光柱B1實質上垂直於非線性晶體140。應強調的是，該光柵也可與波導器24實質上平行，如此該第二反射結構，亦即該耦合結構M1，不需要必定相對於該波導器24呈傾斜狀態。
該光柱B1之藉該傾斜反射結構之重新導向可允許實行穩 定之摺疊架構。
該後反射器60用以反射從該增益區20之第二終端發射之光線，經由飽和吸收器40回到該增益區20，亦即，SX方向。該第一反射結構60之反射比是經選擇以提供足夠之光學回饋。該第一反射結構60之反射比可能例如在30-95%之範圍。該第一反射結構60可藉該波導器24之斷裂端來實行。
由於該積體傾斜反射結構，發射器E1之操作可經測試於其離開晶片之前。因此，任何有缺點之發射器E1可在進一步處理之前被確認，如此可節省成本花費。
因此，製造發光裝置400之方法可包括：建置增益區20於晶片10，建置飽和吸收器40於該晶片10，建置反射結構M1於該晶片10，基於由該反射結構M1反射之第一光脈衝B1，量測至少一效能參數。
參見圖2，該後反射器60也可是一建置在該波導器24之側邊之布拉格光栅。
當發光裝置400不包括高Q光學空腔，其可藉增益開關或藉改變在飽和吸收器40之強度依變(intensity-dependent)損失以提供光脈衝B1，亦即，使用一類似Q開關之處理。該“Q”代表品質係數。
該吸收器40初始是低度光之吸收狀態。該增益區20之增益是先前光脈衝發射後之暫時減少。經由該吸收器40傳送之強度隨著入射光強度之增加而增加，直至該強度達到該吸收器 40之飽和程度。該後反射器60與該吸收器40之結合之反射比此刻忽然增加，其導致在該增益區20放大之光強度之激增。但是，高強度之產生減少了該增益區20之增益，其原因在於光譜燒孔(Spectral hole burning)效應，其產生該脈衝之下降緣(falling edge)。該飽和吸收器40可具有足夠短之載波生命期以促成極短脈衝。該強度迅速減少至需要設定吸收器為吸收狀態之程度，因此，上述週期可重複開始。
參見圖3，發光裝置400可進一步包括一光學空腔，亦即一光學共振器，用以控制光柱B1之特性及/或促使自發性放射(spontaneous emission)選擇性波長放大。該光學空腔是由後反射器60及部份反射結構80構成。該部份反射結構80可例如介於該增益區20及該傾斜反射結構M1之間。該部份反射結構80之反射比可例如在3至70%之範圍內。該部份反射結構80可例如由發射器E1之斷裂端建置成，亦即使用一介於固體及氣體間之反射介面。該空腔可能是一法布立培若空腔(Fabry-Perot cavity)。
該空腔，包括增益區20及飽和吸收器40，可用以提供在水平方向SX之光脈衝B1。
該飽和吸收器40可被反向偏移。飽和吸收器40之飽和吸收可致使發射之光柱B1之脈動以第一近似值(first approximation)與該空腔之光學長度成反向比例。
當發光裝置400包含光學空腔，其可由增益開關、主動模式鎖、被動模式鎖、主動Q開關、被動Q開關及/或半被動Q開關提供光脈衝B1。
該發光裝置400可被設定為Q開關操作，例如藉選擇足夠高之飽和吸收器40之反向偏移電壓(reverse bias voltage)、選擇飽和吸收器40之光學長度、選擇足夠高之飽和吸收器40之飽和光學吸收值、及/或選擇夠低之前反射器80及/或後反射器60之反射值。
該傾斜反射結構M1可用以提供非常低之光回饋至增益區20，如此可允許該增益區之操作於高偏移電流，而依然維持發光裝置400之脈動操作。
在被動Q開關，飽和吸收器40之偏移電壓維持在大體上固定之程度。在活動Q開關，飽和吸收器40之光學損失是藉由調整該飽和吸收器之偏移電壓來控制。
半被動Q開關意指飽和吸收器40之偏移電壓被調整以控制雷射之開或關，但是一序列之單獨脈衝是由主動Q開關產生(見圖29a及29c)。
除Q開關之外，即使在非常高之頻率，增益區20之驅動電流可被調整，以開啟或關閉雷射。
應注意的是，調整增益區20之操作電流以產生光脈衝，轉換電功率為光之效率於不使用Q開關之時候將比使用Q開關之時候來的小。此歸因於耦合進入雷射發射器之電功率及相對光輸出之間的非線性關係。較高之偏移電流需要較高之電壓，如此導致效率降低。對應成倍輸入電功率之光功率基本上比沒有該成倍輸入電功率時候之光功率之兩倍還少。
脈衝重複率之範圍可能例如是100MHz至100GHz。尤其，該脈衝重複率之範圍可能在100MHz至100GHz。該脈衝 之持續期間可依序為500飛秒(femtoseconds)至1奈秒(nanosecond)，然而個別光脈衝之能量可維持小於1nJ(nanoJoule，奈焦耳)。因此，單一發射器E1所發射之個別光脈衝之尖峰功率可能範圍是例如在0.5W至10W。
該脈衝重複率之範圍也可能在1GHz至500GHz。該脈衝重複率之範圍可能在1PS至10PS。單一發射器E1所發射之個別光脈衝之尖峰功率之範圍也可能在10W至50W。飽和吸收器40之速度及增益區決定光脈衝之最小持續期間。此外，該雷射空腔之光子生命期對脈衝特性有影響。為了有效之成倍頻率，該光脈衝必須由短、高強度脈衝達成之高強度。脈衝寬度越短及脈衝重複率越高，則人眼所接收之斑點對比值(speckle contrast)越低。尤其在被動Q開關之情況下，個別光脈衝之相位大體上是隨機的，造成脈衝間之隨機干擾。
一般而言，脈衝寬度越短、脈衝之光頻寬越寬、及/或脈衝重複率越高，則人眼所接收之斑點對比值越低。
人眼之積分時間(integration time)之典型範圍是在10ms。若單一發射器之脈衝重複率是10GHz，則人眼可接收依據10ms積分時間之短同調長度(short coherence)脈衝所形成之斑點型(speckle patterns)達1千萬。藉由進一步減少脈衝寬度、增加脈衝重複率、及使用複數單一發射器，所接收之斑點圖樣(speckle patterns)可甚至大於109 每10ms，大大減少斑點對比值。
因此，一非常低之斑點對比值可利用大量單獨發射器提供具有短同調長度及高重複率之第一光脈衝B1。
脈衝持續期之減少可能也導致尖峰強度之增加，及因此在轉換電能至可見光能之時候具有較高之效率。
飽和吸收器40之回復時間可被減少，例如增加飽和吸收器40之反向偏差電壓或在晶體導入雜質，例如離子植入法(ion implantation)。
腔內光柱B0之強度可實質上大於透過部份反射結構之光柱B1之強度。
發光裝置400可進一步在後反射器60及部份反射結構80之間包含一相位轉換區(未顯示)。
參見圖4，部份反射結構80可為布拉格光栅。因此，發射器E1可作用為分佈回饋式(distributed feedback,DFB)雷射。該布拉格光栅可例如建置在導波器24之側邊。
參見圖5，部份反射結構80也可配設在傾斜反射結構M1之後方以施行摺疊空腔雷射。換言之，該傾斜反射結構M1是光學上介於增益區20及部份反射結構80之間。該部份反射結構80可位於共同基片10之水平表面。
部份反射結構80也可為分佈式布拉格反射器，其為介於基片10與傾斜反射結構M1之間之磊晶成長(epitaxially grown)。
參見圖6，傾斜反射結構M1可用以引導反射光線依SZ方向遠離共同基片10。該共同基片在此實施例中不需是透明的。
參見圖7，發光裝置400可包括進一步之增益區或增益模組150。該進一步之增益模組150可藉放大從波導器24末端 放射出的主要光柱B00而提供光柱B1。該放大之光柱B1可接著耦合進入該非線性晶體140。
參見圖8，發光裝置400可包括聚光結構120用以準直或聚焦光線B1進入非線性晶體140。該聚光結構120實質上是一圓柱形的透鏡，其可用以準直或聚焦光線B1於快軸方向，即方向SX。從波導管24發射之光柱之快軸最初是方向SZ，但經由該結構M1之反射後，快軸之方向是SX。
光線之聚焦可包含提供一近乎準直之光柱。
該聚光結構120可被設置在共同基片10與非線性晶體140之間。例如，透鏡120可例如以光學膠(optical cement)附著於基片10。
該相同之透鏡120也可用以準直快軸方向及慢軸方向之光柱B1。該透鏡120可例如是橢球面，或該透鏡120之第一表面是SZ方向之圓柱狀曲面及第一表面是SY方向之圓柱狀曲面(見圖13)。
該聚光結構120也可能是一取代透鏡之繞射結構或加諸透鏡之繞射結構，用以聚集或準直光柱B1進入非線性晶體140。
參見圖9，基片10之表面之一部份可以是實質圓柱狀，用以在快軸方向聚集或準直光柱B1。
因此，傾斜反射結構M1之使用允許積體圓柱透鏡能有效地耦合光柱B1進入附屬之非線性晶體140，特別是進入附屬非線性晶體140之波導器142(圖19a-20c，圖21)。
參見圖10，該部份反射結構80也可設置於聚光結構120 與非線性晶體140之間，以構成摺疊雷射空腔。
此外，基片10之上表面、透鏡120之表面、或非線性晶體140之表面可作用為部份反射結構80。介質塗層(dielectric coating)可施用在表面以加強反射。
參見圖11，非線性晶體140可包括布拉格光栅82以提供回饋給增益區，例如，使用光學空腔。該非線性晶體可包括波導器142以限制光線及改進頻率轉換效率。
發光裝置400可包括布拉格光栅元件以提供選擇性頻率回饋給增益區20。該布拉格光栅元件可例如配設在非線性晶體140之表面，使得第一光脈衝B1反射逆向通過晶體140。另外，該布拉格光栅元件也可配設在晶體140及基板10之間(見圖5)。
斑點對比值可藉減少發射器E1所提供之光脈衝之持續期間而降至最小。短光脈衝之使用也提供良好之效率於轉換電能源成為可見波長之光能源。尤其，非常短之光脈衝可被提供於發射之高強度脈衝僅一次穿越增益區20之時候。此可例如藉空腔傾倒(cavity dumping)來達成。布拉格光栅82可用以在預定之基礎光脈衝B1，亦即所述之光脈衝B1之波長時，提供選擇性頻率回饋。該布拉格光栅82可藉空腔傾倒給予基礎頻率之穩定及光脈衝之產生。非線性晶體140及布拉格光栅82之組合於高強度光脈衝所提供之光回饋是實質上小於在低強度光脈衝之時候。由於該強度依存之回饋，所產生脈衝之下降時刻可能非常短。因此，可見光之極短及高強度之光脈衝可高效率地產生。
飽和吸收器40、增益區20及非線性介質依據光學安排在後反射器60與布拉格光栅82之間。該飽和吸收器40及該增益區20用以放射第一光脈衝B1，其被耦合進入該非線性介質而產生第二光脈衝B2。該增益區20也藉放大之自發放射發射該低強度光，使得該低強度光具有實質上低於該第一光脈衝之強度。該低強度光被耦合通過該非線性介質進入該布拉格光栅82，使得該光栅82用以反射光選擇性頻率回歸至該增益區20以穩定該第一光脈衝B1之光學頻率。
布拉格光栅82及非線性晶體140之結合在低強度值及基本頻率時可有高反射率，其增強光線於基本頻率。在較高強度時，光脈衝B1於基本頻率之能量可於單程處理被轉換成於第二諧頻光脈衝B2。該單程轉換效率在包含非線性介質之波導器142中甚至可能大於80%。基本光脈衝B1轉換成第二諧頻光脈衝B2於高強度時，會減少布拉格光栅82及非線性晶體140之結合之反射率而造成空腔傾倒。
布拉格光栅82可建置在波導器142側邊或波導器142內部。該波導器142之傳播及該布拉格光栅82之光柵週期可經選擇，使得布拉格光栅82之反射率於第一光脈衝B1之時候實質上低於大於其在第二光脈衝B2之時候。換言之，布拉格光柵82可實質上針對該第二光脈衝B2傳送。
波導器142也可包括一電鍍層，其具有比該波導器142之核心更低之折射指標。該布拉格光栅可建置在該電鍍層之側邊。該波導器之核心及該布拉格光栅82之繞射裝置之距離可經選擇，使得該布拉格光栅82之反射率於第一光脈衝B1之 時候實質上大於在第二光脈衝B2之時候。
參見圖12，空腔之因態氣體表面之有害反射可進一步藉使用抗反射塗層AR1及AR2來減少。共同基片10之表面、透鏡120之表面及/或非線性晶體140可具有抗反射塗層AR1及AR2以減少至增益區20之寬頻回饋及加強光柱B1之尖峰光學功率至最大。一個由使用傾斜反射結構M1所獲得之好處是相較於放射器E1之波導器24之末端，抗反射塗層AR1及AR2更易塗在基片10、透鏡120及/或晶體140上。
參見圖13，發光裝置400可包含複數相鄰排成陣列於基片10之雷射發射器E1a、E1b及E1c。陣列A1之發射器E1a、E1b及E1c之波導器24實質上相互平行。陣列A1可包括2或更多如上述圖1至12之雷射發射器E1。
方向SY垂直於方向SX及SZ。
在陣列A1之發射器數目之範圍可為2至5。該發射器數目之範圍也可為6至50，以提供高功率及/或低斑點對比值。該發射器數目之範圍甚至可為51至2000，以執行非常低之斑點對比值及高光通量(Luminous flux)。
該等發射器之中心線距離可在25至100μm。寬度2.5mm之陣列可包含25至100個單獨發射器E1a、E1b、E1c、等等。該等中心線可實質上在同一平面上。
陣列A1之發射器E1a、E1b、E1c提供之光線可由傾斜反射結構M1反射及由共同聚光結構120準直或聚焦進入共同非線性晶體140。該聚光結構120可能是實質筒狀透鏡120，用以準直或聚焦光線快軸方向，即SX方向。
發射器E1a、E1b、E1c提供之光線也可藉使用數個單獨傾斜反射結構M1以耦合進入非線性晶體140(圖15)。但是，單一共同傾斜反射結構M1之施行可能比複數分離結構M1之施行更為昂貴。
該非線性晶體140可包含一或多個波導器142a、142b、及142c以約束該耦合光線。該波導器142a、142b、及142c包含非線性介質。該等波導器之目的是沿晶體長度方向(即垂直方向SZ)保持高強度，以達到更有效之單程頻率耦合。
波導器142a、142b、及142c之高度可例如為5μm，寬度可例如為7μm。該高度(SX方向)及寬度(SY方向)垂直於光柱B1在波導器142a、142b、及142c之傳播方向SZ。
波導器142a、142b、及142c可建置在非線性晶體140之側邊，例如使用退火質子交換(APE)或使用擴散，例如鋅或鈦擴散。
複數相鄰平行波導器142a、142b、及142c可提供複數相鄰耦合頻率光柱B2a、B2b、及B2c等等。
照射在波導器142a、142b、及142c之光柱B1之大小可藉減少聚光結構120及波導器142a、142b、142c之間之光學距離而最小化，接著可藉減少該聚光結構120之焦點長度而完成。各波導器142a、142b、及142c之輸入端可配設在由該聚光結構120聚焦或準直之光柱之中部。發射器E1a、E1b、E1c之波導器24可經設計，使得光柱B1a、B1b、及B1c之分離最小化。
發光裝置400也可進一步包括圓柱狀表面或透鏡(圖18) 以在慢軸方向SY準直或聚焦光柱B1。包括複數非共平面之多面124a、124b、124c以在慢軸方向SY準直或聚焦光柱B1。(圖19a及19b)。該非線性晶體140也可具有繞射結構以準直或聚焦光線B1或B2。
該非線性晶體140可藉一墊片附著於基片10。該晶體之位置可藉選擇墊片122之厚度而設定。
參見圖14，發光裝置400可包含兩個相對之發射器陣列A1及A2以增加功率及進一步減少斑點對比值。該相對之陣列A1及A2可建置於共同基片10。陣列A1之發射器E1a、E1b、E1c所提供之光線與陣列A2之發射器E2a、E2b、E2c所提供之光線可藉共同圓柱透鏡120準直進入共同非線性晶體140。該透鏡120可用以在外軸方向亦即，方向SX，準直或聚焦光線。陣列A1所提供之光柱可被傾斜反射結構M1反射，及陣列A2所提供之光柱可被第二傾斜反射結構M2反射。發射器E1a、E1b、E1c、E2a、E2b、E2c可參見上述圖1至圖12。陣列A1及A2之發射器可大體上類似。
發射器E1a、E1b、E1c、E2a、E2b、E2c可藉已知之半導體處理技術實質上同時建置在共同基片10。
由不同發射器E1a、E1b、E1c、E2a、E2b、E2c所提供之光柱在非線性晶體140內可維持實質上分離狀態。
參見圖15，傾斜反射結構M1，M2可交錯，使得反射光柱B1可實質上在方向SY及SZ限定之相同垂直面上。
參見圖16，第一發射器E1及第二發射器E2可建置在共同基片10，使得該及第二發射器E2可實質上與第一發射器 E1相對。發射器E1，E2可由反射結構M1，M2反射通過基片10。光柱B1可藉共同透鏡120準直進入共同非線性晶體140。該非線性晶體140可具有光限定波導器142在晶體140之兩側，如圖16所示。從相對發射器E1及E2所發射之光柱B1也被集中至該晶體140之一表面之共同波導器142。
垂直光柱B1之反射點之間之距離L3之範圍可例如為3至15μm。由於快軸背離，光柱B1之寬度L6在基片10之上表面之範圍可在15至80μm。
參見圖17，反射結構M1，M2可用以將發射器E1及E2提供之光柱B1反射離開基片10進入非線性晶體140。
參見圖18，發光裝置400可進一步包含圓柱狀透鏡或表面124以於慢軸方向準直或聚焦光線。
參見圖19a，非線性晶體14之波導器142a、142b、142c之輸入端具有錐狀部已收集光線進入波導器142a、142b、142c之窄細部。波導器142a、142b、142c之輸入端可具有折射光線之非平面之面部(non-planar facet)，用以收集光線進入波導器142a、142b、142c之窄細部。同時波導器142a、142b、142c之輸出端可具有錐狀部及/或面部。
該非平面之面部可例如是凸狀或凹狀。該非線性晶體可例如具有複數個實質圓柱狀表面124a、124b、124c已聚焦獲准直光線進入複數波導器142a、142b、142c。因此，光柱B1之耦合效率可獲改善及/或第二諧光B2之分離可被減少。
參見圖19b，該非平面之面部可例如在非線性晶體140之表面形成蝕刻狀。該蝕刻狀可形成於接近非線性晶體140之表 面。該蝕刻狀之深度可例如為20μm。
參見圖20a及20b，非線性晶體140可在方向SY，即沿著非線性晶體140之表面，形成週期極化以提供準相位匹配(quasi phase matching)條件。該晶體140可包含由空間週期電場極化之鐵電材料。因此，該非線性晶體140可包括規律間隔極化區144、146，其之方向係配合第二諧光B2之電場E。準相位匹配光柵也可經線性調變(chirped)或類型化以壓縮及/或修改光脈衝之形狀。進入之雷射光柱之電場E可實質平行方向SY。極化區週期之選擇方式是所產生之第二諧光柱B2之相位與每個極週期之基本光柱B1匹配。
準相位匹配光柵也可經線性調變或類型化以允許第二諧光產生於延伸之光波長範圍。
週期性極化非線性晶體140可有一或多個波導器142、142a、142b、142c。該等波導器可形成於該非線性晶體140之一邊或兩側(見圖16)。
單一非線性晶體140可能有多個週期性極化區，其週期可優化成數個不同基礎頻率。如此，單一非線性晶體140可用以提供，例如，紅、綠及藍色光。
非線性晶體140介質可以例如是鈮酸鋰(lithium niobate)、鉭酸鋰(lithium tantalite)、或磷酸鈦氧鉀(potassium titanyl phosphate,KTiOPO4)又稱為KTP、週期性極化KPT、週期性極化鈮酸鋰(PPLN)、三硼酸鋰(lithium triborate,LBO)。尤其，非線性晶體140可以是週期性極化氧化鎂鈮酸鋰(PP-MGO-LN)。
發光裝置400可包含一或多個非線性晶體140。
該非線性晶體140也可不備有波導器及極化區。
該非線性晶體140也可不備有波導器或不備有極化區。
參見圖20b，該非線性晶體140之波導器142a、142b、142c可以是脊狀波導器，其可以蝕刻方式來建置。
參見圖20c，該非線性晶體也可極化於SX方向，亦即，實質上垂直於該晶體140之表面。
參見圖12及圖19a至20c，該非線性晶體140可包含下列一或多個功能：- 限制光線用之波導器142a、142b、142c，- 透過非線性介質提供頻率選擇性回饋之布拉格光栅，- 促進聚焦或準直之波導器之錐狀入口/出口部，- 促進聚焦或準直之折射光線用非平面面部或繞射結構，及- 週期性極化區144，146。
尤其，該非線性晶體可包含波導器、布拉格光栅、週期性極化區及錐狀入口部。
參見圖21，發光裝置400可包括極性旋轉元件125，其可位於發光器E1及非線性晶體140之間，亦即，發光器E1之波導器24及該非線性晶體140之間。該極性旋轉元件125極性旋轉波導器24所發射之光柱B1，使得耦合進入該非線性晶體140之光縣具有相對於極化區144、146之方向最理想之極化。該極性旋轉元件125可極性旋轉，亦即90度。該極性旋轉元件可例如是半波片(half-waveplate)。
圖22a顯示一邊緣發射雷射發射器E1之結構層範例。波導器24包含至少一活動區21，例如，一或多個量子井(quantum well)。尤其，該活動區21可包括量子點或3個量子井。
波導器24實質上平行於活動區21之結構層，及光柱B1沿該活動區傳播。比較起來，由垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)發射之光柱基本上是實質垂直於該VSCEL之結構層。一使用邊緣發射設計之好處在於有實質上較高之單程通過增益。飽和吸收量之選擇也可藉選擇飽和吸收器40之長度來決定而不需使用進一步之結構層。結果，飽和吸收器40可用以提供高的飽和吸收而不增加製作成本。
共同基片10可使用一實質透明半導體材料，例如砷化鎵(gallium arsenide,GaAs)、砷化銦鎵(gallium indium arsenide,GalmAs)或磷化銦(Indium Phosphide，INP)。
該波導器24可位於包覆層32，33之間。包覆層32基層側可為n形摻雜(n-doped)，及第二包覆層33可為p形摻雜(p-doped)。接觸層34生成於p形摻雜。增益區20及飽和吸收層具有分離金屬接觸層26，47。雷射晶片，亦即發射器E1可使用例如Au/AuSn焊錫墊片48,28附著於絕緣形樣基板。
共同基片10之上面板可塗上金屬接觸層12。後反射器60可用光學多層塗層來實施。
波導器24實質上平行於該共同基片10。該波導器24包含增益區20及飽和吸收層40。
層片48，28可與電絕緣基板(未顯示)接觸以冷卻裝置400。該基版也可為電傳導，若飽和吸收層40具有一與基板電 絕緣之接觸墊片28。該基板可能由氮化鋁(aluminum nitride)、氧化鈹(beryllium oxide)、碳化矽(silicon carbide)、或鑽石等製作成。層片48及28可預先覆膜在該基板上。該基板可與一散熱片(heatsink)接觸以冷卻裝置400。
另外，層片12可與基板接觸。然而，冷卻效果不如使用層片28，48，原因在於有經過共同基片10時有較大之熱阻。
增益區20是由電激發。相對於接地GBD，正偏壓V+可被耦合至增益區20，及負偏壓V-可被耦合至飽和吸收器40。換言之，增益區20若為順向偏壓，飽和吸收器40則為反向偏壓。
飽和吸收器40與增益區20之間可能有一電絕緣體46。該絕緣體可例如是二氧化矽(SiO2 )層片。該高度摻雜接觸層34可局部蝕刻於絕緣體46之下，使得增益區20與飽和吸收器40之電阻可高於例如1KΩ。該增益區20與飽和吸收器40之電阻可藉離子植入法(ion impantation)來增加。該高度摻雜接觸層34可延伸於絕緣體46之下，以增大該飽和吸收器40之有效長度，藉傳送電流也於水平方向，同時仍提供兩個金屬接觸有足夠之分隔以利於套裝。
圖22b顯示若干與圖22a結構相關之尺寸。波導器及包覆層32，33之整體厚度T2之範圍可在3至4μm之間。共同基板10之厚度之範圍可在80至150μm之間。飽和吸收器40與增益區20之間之絕緣區之長度L5範圍為5至50μm。增益區20之長度L2之範圍為250至4000μm。飽和吸收器之長度L4之範圍為10至200μm。
該整體厚度T2之範圍也可在4至6μm之間。該飽和吸收器之長度L4之範圍也可在200至400μm之間。
參見圖23，雷射發射器E1可包含脊狀波導器24。該
波導器24包括增益區20，及可進一步包括飽和吸收器40。該增益區20及該飽和吸收器40可建置在共同基片10之上。
增益區20內之電場實質上定向於SZ方向中。該電場是由正偏壓V+造成。該增益區20之特徵決定基礎光B1之極化。極化由波導器24之終端發射出之該基礎光B1可實質上平行於方向SZ或平行於方向SY。
具有晶格不匹配(lattice-mismatched)增益區20之邊緣發射雷射光有一穩定極化，其由裝置之不被稱及該增益區20之伸張而造成。該穩定極化允許週期性極化非線性晶體之有效使用。比較起來，垂直空腔表面發射雷射具有典型之非穩定極化，因為裝置之高度對稱。
依據圖23，雷射陣列A1可包括數個平行脊狀波導器24。鄰近發射器E1之接觸層26，47可附著在一共同散熱片。發光裝置400可具有凹槽41，其蝕刻至包覆層33以形成脊狀波導器24。該包覆層33及該等凹槽41可塗上絕緣層15。位於極狀波導器24之中央部位，該絕緣層15可局部性地移除，並且電接點26，47可建置在揭露之包覆層33之上。
接觸層34及凹槽41可塗上電絕緣層15。位於極狀波導器24之中央部位，該電絕緣層15可局部性地移除，並且電接點26，47可建置在揭露之包覆層34之上。凹槽41可為深溝 式。
該波導器24也可具有一錐狀形式以減少發射光柱B1在慢軸方向之偏差。
參見圖24，傾斜反射結構M1可藉由波導器24與介電層92之間之介面來施行，亦即，反射係為全內反射(total internal reflection,TIR)。介電層92可例如是氮化矽(silicon nitride,Si3 N4 )、氧化鋁(Aluminum Oxide,Al2 O3 )、或二氧化矽(Silicon Dioxide,SiO2 )。介電層92可進一步由金屬層94保護，例如黃金層。
圖24之傾斜反射結構M1之優點在於可避免雷射發射器在輸出表面之高強度，歸因於在基片10之光柱偏差。該強度之降低可減少輸出表面之災難性光學傷害(COD)。傾斜反射結構M1也可進一步於基板上使用金屬層片以達冷卻效果，如此進一步減少災難性光學傷害。為有效耦合基本光柱B1至非線性晶體140，該傾斜反射結構M1也允許將圓柱狀透鏡表面120整合至該共同基片10。
該結構在增益區20及基片10之表面之間可不具任何固態液體介面。共同基片10之部份表面120可具有實質圓柱狀形式以準直或聚焦光柱B1進入非線性晶體140。
圖24之其他結構層可參見圖22a、22b、及23之敘述。
傾斜反射結構M1可進一步包括繞射光柵(Diffraction Grating)以反射部份之光柱B1回到波導器24，此外反射部份光柱進入非線性晶體140。因此，該傾斜反射結構M1也可作用為界定光腔之部份反射結構80(圖3)。
參見圖25，該傾斜反射結構M1可具有凹面形狀以減少光住在SY慢軸方向之偏差。該形狀呈凹面，當由反射光柱之側面觀察之。該凹面形狀可例如是圓柱體、橢圓體、拋物線或拋物面之一部份。
因此，該發光裝置400可包含數個凹狀鏡面M1a、M1b、M1c用以分別減少由陣列A1之發光器E1a、E1b、E1c所發射光柱之偏差。
該等鏡面M1a、M1b、M1c可藉彎曲遮罩601形成如圖26所示蝕刻狀。圖26也同時顯示鏡像第二陣列A2(圖14)之第二遮罩602。
該等凹狀鏡面M1a、M1b、M1c可藉使用化學輔助離子束蝕刻(chemically assisted ion beam etching，CAIBE)來形成。該等凹狀鏡面M1a、M1b、M1c也可藉物理性蝕刻(例如反應性離子蝕刻，reactive ion etching).及化學蝕刻之結合方法來形成。
一般而言，該發光裝置400之輸出可經調整增益區20之電流及/或調整飽和吸收器40之電壓而得以調變。
該發光裝置400可包含額外濾波器或光柵用以從倍頻光柱B2吸收或分離該基本光柱B1。
該發光裝置400可具有額外結構，例如光柵或校準器(etalon)以穩定該基本光柱B1之波長。
該發光裝置400之發光器E1適用於顯示單一橫模操作，例如用以安排空間上損失或增益變化。
該發光器E1之波長可經選擇，使得例如波長625nm(紅 光)、532mn(綠光)或465mn(藍光)可藉倍頻方式來產生。陣列A1之發光器E1a、E1b、E1c可用以發射相同或些許差異之波長。該些許差異之波長能減少進一步之斑點對比值。
該發射之紅光波長也可為620nm。
相對之陣列A1及A2可調整以發射相同或不同之波長。
發射器E1之光功率可藉調整增益區20之偏移電流而調整，也可藉調整飽和吸收器40之偏電壓而調整。
由RGB色域選擇一顏色可能需要紅、綠及藍光。三或更多不同發光裝置可被使用。例如，綠光可由基於砷化銦鎵量子井(InGaAs-quantum wells)之發射器E1之倍頻1064nm光提供。藍光可由基於砷化銦鎵量子井之發射器E1之倍頻930nm光提供。紅光可由基於砷(氮)化銦鎵量子井(InGaAs(N)-quantum wells)之發射器E1之倍頻1250nm光提供。
不同顏色可產生自分開之非線性晶體140。另一方案是單一非線性晶體140可具有產生不同顏色之分開區域。
複數發射器提供之顏色調整方式可能是藉分開控制增益區20之操作電流，或控制發射器之飽和吸收器40之偏壓，其具有不同之波長。因此，非線性晶體所產生之紅、綠、藍光之相關比率可受控制。
參見圖27，影像投射裝置500可用以投射放射光線B3至外銀幕以顯示影像610給一或多位觀眾。該光柱B3之光學功率之範圍可例如在0.05至5W。顯示影像給較多之群眾可能需要更多之光學功率，其範圍例如在5至100W。該影像610可 能是黑白或彩色影像。該影像610可能是靜止或視頻影像。
參見圖28，影像投射裝置500可包含光源400、光學空間積分器(optical spatial integrator)530、聚光器540、調制器550、投影光學透鏡560。根據本發明，該光源400可為一發光裝置400。該光源400可提供空間上可見光之非均勻光柱B2。該光柱B2在光學空間積分器530中成為均勻的；該積分器530可例如是一具有足夠長度之光學纖維。該積分器530可提供一實質均勻光柱，其係由聚光器540導至調制器550。該聚光器540可藉一或多個透鏡或反射鏡面來實施。該聚光器540也可作用為平行光管。該調制器550可例如是一兩向度小型液晶顯示器或微型機械式可動鏡面(MEMS顯示器)陣列。可使用反射性裝配以取代圖28之傳送式配置。該調制器550產生之發光像素接著可藉投射光學透鏡560在銀幕600構成影像。該投射光學560可利用一或多個透鏡或反射鏡面來實施。該投射裝置500可進一步包含用以調整陣列550及光學透鏡560之間距離之致動器520以使投射影像聚焦。該發光裝置400、調制器550及聚焦致動器520可由控制單元510來操控。
投射裝置500可包括三個分開之調制器550及三個分開之發光裝置400以實施色彩投射，例如，紅色發光裝置400、綠色發光裝置400、及藍色發光裝置400用以從RGB色域選擇投射之顏色。投射裝置500可包括一個紅色發光裝置400、兩個綠色發光裝置及一個藍色發光裝置400以實施RGBB色彩系統。
具有紅、綠、藍光柱照射之單一兩向度調制器陣列550 可用於實施色彩投射，當該等光柱由不同角度照射在該陣列上。反射光接著合併及投射至銀幕600以形成影像610。
發光裝置400之發射器之可能操作模式可為被動Q開關、主動Q開關、或半被動Q開關式。在所有該等模式中，增益區20可由實質恆定電流驅動以在該增益區中提供一實質穩定最高居量反轉(population inversion)。該增益區20可選擇高之電流以獲得高的單程增益。圖29a顯示被動Q開關模式，圖29b顯示主動Q開關模式，及圖29c顯示半被動Q開關模式。圖29a至29c中顯示之符號-V 40 表示負值偏壓。
在被動Q開關模式中，飽和吸收器40之偏壓V 40 在產生光脈衝B1期間係維持在實質恆定負值階層。光脈衝B1產生於飽和吸收器40藉改變光學強度而迅速轉換於吸收狀態及非吸收狀態時。該吸收器40初始於低強度光之吸收狀態。增益區20之增益暫時耗盡於先前光脈衝發射後。經由吸收器傳送之強度隨著入射光之強度增加而增加，直至該強度達到該吸收器40之飽和階段。空腔損耗現在頓時減少，導致發射脈衝強度之急劇增加。然而由於光譜燒孔效應，其提供脈衝之下降緣，光脈衝之產生暫時也減少居量反轉(population inversion)。該強度迅速減少至需要設定吸收器至吸收狀態之階段，且上述循環可重複而不需該吸收器40之偏壓V 40 之主動調制。單一光脈衝之持續期間可能例如在500fs至1ns之間，而接續脈衝之時間分隔t 2 -t 1 可能例如在10ps至10ns之間。該t表示時間，t 1 表示光脈衝之開始時間，t 2 表示接續脈衝之開始時間。
主動Q開關意指該飽和吸收器40之偏壓V 40 是一變動之預 定比率介於第一預定階段與第二預定階段之間。偏壓V 40 之設定至第一階段啟始單一光脈衝B1之產生，而偏壓V 40 之設定至第二階段防止單一光脈衝B1之產生。該第一階段可能例如是實質上零電壓或正壓，而該第二階段可能是負偏壓，其經選擇以在該飽和吸收器40內形成高吸收。該光脈衝B1之產生速率是依該偏壓V 40 之變化。該單一光脈衝之持續期間可能在50ps至1μs 之間，且接續脈衝之時間分隔t 3 -t 1 可能在1ns至10μs 之間。該t 1 表示光脈衝之開始時間，t 2 表示接續脈衝之開始時間。
半被動Q開關意指藉被動Q開關產生之光脈衝B1是依改變飽和吸收器40之偏壓V 40 而啟動或關閉。飽和吸收器40之偏壓V 40 變動於第一預定階段與第二預定階段之間。偏壓V 40 之第一負值階段設定促使短光脈衝B1之產生如圖29b所示，及偏壓V 40 之第二較大負值階段設定防止短光脈衝B1之產生。輸出光柱之平均時間強度可藉改變工作循環(t 4 -t 1 )/(t 5 -t 1 )而調整於0%與100%之間。換言之，視強度可由脈衝寬度調制來控制。如上述，人類眼睛之積分時間是10ms級數，且觀察者感知平均時間強度之時間區段約略10ms。該t 1 表示脈衝序列之開始時間，該t 4 表示該脈衝序列之停止時間，及該t 5 表示下個脈衝序列之開始時間。時間區段t 5 -t 1 可例如在5ns至10μs 之範圍。每個脈衝序列可包含複數具有t 2 -t 1 時間分隔之光脈衝，該t 2 -t 1 時間分隔以數個級數量之差少於時間區段t 5 -t 1 。
半被動Q開關允許可見輸出強度之快速調制頻率，其範圍例如在50MHz至200MHz，於此同時，提供一高效率之轉換電能至可見光。相較於主動Q開關，半被動Q開關產生之 光係實質上較不同調，因此更適用於視覺表現。
發光裝置400之雷射發射也可經由調制增益區20之偏壓來控制。但是，增益區20之偏壓調制不若飽和吸收器40之偏壓調制來得有效。較高調制頻率可藉實施調制飽和吸收器40而非調制增益區20。此外，藉調制飽和吸收器40之偏壓之半被動Q開關可允許比增益區20之偏壓調制更穩定之操作。
參見圖30，影像投射裝置500可包含發光裝置400，其光柱B2藉影像透鏡560而聚焦於外銀幕600。B3在此代表聚焦光柱。聚焦點P1在銀幕600之位置可藉一或多個光柱導向裝置571，573來改變。該等光柱導向裝置可例如是旋轉鏡面或棱鏡，其具有一或多個反射或折射小面。
第一鏡面571之旋轉移動聚焦點P1在實質SX之方向，亦即，改變該聚焦點P1之X座標點。第二鏡面573之旋轉移動聚焦點P1在實質SY之方向，亦即，改變該聚焦點P1之Y座標點。該等鏡面571、573可藉制動器572、574來移動。
影像610可藉調整光柱B2之強度而顯示，該光柱是由發光裝置400依據聚焦點P1之水平位置x及垂直位置y而提供。該發光裝置400可操作於半被動Q開關模式，且可藉調制一或多個飽和吸收器40之偏壓而調整強度。控制單元510可用以依據聚焦點P1之位置來控制強度。該控制單元510可直接或間接結合飽和吸收器40以控制強度。該控制單元510可直接或間接結合制動器572、574以設定聚焦點P1之位置及/或接收來自該制動器或未置感應器之位置訊號。
當投射器500用於顯示高解析度視訊影像時，掃描速率要 求是相當高的。該影像率可例如高於每秒80影像，且每個影像可包含例如512x1024像素。為顯示視訊影像，單一投射光柱B3之強度應調制頻率至大於40MHz。為調整單一像素之解析度10%，飽和吸收器40之偏壓可調制頻率至大於400MHz。此外，至少一個光柱導向裝置應掃描影像區多於每秒40000次。即使旋轉之多邊形為包含40小面之鏡面，旋轉速度應大約每秒1000轉。為實施高掃描率，光柱導向裝置571及/或573也可例如是微型機械式可動(MEMS)鏡面，聲光折射器，或旋轉或移動全像(holographic)折射器。
參見圖31，影像投射裝置500可藉一或多個包含發光器陣列A1(圖13)之發光裝置400來實施。發射器E1a、E1b、E1c、E1d提供之光柱B3a、B3b、B3d可藉影像透鏡560聚焦在外銀幕600以形成位於相同垂直線VL1上之複數聚焦點。聚焦點在銀幕600之水平位置可藉光柱導向裝置571來改變，例如，旋轉包含一或多個反射小面之鏡面。垂直線VL1上之像素強度可同時由半被動Q開關來控制，亦即，藉個別調制飽和吸收器40之各發射器E1a、E1b、E1c、E1d之偏壓。因此，投射光柱之強度可在銀幕之各位置分別控制以顯示影像610。例如，發射器光E1c提供之光柱強度(圖31未顯示)可暫時設定為零。影像投射裝置500也可包含如圖30所述之制動器572及控制單元510。不同發射器陣列可堆疊以實施不同RGB色彩投射，或單一陣列可包含顯示不同顏色之交錯發射器。
發光裝置400可包含例如512分開控制發射器E1a、E1b、 E1c、E1d。旋轉鏡面571可包含例如8個小面，且該鏡面571之轉速率可例如為每秒12.5轉。因此，該等光柱B3a、B3b、B3d掃描銀幕每秒100次。此刻，調制頻率20MHz耦合發射器之飽和吸收器40將允許1024分開控制像素以每秒100影像率於水平方向，同時在強度調整方面也允許1%解析度，及當該光柱增強於旋轉鏡面571之兩相鄰小面時，允許發射光柱之完全空白化。
參見圖32，發光裝置400也可以一實質線性方式實施而非使用反射結構M1。然而，晶圓上測試可能更困難，災難性光學傷害(COD)之危機可能更高，非線性晶體之正確對準更困難及/或抗反射塗劑之實施比使用摺疊設計更加困難。飽和吸收器40、增益區20、非線性晶體140及聚光結構120可建置於基面14。依據圖11、12、19a-20c，該線性發光裝置400可包含非線性晶體140。尤其，該非線性晶體140可包含波導器且其可週期性極化。該非線性晶體可進一步包括布拉格光栅82以提供窄波回饋。參見圖33，該發光裝置400可包含如圖1至12所述之數個發射器E1a、E1b、E1c，而不需傾斜反射結構M1。透鏡120之正確位置可例如藉選擇墊片123之厚度而設置。
10‧‧‧基片
20‧‧‧增益區
24‧‧‧波導器
40‧‧‧半導體飽和吸收器
60‧‧‧反射結構
80‧‧‧部份反射結構
82‧‧‧布拉格光栅
120‧‧‧聚光結構
121‧‧‧墊片
124‧‧‧圓柱狀透鏡或表面
124a-124c‧‧‧圓柱狀透鏡或表面
140‧‧‧非線性晶體
142‧‧‧波導器
142a-142c‧‧‧波導器
150‧‧‧增益模組
400‧‧‧發光裝置
A1‧‧‧發射器陣列
B1、B2‧‧‧光柱
E1‧‧‧發射器
M1‧‧‧耦合結構
圖1 側視圖，顯示包括增益區、飽和光吸收器、傾斜反射結構及非線性晶體之發光裝置。
圖2 側視圖，顯示包含布拉格光栅之發光裝置。
圖3 側視圖，顯示包含由後反射器及部份反射結構構成之光腔之發光裝置。
圖4 側視圖，顯示發光裝置，其中光腔由後反射器及布拉格光栅所構成。
圖5 側視圖，顯示包括後反射器、傾斜反射結構及用以構成摺疊光腔之部分反射結構之發光裝置。
圖6 側視圖，顯示具有將光從共同基片反射出去之傾斜反射結構之發光裝置。
圖7 側視圖，顯示包括進一步增益區或進一步增益模組以放大輸出光柱之發光裝置。
圖8 側視圖，顯示包括用以聚集或準直光線進入非線性晶體之聚光結構之發光裝置。
圖9 側視圖，顯示包括具有折射表面用以聚集或準直光線進入非線性晶體之發光裝置。
圖10 側視圖，顯示包括摺疊光腔及聚光結構之發光裝置。
圖11 側視圖，顯示包括具有用以提供回饋給增益區之布拉格光栅之發光裝置。
圖12 側視圖，顯示具有抗反射塗層固態氣體表面之發光裝置。
圖13 立體圖，顯示包括相鄰雷射發射器陣列、傾斜反射結構及用以準直或聚集光線依快軸(fast-axis)方向進入非線性晶體之共同圓柱狀表面之發光裝置。
圖14 立體圖，顯示包括兩組相對雷射發射器陣列之發 光裝置。
圖15 立體圖，顯示用以提供相同垂直方向之複數光柱之複數交錯傾斜反射結構。
圖16 側視圖，顯示包括相對發射器及用以反射光線經由共同基片進入非線性晶體之反射結構之發光裝置。
圖17 側視圖，顯示相對發射器及用以反射光線離開共同基片進入非線性晶體之反射結構。
圖18 立體圖，顯示包括用以聚集或準直光線依慢軸(slow-axis)方向進入非線性晶體之複數圓柱狀折射表面之發光裝置。
圖19a 立體圖，顯示具有複數波導器之非線性晶體，其中每個該波導器具有一錐狀的輸入部分及一非平面之輸入面用以聚集光線進入該波導器較窄細的部分。
圖19b 立體圖，顯示一具有蝕刻面之非線性晶體。
圖20a 立體圖，顯示用於TE極化光之週期極化非線性晶體。
圖20b 立體圖，顯示用於TE極化光之週期極化非線性晶體，該晶體包含脊狀波導器(ridge waveguide)。
圖20c 立體圖，顯示用於TM極化光之週期極化非線性晶體。
圖21 側視圖，顯示包括極化旋轉元件之發光裝置。
圖22a 側視圖，顯示雷射發射器之結構多層。
圖22b 側視圖，顯示圖22a之相關尺寸。
圖23 立體圖，顯示具有脊狀波導器之雷射發射器。
圖24 側視圖，顯示包含傾斜反射結構之發光裝置之結構多層。
圖25 立體圖，顯示包含空腔反射結構之發光裝置。
圖26 頂視圖，蝕刻凸狀反射結構之遮罩。
圖27 立體圖，顯示用以投射影像至外銀幕之投射裝置。
圖28 顯示一包括發光裝置及調制器單元之投射裝置。
圖29a 顯示藉由被動式Q開關(passive Q-switching)所產生之光脈衝。
圖29b 顯示藉由主動式Q開關(active Q-switching)所產生之光脈衝。
圖29c 顯示藉由半被動式Q開關(semi-passive Q-switching)所產生之光脈衝序列。
圖30 立體圖，顯示包括兩個光柱導引裝置及調變發光裝置之影像投射器。
圖31 立體圖，顯示包括一個光柱導引裝置及分開調變發光裝置陣列之影像投射器。
圖32 側視圖，顯示不具有傾斜反光結構之線性發光裝置。
圖33 立體圖，顯示包含數個發射器之線性發光裝置。
10‧‧‧基片
120‧‧‧聚光結構
122‧‧‧選擇墊片
140‧‧‧非線性晶體
142a-142c‧‧‧波導器
400‧‧‧發光裝置
A1‧‧‧發射器陣列
E1a、E1b、E1c‧‧‧雷射發射器
M1‧‧‧耦合結構
SY、SX、SZ‧‧‧方向
142a、142b、142c‧‧‧波導器
B2a、B2b、B2c‧‧‧耦合頻率光柱

Claims (22)

  1. 一種發光裝置，包括：- 具有一電激發增益區之一波導器，- 一飽和吸收器，- 一耦合結構，- 一基片，及- 一非線性晶體，其中該飽和吸收器及該增益區適於發射第一光脈衝，該耦合結構適於將該第一光脈衝耦合至該非線性晶體中，該非線性晶體適於產生第二光脈衝，使得該第二光脈衝之光學頻率是該第一光脈衝之光學頻率的兩倍；該增益區、該飽和吸收器及該耦合結構是建置於該基片上，使得該耦合結構適於以在70至110度的範圍內之一角度改變該第一光脈衝之方向。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，進一步包括部分反射結構以界定一光學空腔連同一後反射器，該光學空腔包含該增益區。
  3. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中該部分反射結構是一布拉格光栅。
  4. 如申請專利範圍第3項之裝置，包含建置在一非線晶體上或其內之一布拉格光栅，以提供經由該非線性晶體之光學回饋。
  5. 如申請專利範圍第2項之裝置，包含位於該耦合結構與非線性晶體之間的一分布式布拉格反射器。
  6. 如申請專利範圍第1項之裝置，包含用以發射第一光脈衝之複數個實質平行波導器，由該等波導器所發射之該等第一光脈衝可耦合進入單一非線性晶體中。
  7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該該第一光脈衝係適於通過該共同基片。
  8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之裝置，進一步包括一聚光結構以將光線準直或聚焦進入該非線性晶體。
  9. 如申請專利範圍第8項之裝置，其中該聚光結構是一實質圓柱狀表面，其適於將光線準直或聚焦在該第一光脈衝之一快軸方向。
  10. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中該基片具有一圓柱狀表面。
  11. 如申請專利範圍第8項之裝置，其中該聚光結構是一繞射結構。
  12. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之裝置，包括用以限制該第一光脈衝之一進階波導器，該進階波導器包含非線性晶體。
  13. 如申請專利範圍第12項之裝置，其中該進階波導器包括一錐狀部分，其用以聚集光線進入該進階波導器之細窄部分。
  14. 如申請專利範圍第12項之裝置，其中該非線性晶體具有一或多個凸狀面，以反射該第一光脈衝進入該進階波導器。
  15. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之裝置，其中該 耦合結構具有一凸或凹狀，以改變該第一光脈衝之散度(divergence)。
  16. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之裝置，其中引介進入該非線性晶體之該第一光脈衝具有一預定之極化，且該非線性晶體具有周期性極化區以提供準相位匹配，使得該第二光脈衝在各極化期間具有相同相位，該等極化區之方位與該第一光脈衝之極化匹配。
  17. 如申請專利範圍第16項之裝置，進一步包括一極化旋轉元件。
  18. 一種產生光脈衝之方法，其藉由使用具有一電激發增益區之一波導器、一飽和吸收器、一耦合結構、一基片及一非線性晶體，該增益區、該飽和吸收器及該耦合結構係建置在該基片上；該方法包括下列步驟：- 利用該飽和吸收器及該增益區以提供第一光脈衝，- 藉由該耦合結構以在70至110度的範圍內之一角度改變該第一光脈衝之方向，- 耦合該第一光脈衝進入該非線性晶體以產生第二光脈衝，使得該第二光脈衝之光學頻率是該第一光脈衝之光學頻率的兩倍。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，進一步包括改變該飽和吸收器之偏壓介於第一電位與第二電位之間。
  20. 一種影像投射裝置，包括：一光源，及一投射光學透鏡， 該光源進一步包括：具有一電激發之增益區之一波導器，一飽和吸收器，一耦合結構，一基片，及一非線性晶體，其中該飽和吸收器及該增益區適於發射第一光脈衝，該耦合結構適於將該第一光脈衝耦合至該非線性晶體中，該非線性晶體適於產生第二光脈衝，使得該第二光脈衝之光學頻率是該第一光脈衝之光學頻率的兩倍；該增益區、該飽和吸收器及該耦合結構是建置於該基片上，使得該耦合結構適於以在70至110度的範圍內之一角度改變該第一光脈衝之方向。
  21. 如申請專利範圍第20項之裝置，包括一個兩向度調制器陣列。
  22. 如申請專利範圍第21項之裝置，包括至少一光柱導向裝置，其中該第一光脈衝適於由半被動Q開關產生。
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