TWI481137B - 變頻式脈衝雷射光源 - Google Patents

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TWI481137B
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Pietari Tuomisto
Tomi Jouhti
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Epicrystals Oy
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Description

變頻式脈衝雷射光源
本發明係發光裝置，特別是適合視覺應用之發光裝置。
影像投射機可包括一提供光給調制器陣列(modulator array)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在紅光或紅外線區域。
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2006/23757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適合放射一或多種可見波長之發光裝置。
本發明提供之發光裝置，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。
本發明之再一目的為提供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。
本發明之又一目的為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。
該第二光脈衝可得自於和頻產生(sum frequency generation,SFG)裝置，特別是二次諧波產生(second harmonic generation,SHG)裝置。
該發光裝置進一步有利地包括一建置於該基片內部或上部之聚光結構，以聚焦或準直光線進入該非線性介質。
由於該傾斜反射結構及該聚光結構，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。
由於該傾斜反射結構及該聚光結構，包含非線性介質之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)，該增益區、該飽和吸收器及該反射結構之建置於該共同基片之安排能提供相當穩固及更簡易之模組封裝。
在一實施例中，該增益區、該飽和吸收器、該傾斜反射結構及該聚光結構是附著於一共同之半導體基片，如此可提供一穩固之結構。特別是，該增益區、該飽和吸收器、該傾斜反射結構及耦合透鏡可建置於一半導體晶片之上或內部。
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。
該傾斜反射器也可直接與電絕緣基板接觸，以使得該反射器對於災難性光學傷害可具有較高臨界強度。
操作該飽和吸收器帶有逆向偏壓可增加該吸收器臨近處對於災難性光學傷害之臨界強度。
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，該尖峰功率可高於連續操作雷射裝置之尖峰功率。該尖峰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，該裝置可能有較低溫產生及具有較高可靠度。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小於1nJ。在實施例中，該發光裝置可考慮提供非同調光。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，極化穩定能有效地使用週期極化非線性晶體。
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之組合也以縮寫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。圖1之發射器E1可提供雷射光，若所選增益區具有足夠高增益。發射器E1從波導器24之第一端點部產生光脈衝B1。該等光脈衝B1耦合後進入非線性晶體140以提供相較於光線B1具較高頻率之第二光脈衝B2。
該第二光脈衝B2可由和頻產生(SFG)裝置產生。該等第一光脈衝B1之單一光脈衝可具有第一光子Bfa及第二光子Bfb(圖35)。第二光脈衝B2之光子之光學頻率可等於該第一光子Bfa之光學頻率和及該該第二光子Bfb之光學頻率和。
尤其是，該第二光脈衝B2可由第二諧頻產生(SHG)裝置產生。該第二光脈衝B2具有，例如，兩倍光學頻率及一半波長之第二光脈衝B2；亦即提供二次諧波產生(SHG)。換言之，非線性媒介140用以產生二次光，使得非線性晶體所產生之光線B2之光學頻率是光線B1之兩倍。
該傾斜反射結構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等於90度。
該光線B1由聚光結構120有效地準直或聚焦進入該非線性晶體140(圖13，34a，34b)。
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可用以將發射器E1提供之光柱B1反射至垂直方向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等於45度。
共同基片10可完全對光柱B1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之水平表面，且引導該光柱B1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。
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140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垂直於非線性晶體140。應強調的是，該光柵也可與波導器24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。作用為耦和結構M1之繞射光柵可實質上平行於基片10之平面。
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。該第一反射結構60也可藉乾式蝕刻(dry etching)，例如感應耦合電漿離子蝕刻技術(Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching,ICP-RIE)。
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，及基於由該反射結構M1反射之第一光脈衝B1，量測至少一效能參數。
特別是一製造發光裝置400之方法，可包括：建置增益區20於晶片10，電動分離飽和吸收器40與該晶片10，建置反射結構M1於該晶片10，建置聚光結構120於該晶片10，及基於由該反射結構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”代表光學空腔之品質係數。
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，不使用Q開關調整增益區20之操作電流以產生光脈衝，轉換電功率為脈衝光之效率將小於使用Q開關之時候。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。基本上，對應成倍輸入電功率之光功率小於兩倍沒有成倍輸入電功率之光功率。
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。為了有效之頻率轉換，該基本光必須由短、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之強度可大於透過部份反射結構之光柱B1之強度(圖3)。
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波導器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也可能是一球狀面。
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圓柱狀，用以在快軸方向聚集或準直光柱B1。
尤其，該聚光結構120可形成於該基片10之表面，例如使用乾式或濕式蝕刻。該波導器24及該聚光結構120可位於該基片10之不同側。該聚光結構120可有效地耦合光柱B1進入一附屬之非線性晶體140，特別是進入該附屬非線性晶體140之波導器142。因此，該傾斜反射結構M1及該聚光結構120之組合能得到一緊密之解決方式，使得發射光柱B1有效地耦合進入該附屬非線性晶體140之波導器142以達到有效的頻轉換(圖19a-20c，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(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，該低強度光具有比該第一光脈衝還低之強度。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，其增強於基本頻率之光線。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較高頻率之光脈衝B2。高強度之光脈衝B1之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轉換成較高頻率之光脈衝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之時候大於其在第二光脈衝B2之時候。
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之時候大於在第二光脈衝B2之時候。
參見圖12，空腔之固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(圖13)。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轉換。
在波導器142內或外安裝啟用布拉格光栅82可能比在體型非線性晶體140內安裝啟用布拉格光栅82更為適宜，尤其使用特定非線性材料，例如鈮酸鋰(lithium niobate)，由於該非線性材料之有限透明度(圖11或12)。歸功於該波導器142，該非線性材料之每單元轉換效率可增加，使得使用較短互動長度為可能。
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(圖13及34a)以附著於基片10。該晶體之位置可例如藉選擇墊片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所提供之光線可藉一或多個聚光裝置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13。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可藉一或多個透鏡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也被聚焦或准直至該晶體140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。該選擇基於該非線性介質之散佈，亦即基於基礎光B1與第二諧光B2之折射率差。
該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。
該準相位匹配光柵也可經設計以促進合頻波產生。
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。
非線性晶體或介質140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)。鎂掺雜增加鈮酸鋰非線性物質之光電傳導度，因此允許非線性晶體之較低操作溫度，而仍然維持該準相位匹配光柵之高光學損害臨限。
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/或極化區。
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，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)。
該極性旋轉元件也可建置在反射結構M1及/或M2之上部或內部。在此情況，該極性旋轉元件可能是一蝕刻在反射結構M1及/或M2之光學介面上部或內部之繞射結構。
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垂直於該VSCEL之結構層。一使用邊緣發射設計之好處在於有較高之單程通過增益及穩定極化。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。該結構也可包含其他之 半導體層。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，原因在於經過共同基片10，具有較大之熱阻。
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。
尤其，偏壓V 40 可應用於接觸層12(接地)與接觸層47之間以修改吸收器40之狀態。偏壓V 20 可應用於接觸層12(接地)與接觸層26之間以在增益區20造成偏電流。該增益區20之偏壓V 20 及該吸收器40之偏壓V 40 可分別控制。
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內之電場方位是SZ方向。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。由波導器24之終端發射出之該基礎光B1之極化可平行於方向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。
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。
該傾斜反射結構M1可例如由化學輔助離子束蝕刻(chemically assisted ion beam etching，CAIBE)或濕式蝕刻形成。
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(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。
紅、綠及藍光可由RGB色域中選擇一顏色。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提供之均勻光柱由聚光器540導向調制器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、半被動Q開關或連續脈波模式。在所有該等模式中，增益區20可由恆定電流驅動以在該增益區中提供穩定最高居量反轉(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。
此外，該第二階段也可能是一較小負值階段或甚至為正值階段，其脈衝之尖峰功率降低。該第二階段還可致使雷射之連續脈波操作。當在連續脈波模式時，頻率轉換效率將降低，原 因在於該非線性晶體之低光學強度。因此，該可見波長之光學功率可受調制。
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開關產生之光較少同調性，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之偏電壓/電流來控制。但是，增益區20之偏電壓/電流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。
圖34a顯示一包括週期性極化非線性晶體140之發光裝置400。該裝置400具有一包含增益區20之波導器24。該增益區20、飽和吸收器40及耦合結構M1可建置在基片10之上。該飽和吸收器40調制該增益區20所產生之雷射光B1。如上述，該增益區20及飽和吸收器40產生第一光脈衝B1。該第一光脈衝B1藉該耦合結構M1及聚光結構120被耦合進入該非線性晶體140。該耦合結構M1可反射或繞射光線通過該基片10朝向該非線性晶體。該聚光結構120，例如透鏡，可準直或聚焦光線進入該非線性晶體140。該非線性晶體140可使用墊片122而附著於該基片10。該晶體140也可附著於一外框(未圖示)。該晶體140也可安裝於一烤箱內以控制該晶體之操作溫度(未圖示)。該晶體可與一控溫表面相接觸(未圖示)。
圖34b顯一發光裝置400，其中該非線性晶體140包括一制約光線之波導器142及/或提供頻率選擇回饋給增益區20之頻率選擇結構82。該頻率選擇結構82及後反射器共同形成一光學空腔。
該頻率選擇結構82可建置在該非線性晶體140之內部或上 面。
該頻率選擇結構82可透過該非線性晶體140提供第一光脈衝B1之頻率選擇回饋以提供空腔傾倒及/或穩定該光脈衝之光學頻率。
若裝置400包括一建置於非線性晶體140之第一頻率選擇結構，及一建置於波導裝置24之第二頻率選擇結構，作用為後反射器(圖2)，該等結構之反射帶之頻譜位置應該相匹配。布拉格光栅之反射帶之頻譜位置可藉選擇布拉格光栅之週期而決定。該布拉格光栅之反射帶之頻譜位置可藉控制該結構之操作溫度而得以調準及/或穩定化。
反射帶意指該頻率選擇結構所反射光之頻譜帶接近第一光脈衝B1之光學頻率/波長。該頻率選擇結構82之反射帶寬意指該反射帶之半峰全幅值(full width at half maximum,FWHM)。
若該頻率選擇結構82僅建置於該非線性晶體140之上或之內是有利的。如此，不需匹配該反射帶之頻譜位置，則裝置400之製作及/或操作可大量簡化。
該頻率選擇結構82也可是建置於該非線性晶體140之上或內部之介電多層(dielectric multilayer)結構。介電多層塗層可施加於該非線性晶體140之輸入或輸出面。
或者，該頻率選擇結構82可僅建置於該發射器E1之波導器24之上或之內。在此情況，該非線性晶體可包括寬頻反射器以將第一光脈衝B1反射回增益區20。
參見圖35，該波導器142可例如是一周期性極化氧化鎂摻雜鈮酸鋰(MgO：LiNbO3)波導器，也稱作PP-MgO-LN波導器。 該布拉格光栅82可構成於該波導器142之表面以提供窄帶光學回饋B1給增益區20。該後反射光B1可用於該第一光脈衝B1之頻率鎖定及/或窄化第一光脈衝B1之頻寬，以獲得較高之頻率轉換效率。
該第一光脈衝B1之單一脈衝可包括第一光子Bfa及第二光子Bfb。該第一光子Bfa之光學頻率可能不同於該第二光子Bfb之光學頻率。換言之，該第一光子Bfa之波長可能不同於該第二光子Bfb之光學頻率。該第一光子Bfa之光學頻率也可能相同於該第二光子Bfb之光學頻率。換言之，該第一光子Bfa之波長可能相同於該第二光子Bfb之光學頻率。
該晶體140之非線性物質可藉和頻產生(SFG)，特別是第二諧頻產生(SHG)，提供該第二光脈衝B2。
該布拉格光栅82可藉波導器142之有效折射指標之週期性變化來實施。Λ1表示該布拉格光栅82之週期。該波導器142之有效折射指標之變化可例如藉週期性地安排於該波導器142附近之複數折射突出物83來實施。越小之最小與最大折射指數之差別及越大之週期數，則越窄之布拉格光栅之折射頻寬。
Λ2表示週期性極化區144，146之週期。
為有效之頻率鎖定及為達成有效頻率轉換之窄頻寬，該布拉格光栅82之折射比應大於或等於10%。對於有效之第二諧頻產生(SHG)，該頻率選擇結構82之反射頻寬應窄於或等於0.5nm。對於和頻產生(SFG)，該反射頻寬可以較寬。對於和頻產生(SFG)，該反射頻寬可例如窄於或等於50nm，較理想地是窄於或等於5nm。
參見圖36a至36e比較和頻產生(SFG)與第二諧頻產生(SHG)之區別。圖36a例舉顯示第一光脈衝B1之強度IN之頻譜分布。λ表示波長。該第一光脈衝B1之發射頻譜尖峰可例如為1046nm，及該尖峰之半峰全幅值(FWHM)可能為20nm。
圖36b顯示36a之頻譜尖峰之片段，其藉第二諧頻產生(SHG)形成第二光脈衝B2。只有波長非常接近中央波長λ C 之光子可參與該第二諧頻產生(SHG)。結果，該脈衝B1之能量損失大部分。
圖36c顯示36a之頻譜尖峰之片段，其藉第二諧頻產生(SHG)形成第二光脈衝B2。在此和頻轉換過程中，所產生之第二光脈衝B2之光子之光學頻率等於第一光脈衝B1之第一光子之光學頻率與第一光脈衝B1之第二光子之光學頻率之和。
該第一光子之波長與中央波長λ C 可能有△λ 之偏差。該具有λ C -△λ 波長之第一光子之能量可合併具有λ C +△λ 波長之第二光子之能量，使得和頻脈衝(亦即第二光脈衝B2)之產生光子具有大約λ C /2之波長。具有稍微不同波長之光子在光學介質中之傳播速度有稍許不同，如此將造成分散。結果，脈衝B2之和頻光子之波長稍微偏移λ C /2。
第一區λ <λ C 之光子能量可合併第二區λ >λ C 之光子能量。因此，和頻產生(SFG)之光子頻寬可能寬於第二諧頻產生(SHG)之光子頻寬；而且，和頻產生(SFG)可被利用之能量部分也大於第二諧頻產生(SHG)。
在第二諧頻產生(SHG)中，兩個光子之能量合併，其中該兩個光子之波長接近該中央波長λ C 。因此，第二諧頻產生(SHG)可考慮為更通常之和頻產生(SFG)之特例。
該中央波長λ C 對應一中央頻率。光脈衝B1之中央波長λ C 之光子可參與第二諧頻產生(SHG)(藉由和頻產生)。相較於該中央頻率之較低或較高頻率之光子可參與和頻產生(SFG)而不參與第二諧頻產生(SHG)。在兩種情況中，頻率轉換光脈衝B2之結果具有等於兩倍該中央頻率之光學頻率。
參見圖36d，由第二諧頻產生(SHG)得到之輸出光B2典型地是窄的頻譜尖峰，其原因在於典型非線性晶體140之窄波長接收。
但是，非線性晶體140可為和頻產生而被極化，其中較低及較高之頻率被總和，且該產生之和頻作為輸出(SFG處理)。參見圖36e，輸出光B2之FWHM可寬於在第二諧頻產生(SHG)之情況，而仍然得到較高之頻率轉換效率。該頻譜尖峰之FWHM可例如為3-5mm。
該產生脈衝B2之較寬頻譜促進提供一頻率轉換脈衝B2之極短聚合長度。歸功於該短的聚合長度，顯示影像之斑點對比將減少。如此可增進影像品質及視覺解析度。
某些人在觀看高度斑點影像可能會患有癲癇症候。該低斑點對比也可幫助減少誘發癲癇症候之機率。
和頻產生可被應用於甚至當第一光脈衝B1在50mn或更少之狀況。
和頻產生(SFG)對於溫度變化之敏感度不及僅限第二諧頻產生(SHG)之處理。週期性極化非線性晶體之溫度偏移(temperature drift)典型地為0.1nm/℃，對於典型之半導體雷射則其接近0.3nm/℃。此意謂20℃之溫度改變可造成2nm相位匹配 波長之改變及6nm第一光脈衝B1之中央波長之改變。若第一光脈衝B1之頻譜尖峰之FWHM之範圍為20nm至30nm，則6nm中央波長之改變λ C 對於和頻產生(SFG)之轉換效率僅有些微影響，亦即，可達成更佳之溫度不敏感性。
第二光脈衝B2也可藉第三諧頻產生或第四諧頻產生而發生自第一光脈衝B1。
裝置400之非線性晶體140也可作為單一元件提供。
以下例舉較可取實施例說明：
實施例1：發光裝置400包括：- 具有電激發增益區20之波導器24，- 飽和吸收器40，- 耦合結構M1，- 基片10，及- 非線性介質140，其中，該飽和吸收器40及該增益區20是用以從該波導器之終端發射第一光脈衝B1，該耦合結構M1是用以將該第一光脈衝B1反射至該非線性介質140，該非線性介質140是用以產生第二光脈衝B2，該第二光脈衝B2之光學頻率高於該第一光脈衝B1；該增益區20，該飽和吸收器40及耦合結構M1是建置於該基片10以致使耦合結構M1改變該第一光脈衝B1之方向，其改變角度β之範圍為70至110度。
實施例2：實施例1之裝置400，其中該第一光脈衝B1具有第一光子Bfa及第二光子Bfb，該第二光脈衝B2之光子之光學頻率等於該第一光子Bfa之光學頻率及該及第二光子Bfb之 光學頻率之和。
實施例3：實施例1或2之裝置400，其中該第二光脈衝B2之光學頻率等於該第一光脈衝B1之兩倍。
實施例4：實施例1至3之任一裝置400，進一部包括部分反射結構80，82以界定一光學空腔與後反射器60之結合，該光學空腔包含該增益區20。
實施例5：實施例4之裝置400，其中該部分反射結構80，82是一頻率選擇結構。
實施例6：實施例5之裝置400，其中該光學空腔僅包括一頻率選擇結構82，其具有一例如窄於或等於5mn之反射頻寬。
實施例7：根據實施例1至6之任一裝置400，其中該非線性介質140是一包括頻率選擇結構82之非線性晶體，用以提供回饋B1’至該增益區20。
實施例8：根據實施例5至7之任一裝置400，其中該頻率選擇結構82用以提供回饋B1’經由該非線性晶體140至該增益區20。
實施例9：根據實施例5至8之任一裝置400，其中該頻率選擇結構82是一建置於該非線性晶體140之上或之內之布拉格光柵或介電質多層結構。
實施例10：如實施例5或6之裝置400，包括一分散式布拉格反射器80，其位於該耦合結構M1與該非線性介質140之間。
實施例11：根據實施例1至10之任一裝置400，包括複數平行波導器24以發射第一光脈衝B1a、B1b、B1c，由該複數平 行波導器24發射之第一光脈衝B1a、B1b、B1c被耦合進入非線性晶體140。
實施例12：根據實施例1至11之任一裝置400，進一步包括一聚光結構120，用以準直或聚焦光線進入該非線性晶體140。
實施例13：如實施例12之裝置400，其中該聚光結構120是一弧面，用以在該第一光脈衝B1之快軸方向準直或聚焦光線。
實施例14：如實施例13之裝置400，其中該基片10具有弧狀表面。
實施例15：如實施例12之裝置400，其中該聚光結構120是一繞射結構。
實施例16：根據實施例1至15之任一裝置400，進一步包括用以限制該第一光脈衝B1之光線之波導器142、142a、142b、142c，該等波導器包含該等非線性介質。
實施例17：如實施例16之裝置400，其中該等波導器142a、142b、142c包括用以集中光線進入該等波導器142a、142b、142c之錐狀部。
實施例18：如實施例16或17之裝置400，其中該非線性介質是一具有一或多凸狀小面124a、124b、124c之晶體140，用以反射該第一光脈衝B1進入該等波導器142a、142b、142c。
實施例20：根據實施例1至19之任一裝置400，其中被導入該非線性介質140之該第一光脈衝B1具有預定極化，該非線性介質具有週期性極化區144、146以提供準相位匹配，使得該第二光脈衝B2於各極化週期位於相同相位；該等極化區144、 146與該第一光脈衝B1之極化相匹配。
實施例21：如實施例20之裝置400，進一步包括一極化旋轉元件125。
實施例22：根據實施例1至21之任一裝置400，其中該增益區20之偏壓V 20 及該飽和吸收器40之偏壓V 40 是分別控制。
實施例23：一種使用波導器24產生光脈衝B2之方法，該波導器24包括電激發增益區20、飽和吸收器40、耦和結構M1、基片10及非線性介質140，該電激發增益區20、該飽和吸收器40及該耦和結構M1是建置於該基片10上面，該方法包括：- 使用該飽和吸收器40及該耦和結構M1提供第一光脈衝B1，- 藉該耦和結構M1改變該第一光脈衝B1之方向角度β，其範圍是70至100度，及- 耦合第一光脈衝B1進入非線性介質140以產生第二光脈衝B2，該第二光脈衝B2之光學頻率是高於該第一光脈衝B1之光學頻率。
實施例24：如實施例23之方法，其中該第一光脈衝B1具有第一光子Bfa及第二光子Bfb，該第二光脈衝B2之光子之光學頻率等於該第一光子Bfa之光學頻率及該第二光子Bfb之光學頻率之和。
實施例25：如實施例23或24之方法，其中該第二光脈衝B2之光學頻率是兩倍於該第一光脈衝B1之光學頻率。
實施例26：如實施例23至25之任一方法，進一步包括改變該飽和吸收器40之偏壓V 40 介於第一電壓位準與第二電壓位 準。
實施例27：一種投射裝置500，包括：- 根據實施例1至21之任一發光裝置，及- 投射光學透鏡560。
實施例28：如實施例27之投射裝置500，包括一兩向度調制器陣列550。
實施例29：如實施例27之投射裝置500，包括至少一光柱導向裝置571，其中受調適之第一光脈衝B1是由半被動Q開關產生。
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
83‧‧‧折射突出物
120‧‧‧聚光結構
121、122‧‧‧墊片
124、124a-124c‧‧‧圓柱狀透鏡或表面
140‧‧‧非線性晶體
142、142a-142c‧‧‧波導器
150‧‧‧增益模組
400‧‧‧發光裝置
500‧‧‧影像投射裝置
510‧‧‧控制單元
520‧‧‧致動器
530‧‧‧積分器
540‧‧‧聚光器
550‧‧‧調制器
560‧‧‧投射光學透鏡
571、572‧‧‧鏡面
572、574‧‧‧制動器
600‧‧‧銀幕
610‧‧‧影像
A1‧‧‧發射器陣列
B1、B2‧‧‧光柱
B3‧‧‧聚焦光柱
E1‧‧‧發射器
M1‧‧‧耦合結構
P1‧‧‧聚焦點
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。
圖34a 側視圖，顯示包含週期性極化非線性晶體之發光裝置。
圖34b 側視圖，顯示一發光裝置，其中該線性晶體包括一波導器及一頻率選擇結構。
圖35 側視圖，顯示包含波導器之非線性晶體及建置在該晶體之布拉格光柵。
圖36a 例示，第一光脈衝之頻譜尖峰。
圖36b 例示，可提供給第二諧波產生(SHG)之圖36a之頻譜尖峰片段。
圖36c 例示，可提供給和頻產生(SFG)之圖36b之頻譜尖峰片段。
圖36d 例示，由第二諧波產生(SHG)所產生光脈衝之頻譜尖峰。
圖36e 例示，由和頻產生(SFG)所產生光脈衝之頻譜尖峰。
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
82‧‧‧布拉格光栅
120‧‧‧聚光結構
122‧‧‧墊片
142‧‧‧波導器
B1‧‧‧第一光脈衝
A1‧‧‧發射器陣列
M1‧‧‧耦合結構

Claims (27)

  1. 一種發光裝置，包含：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；一聚光結構；一基片；以及一非線性介質；其中該飽和吸收器及該增益區是用以發射第一光脈衝，該耦合結構結合該聚光結構是用以將該等第一光脈衝耦合至該非線性介質，該非線性介質是用以產生第二光脈衝，使得該等第二光脈衝之光學頻率是高於該等第一光脈衝之光學頻率；該增益區、該飽和吸收器、該耦合結構、及該聚光結構是建置於該基片之上或內部，使得該耦合結構可令該等第一光脈衝之方向改變一角度，該角度之範圍為70至110度。
  2. 如請求項1之裝置，其中該等第一光脈衝之一單一脈衝具有一第一光子及一第二光子，所產生的該第二光脈衝之一光子之光學頻率等於該第一光子之光學頻率與該第二光子之光學頻率之和。
  3. 如請求項1或2之裝置，其中該等第二光脈衝之光學頻率等於該等第一光脈衝之光學頻率的兩倍。
  4. 如請求項1或2之裝置，進一步包含用以結合一後反射器而界定一光學空腔的部分反射結構，該光學空腔包含該增益區。
  5. 如請求項4之裝置，其中該部分反射結構是一頻率選擇結構。
  6. 如請求項4之裝置，其中該光學空腔僅包含一頻率選擇結構，其具有一相等或窄於5nm之反射頻寬。
  7. 如請求項1或2之裝置，其中該非線性介質是一非線性晶體，其包含有一頻率選擇結構，用以提供回饋給該增益區。
  8. 如請求項7之裝置，其中該頻率選擇結構係設置來經由該非線性晶體提供回饋至該增益區。
  9. 如請求項7之裝置，其中該頻率選擇結構是一建置於該非線性晶體之上或內部之布拉格光柵(Bragg grating)或介電多層(dielectric multilayer)結構。
  10. 如請求項5之裝置，包括一位於該耦合結構與該非線性介質之間之分散式布拉格反射器(Bragg reflector)。
  11. 如請求項1或2之裝置，包含用以發射該等第一光脈衝之複數實質的平行波導器，由該等複數平行波導器所發射之該等第 一光脈衝被耦合進入一單一非線性晶體。
  12. 如請求項1或2之裝置，其中該聚光結構係為一用以準直或集中進入該非線性介質之光線之弧狀表面。
  13. 如請求項1或2之裝置，其中該基片具有一弧狀表面。
  14. 如請求項1或2之裝置，其中該聚光結構是一繞射結構。
  15. 如請求項1或2之裝置，包含一另外波導器，用以限制該等第一光脈衝之光，該另外波導器包含該非線性介質。
  16. 如請求項15之裝置，其中該另外波導器包含一錐狀部，用以集中進入該另外波導器之一狹窄部之光線波導器。
  17. 如請求項15之裝置，其中該非線性介質是一具有一或多個凸狀小面之晶體，用以折射進入該另外波導器之該等第一光脈衝波導器。
  18. 如請求項1或2之裝置，其中導入該非線性介質之該等第一光脈衝具有預定極化，且該非線性介質具有週期性極化區，用以提供準相位匹配，使得該等第二光脈衝於各極化週期位於相同相位，該等極化區之方位與該等第一光脈衝之極化相匹配。
  19. 如請求項18之裝置，進一步包含一極化旋轉元件。
  20. 如請求項1或2之裝置，其中該增益區之偏壓及該飽和吸收器之偏壓可分別控制。
  21. 一種用於產生光脈衝之方法，該方法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、一聚光結構及一非線性介質，該增益區、該飽和吸收器、該耦合結構及該聚光結構係建置在該基片之上或內部；該方法包含：利用該飽和吸收器及該增益區來提供第一光脈衝；藉由該耦合結構令該等第一光脈衝之方向改變一角度，該角度之範圍為70至110度；以及藉由該聚光結構聚焦或準直進入該非線性介質之該等第一光脈衝以產生第二光脈衝，使得該等第二光脈衝之光學頻率係高於該等第一光脈衝之光學頻率。
  22. 如請求項21之方法，其中該第一光脈衝具有一第一光子及一第二光子，所產生的第二光脈衝之一光子之光學頻率係等於該第一光子之光學頻率與該第二光子之光學頻率之和。
  23. 如請求項21或22之方法，其中該等第二光脈衝之光學頻率等於該等第一光脈衝之光學頻率的兩倍。
  24. 如請求項21或22之方法，進一步包含改變介於一第一 電壓位準及一第二電壓位準之間之該飽和吸收器之偏壓。
  25. 一種影像投射裝置，包含：根據請求項1或2之光源；以及投射光學透鏡。
  26. 如請求項25之影像投射裝置，包含一兩向度調制器陣列。
  27. 如請求項25之裝置，包含至少一光柱導向裝置，其中該等第一光脈衝是由半被動Q開關產生。
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