專利名稱：用于組合用于數字輸出的激光器陣列的系統(tǒng)和方法
用于組合用于數字輸出的激光器陣列的系統(tǒng)和方法相關申請的交叉引用
此申請要求于2009年12月19日提交的美國臨時申請第61/288，269號的優(yōu)先權，并且通過引用將其全部結合于此。 發(fā)明簡述
實施例包括能夠高效地產生高分辨的強度分布的器件，用定義輸出強度的二進制串可以容易地把所述高分辨的強度分布切換到各種具體配置。對來自激光器陣列的輸出強度進行組合以形成單個顏色或波長。對這些器件進行排列允許在沒有十分明顯的閃爍效應的情況下高效地產生單顏色像素的圖像線。在此申請中非相干的輸出是期望的，這是因為它降低了對屏幕或最終圖像的閃爍效應。關于在聯邦政府發(fā)起的研究或開發(fā)下做出的發(fā)明的權利的聲明 不可適用。對“排序列表”、表格或者在緊致盤上列出的所提交的附錄的計算機程序的參考 不可適用。
背景技術：
已經使用光來產生針對顯示器的顏色強度，但是所使用的方法和系統(tǒng)是低效率的、龐大的，并且引起模糊或可不縮放的結果。現有技術激光成像顯示器通過利用各種射束掃描設備使用了激光器作為強有色射束。在激光器的情況下，根據三種光束(紅、綠和藍)的組合生成顯示器像素輸出?？梢砸愿鞣N強度對這三種光束進行組合以產生特定顏色深度、強度和飽和度。特別地，半導體激光器已經變?yōu)槌上裣到y(tǒng)應用的重要部件，這是因為半導體激光器的尺寸、重量和功率要求隨著其連續(xù)利用隨著時間的推移已經減小了。通過把來自光源的光描繪為被用來產生像素的高分辨的強度分布，半導體激光器已經被用作用于顯示器的光源。然而，一些已存技術要求使用模擬功率源變體，而其他技術依賴于使用定時和/或機械反射手段。把激光器用作光源還具有閃爍效應的缺點，該閃爍效應產生斑(spot)或像素的亮區(qū)域和暗區(qū)域。在邊緣發(fā)射半導體激光器件的情況下，產生正確的顏色半導體激光源已經僅僅是可能的。然而，此類型的激光器件對于光刻排列的設計而言是不傳導的，這是由于必須在邊緣上對它們進行劈切以產生用于發(fā)激光的腔。通常地，是在制造之后對基底進行劈切。從而，這已經把激光顯示源限制到單個器件或機械地組合在一起的單個器件。垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)是一種類型的半導體激光二極管，其具有與頂面垂直的激光束發(fā)射。與之相反，常規(guī)的邊緣發(fā)射半導體激光器從通過從晶圓劈切出單獨的芯片所形成的表面發(fā)射。雖然，VCSEL提供了優(yōu)于邊緣發(fā)射激光器的優(yōu)勢，但是尚未發(fā)現VCSEL在成像系統(tǒng)中的使用，這是因為僅僅在最近才產生出能夠產生綠色輸出波長的VCSEL0雖然已經產生了綠色輸出VCSEL，但是這些器件具有過度的功率要求和許多可靠性問題。對于產生能夠生成更好綠色輸出以及其他顏色輸出所必要的材料研究進展緩慢。事實上，僅僅藍色VCSEL已經在市面上銷售幾年了。
具有外部腔的VCSEL (VECSEL)是一種類型的VCSEL，其已經被重新配置為具有延伸在晶圓外部的腔。在光學上用常規(guī)的激光二極管對VECSEL進行泵浦。另外，諸如非線性晶體之類的光學元件可以被用來使光的頻率加倍并且用來允許使用最適合于半導體激光器制造的材料輸出有色光。把在顯示器中使用VECSEL的、用于倍頻輸出的器件設計為產生采用三種不同顏色的光源。這與諸如投影儀之類的使用被濾波以生成特定顏色的白光源的顯示器件相反。VECSEL器件陣列被用來產生單個的、明亮的、彩色光源。單個彩色光源典型地是靜態(tài)的，這意味著光源的強度不變。然而，知道的是可以把反射鏡(miiTor)定位在多個反射鏡之中以確定在一點處的顏色強度。其他已知且相關的技術包括對單個光源加脈沖或者對該光源進行定時以改變強度值。然而，所有這些方法嚴重地取決于機械反射鏡。此技術通常稱為數字光處理器(DLP)技術。高質量顯示器已經受DLP技術控制許多年了。DLP技術廣泛用在投影顯示器連同很多其他不同類型顯示器中。DLP使用微機電(MEM)器件陣列作為多個微小反射體，其可以由反射特定量的有色光的電信號調制，該有色光從3個多色源產生組合顏色。這些源通常是從諸如使用不在經濾波的波長中的大量的被浪費能量的高成本投影儀燈之類的白光源濾波出來的顏色。所有這過度的被浪費能量產生大量的熱，其使系統(tǒng)尺寸更大得多并且更昂貴以便管理由過度的熱量引起的熱問題。為了平行光學掃描和數據傳輸的目的，已經對VCSEL陣列進行了排列，并且VCSEL陣列是可單獨尋址的。先前已經把矩陣可尋址VCSEL用于成像和數據傳輸，但是它們被配置為以形成許多獨立驅動的單獨器件的可分開控制的方式來使用所述器件。已經建議了其他概念其使用以陣列形式的這些分開控制的器件來通過改變每個器件的功率源以產生強度而產生圖像。本技術的結論示出了通過調整電流源以得到形成像素的更明亮或更模糊的顏色強度，或者使用激光器陣列來產生顏色源并且對該源進行反射或者定時和掃描以產生最終強度，生成用于顯示器的激光顏色形成。所有這些技術都要求昂貴的、龐大的、浪費能量的技術和/或依賴于機械反射鏡、反射鏡陣列和昂貴的支持設備以起作用。


圖I圖示了依據實施例的被組織為六個變化尺寸和孔徑的子陣列的線性VCSEL陣 列的平面 圖2圖示了依據實施例的被組織為2D陣列的多個線性VCSEL陣列的平面 圖3圖示了依據實施例的多孔徑元件VCSEL結構；
圖4圖示了依據實施例的用位串控制的三個VCSEL線性陣列；
圖5圖示了依據實施例的使用頂部發(fā)射設計的VCSEL器件結構；
圖6圖示了依據實施例的使用頂部發(fā)射設計的VCSEL器件結構；
圖7圖示了使用底部發(fā)射設計并且示出分束器/波長濾波器的光學部件、用于倍頻的非線性晶體和用于使腔完成的反射體的VCSEL器件結構；
圖8圖示了使用反向發(fā)射設計并且示出用于倍頻的非線性晶體的光學部件和用于使腔完成的反射體的VCSEL器件結構；圖9圖示了促進了更好的熱管理的圖7的替代實施例；
圖10圖示了用來生成像素的三種顏色分量的三個分開的2D陣列芯片；
圖11圖示了頂部發(fā)射布置，其中采用通過使用非線性晶體的腔內設計對波長進行加
倍；
圖12圖示了來自圖11的發(fā)射布置的詳細視 圖13圖示了來自圖12的進入掃描反射鏡的光學路徑的輸出以及被組合通過柱面透鏡的線性陣列；
圖14圖示了依據實施例的使用邊緣發(fā)射激光器的設計；
圖15-17圖示了構成邊緣發(fā)射激光器的子陣列的線性陣列的替代實施例；以及 圖18圖示了依據實施例的激光器件的操作陣列的部分剖視圖。
具體實施例方式實施例包括可以產生能夠用二進制串容易切換到各種特定配置的高分辨的強度分布的器件。二進制串定義了被組合以形成像素的顏色的輸出強度。對這些器件進行排列允許在沒有十分明顯的閃爍效應的情況下高效地產生像素的圖像線。在此申請中非相干的輸出是期望的，這是因為它降低了對屏幕或最終圖像的閃爍效應。由于VCSEL的高功率和頻率響應的原因，使用VCSEL的實施例允許更高的帶寬。由于對來自許多VCSEL元件的、形成單個像素的顏色的輸出進行組合的原因，這進一步使得能夠實現更明亮的圖像。如下面將進一步描述的，由于諸如VCSEL和VECSEL之類的激光器件的光刻限定的特征的原因，實施例還導致更小的制造尺寸。實施例還使用更少的能量，這是因為僅生成需要的顏色，而不要求對白光進行濾波。通過使用更少的能量，可以使用更小的冷卻器件以及其他用于冷卻的較不昂貴的方法，這使得能夠實現遠遠更小的成像系統(tǒng)。還應當理解，本文所描述的實施例可以用在寬泛范圍的應用和領域中，從顯示裝置和投影系統(tǒng)到醫(yī)療應用。實施例通過使用多個異相或不相干激光器來形成一個像素使得閃爍效應最小化。另外，實施例允許使用數字定義的電流驅動輸入。這消除了對其他成像系統(tǒng)的許多模擬至數字元件和數字至模擬元件的需要(如果不是全部)，這導致了更小的驅動電子裝置。應當理解，通過組合由激光器件生成的波長，實施例可以被用來生成顏色。在基底、芯片或某其他電路上排列和安裝對應于每個波長的激光器件。激光器件所生成的輸出和強度用二進制串控制。激光器件被布置分組或子陣列。于是每個子陣列被映射到二進制串中的位，其中二進制串包含圖像形成信息。還應當理解，將采用紅、綠和藍顏色空間(RGB)來描述本文的實施例，其中第一激光器件集生成紅色波長，第二激光器件集生成綠色波長以及第三激光器件集生成藍色波長。對這三個波長進行組合以生成像素的顏色。然而，一些實施例可以僅使用單個波長來生成像素顏色，而其他實施例可以使用三個或更多波長來生成像素顏色。例如，可以把生成青色波長的第一激光器件集與生成紫色波長和黃色波長的其他激光器件進行組合。這也會使得能夠生成像素顏色，其中青色、紫色和黃色是CYMK顏色模型的基色。可以對在不同的波長下進行操作的實施例進行組合以形成像素的真實顏色、色調和強度值?？梢园延杉す馄麝嚵薪M成的每個顏色源容納在單個芯片中，其中，各個芯片緊挨著放置在一起以便使顏色源的尺寸最小化。可以采用倒裝芯片封裝設計把激光芯片集成到驅動電子裝置，這得到減小的成本、改進的性能以及減小的尺寸和重量。雖然本文關于激光器件的線性布置描述了實施例，但是激光器件的許多其他物理組合也是可能的并且對于諸如在數據通信裝置中的一些應用而言可能是優(yōu)選的。與下面論述的線性陣列和子陣列(其對于成像系統(tǒng)具有特定的應用)相反，可以采用圓形、星形、圓形簇、三角形、方形以及成千上萬種其他形狀來布置激光器件。例如，在數據通信應用中，可能期望采用圓形方式布置可單獨尋址的激光器件或可尋址的激光器件的子陣列，使得可以把一個或多個多激光束部件成形到它們被諸如與圓形光纖組合地使用的環(huán)境。然而，在本文為了簡化描述，將論述線性陣列和用于尋址線性陣列以及對這樣的線性陣列的輸出進行組 合的技術，但是遍及全文，應當牢記，本發(fā)明不限于激光器件的線性陣列。第一實施例提供了在三基色紅、綠和藍的任一個顏色方面的用于像素的顏色要求的多激光束部件。多激光束部件包括可尋址的ID激光器件陣列。把ID陣列或線性陣列內的激光器件分組為一個或多個子陣列。在每個子陣列內的激光器件的數目以及激光器件的孔徑的尺寸方面，這些子陣列可能不同。每個子陣列表示通過對線性陣列內的所有子陣列的求和所生成的顏色波長的部分顏色強度。取決于實現方式的二進制或多個二進制串包含圖像信息，并且被用來控制由激光器件生成的顏色強度。特別地，二進制串內的位包含用于激光器件子陣列的信息。ID陣列中的每個子陣列由供給到用于該子陣列的驅動電子裝置的位信息控制。每個表示位是包括二進制或數據串的更大的位結構的一部分。通過使由采用二進制編碼的更高次序數位表示的每個更高次序子陣列的組合孔徑的功率或強度加倍，可以容易地把二進制編碼應用到整個線性或2D陣列。如上面所注明的，線性陣列內的所有激活的子陣列可以通過一個二進制串限定和同時開啟。來自所有激活的子陣列的輸出以及相應地來自所有激活的激光元件的輸出可以在通過產生特定波長的一個非相干激光的外部光學系統(tǒng)的線性方向上在一個線性陣列中進行組合。假設使用RGB模型，該特定波形可以是紅、綠或藍。該個非相干激光還與以相同方式生成的其它兩個顏色分量進行組合以產生像素的顏色。例如，第一非相干激光可以產生藍色，第二非相干激光可以產生紅色，以及第三非相干激光可以產生綠色。由于激光束是異相的并且是不相干的，所以非相干激光器的組合輸出產生了具有低至無閃爍效應的明亮、全色、高帶寬像素。在單個行上布置的單個線性陣列或多個線性陣列可以用二進制串同時開啟，從而產生了要生成的圖像的垂直像素線。實施例結合了分組在不同尺寸的子陣列中的多個VCSEL器件，如圖I中所圖示的。子陣列形成各種強度水平，其對應于并且被控制到二進制串的位。例如，如果線性陣列由兩個子陣列構成，則位串“11”將暗指這兩個子陣列都要被開啟。類似地，位串“01”將暗指第一子陣列要被關閉而第二子陣列要被開啟。如上面所注明的，二進制串描述了在整個線性陣列中有多少以及哪些子陣列被開啟以便對一個線性陣列的所有活動射束進行組合以產生針對該像素顏色的準確的強度。構成一個線性陣列的所有子陣列射束，如圖I中所示，或者表示一個二進制字的所有子陣列射束可以進行組合以形成構成特定像素的三種顏色之一。對于通過并聯連接每個子陣列中的所有VCSEL器件來供應該子陣列的所有元件來說，僅需要一個電流驅動。二進制串中的二進制位確定了開啟哪個子陣列，以及對于所有三種顏色而言同時都開啟針對該特定二進制字被定義為開啟的所有子陣列。然后，用變形(圓柱形)透鏡來組合同時被開啟的這三個線性陣列的所有射束以形成一個像素。構成一個顏色強度的子陣列采用子陣列的線性陣列來組織。線性陣列可以具有任何數目的子陣列，并且因此可以在長度方面對對應的控制二進制串進行調整以確保每個子陣列都映射到二進制串的一個位。每個線性陣列的輸出與兩個其他線性陣列(其生成采用相同方式生成的該兩個其他顏色)的輸出進行組合，以形成最終像素的顏色?？梢圆捎眯械男问絹砼帕幸粋€或多個線性陣列，這形成了 VCSEL器件和子陣列的2D陣列，如圖2中所圖示。在特定實施例中，所有的行是形成2D陣列的線性陣列。如上面所提出的，用來產生基色之一(即，紅、綠或藍)的所有線性陣列布置在單個VCSEL芯片上。 VCSEL芯片(其中每個芯片對應于不同的基色)被對準，使得一個VCSEL芯片上的線性陣列與該兩個或更多其他VCSEL芯片上的對應線性陣列對準，這導致所有的芯片的行被對準。例如，每個芯片的第一行會與其他兩個芯片的第一行對準。所有的VCSEL芯片的線性陣列的線性對準允許所有三個線性陣列，或者如果使用多于三個芯片則允許更多的線性陣列，其構成要通過相同的變形透鏡組合的一個像素。在一個實施例中，每行上的所有線性陣列同時被開啟。例如，根據二進制串中的值，同時開啟第一行上的所有線性陣列。接下來，基于不同的二進制串，同時開啟第二行上的所有線性陣列。對于剩余的行而言，這隨后繼續(xù)。用于每行的二進制串可以與每個其他行的二進制串進行連結以形成單個、一維二進制串。一行內的子陣列數可以用來追蹤用于特定行的二進制串開始于哪里以及它結束于哪里。單個二進制串還可以包括分隔符，其標識用于一個行的串開始于哪里以及用于該行的串結束于哪里。分隔符可以是數字值，諸如2、-1或某一其他數字。分隔符還可以包括單個字符或符號，諸如逗號、星號、字母等等，或者字符和符號的序列?？商鎿Q地，用于每行的二進制串可以與來自每個其他行的二進制串保持分開。在此情況下，可以采用列表、矩陣、或者替代數據結構的方式來組織與各個行對應的多個二進制串。實施例不限于使用O和I的序列來表示何時要開啟和關閉VCSEL子陣列。關鍵是要一致性地使用兩個不同的字符，其中一個字符指示VCSEL子陣列要被開啟以及何時要開啟VCSEL陣列。因而，用于線性陣列的二進制串會具有等于該線性陣列內的VCSEL子陣列的總數的長度。在替代實施例中，二進制串內的每個位指示是否要獨立于子陣列內的每個其他VCSEL而開啟和關閉該同一子陣列內的單獨的VCSEL。例如，對于具有兩個VCSEL的子陣列而言，二進制串“ 10”將指示該子陣列內的第一 VCSEL要被開啟，而該同一子陣列內的第二VCSEL要被關閉或不用。因而，用于線性陣列的二進制串將具有等于該線性陣列內的VCSEL總數的長度，而不是具有等于該線性陣列內的VCSEL子陣列的總數的長度。本文所描述的實施例可適用于任何顏色的VCSEL和其他半導體激光源，以及發(fā)光二極管(LED)。因此，隨著新的可見顏色的VCSEL以及其他半導體激光源得以開發(fā)并且不斷地成熟，它們因此可以與本文所描述的實施例一起使用。特別地，隨著這些相應的技術成熟，它們可以代替本文一些實施例中所描述的倍頻而被使用。在一些情況下，具有不依賴于倍頻的技術可能是可優(yōu)選地用來移除與為了倍頻所使用的非線性晶體相關聯的額外制造成本。在其他情況下，某個波長不需要存在非線性晶體。本文所呈現的實施例通過產生對特定波長的單個或多個脈沖的強度調制，使得能夠實現可以用于數據傳輸的裝置。實施例還可以用作具有在醫(yī)療領域中(諸如在精密手術中)所需要的可選擇強度的裝置。例如，許多醫(yī)療應用需要基于由外部源收集的數據的強度調制。圖I圖示了包括6個子陣列102、104、106、108、110和112的可尋址ID VCSEL陣列100。每個子陣列102-112包括VCSEL，其被線性定位但未必在同一條線上，以使得所有子陣列102-112的組合和它們的孔徑或者射束能夠投射通過透鏡。線性陣列100的長度以及線性陣列100內的子陣列102-112的數目可以根據使用該線性陣列100的方式及其應用而變化。類似地，每個子陣列102-112內的VCSEL的數目也可以變化。VCSEL線性陣列100的設計和組成的此柔性和可變性允許大的功率可縮放性，這在其他技術中是找不到的。 實施例包括線性地組合了多個激光器分組的獨有設計。來自多個激光器分組的每個組在孔徑的數目和孔徑的尺寸方面可以與每個其他組不同。圖1-4圖示了單孔徑以及多孔徑VCSEL子陣列的實施例，其具有基于相應位結構的用于顏色深度的數字控制的適合孔徑布置。圖2圖示了 VCSEL線性陣列的2D陣列的示例。本文所描述的實施例是基于線性或非線性地對分組中的激光器進行組合的獨有設計的。一個分組或子陣列內的激光器在孔徑數、該分組內的孔徑的尺寸以及在每個子陣列中的激光器的組織方面可以與其他分組或子陣列中的激光器不同。每個分組或子陣列由來自二進制串的位表示和控制。然而，在替代實施例中，子陣列內的每個激光器由二進制串內的位單獨控制。然而，在替代實施例中，子陣列內的每個激光器件由二進制串內的位單獨控制。圖I圖示了依據實施例的VCSELS線性陣列100。該線性陣列100包括6個子陣列102-112。在一個實施例中，二進制串的最高有效位將對應于第一子陣列102，而二進制串的最低有效位將對應于最后一個子陣列112?？商鎿Q地，可以把二進制串格式化為使得最高有效位對應于最后一個子陣列112，而最低有效位對應于第一子陣列110?？刂凭€性陣列100的二進制串將具有6的長度。二進制串“111111”會導致線性陣列100的所有子陣列都被開啟，而二進制串“100001”會導致僅第一子陣列102和最后一個子陣列112被開啟，伴隨著子陣列104,106,108和110不被用，即關閉。每個子陣列包括一個或多個激光孔徑114，如圖I中僅相對于子陣列102所圖示的。如上面所注明的，二進制串的單個位可以對應于是否開啟子陣列內的所有孔徑。可替換地，較高級別控制可以通過使單個位與每個子陣列內的單個孔徑相關聯來達到。子陣列內的孔徑可以具有與不同子陣列內的孔徑相比不同的尺寸。例如，子陣列108內的孔徑在尺寸方面比子陣列110內的孔徑大。類似地，子陣列內的孔徑可以被布置成多于一行，只要每行沿著一條線定位即可。例如，子陣列110包括四個孔徑，其中，兩個孔徑定位在第一行上，而其它兩個孔徑定位在第二行上。圖2圖示了依據實施例的激光器線性陣列的2D布置。特別地，圖2圖示了四個線性陣列200、202、204和206。每個線性陣列內的子陣列208與每個其他線性陣列的子陣列208垂直對齊，使得第一線性陣列200內的第一子陣列與第二線性陣列202內的第一子陣列對齊，等等。還把線性陣列對齊成使得每行內的孔徑與每個其他行內的孔徑垂直對齊。雖然圖2僅圖示了四個線性陣列，但是可以添加如所必要地那么多的線性陣列的行，以便生成必要的圖像的線。由于線性陣列內的激光器是并聯連接的，所以每個子陣列或子分組由一個功率源控制。圖3圖示了依據實施例的多孔徑元件結構，其允許彈性的孔徑尺寸、孔徑數量以及冗余的光源。特別地，圖3圖示了線性陣列的一部分以便使子陣列內的孔徑如何并聯連接到彼此并且如何被單個連接控制變得顯著。具有并聯連接的孔徑1-4的第一子陣列300由連接302控制。具有并聯連接的孔徑5-8的第二子陣列304由連接306控制。最后，具有并聯連接的孔徑9和10的子陣列308由連接310控制。如上面已經注明的，子陣列可以包括 至少一個孔徑，并且子陣列內的孔徑可以布置成單行孔徑，或者兩行或多行孔徑。另外，子陣列不需要都具有相同數目的孔徑行。例如，子陣列310可能已經被布置成使得孔徑9和10沿著同一行定位，而不是在兩行上。子陣列或元件可以具有一個器件或多個。圖4圖示了三個不同的二進制串輸入如何控制線性陣列內的分組或子陣列。二進制串或數據串描述了一個像素的顏色的顏色強度。具體地，數據串通過控制電流至子陣列的輸入來控制線性陣列內的子陣列。如果子陣列內的孔徑所有都是并聯連接的，則將基于單個位的值開啟或者關閉整個子陣列。根據數據串的各種子陣列的組合輸出確定了為像素生成的顏色。注意，替代實施例可以包括其孔徑不是并聯連接的子陣列。此替代配置使得子陣列內的每個孔徑能夠獨立于子陣列內的每個其他孔徑而被控制。圖4圖示了三個線性陣列400、402和404，其形成了線性陣列的三個行。每個線性陣列接收位串作為輸入。線性陣列中的每一個具有第一子陣列406、第二子陣列408、第三子陣列410和第四子陣列412。在每個線性陣列中，根據其在表示該字的每個位的陣列中的位置來開啟子陣列。對于第一線性陣列400，數據輸入為0110，這導致第一子陣列406關(0)，第二子陣列408開(1)，第三子陣列410開(1)，而第四子陣列412關(O)。如參考圖3所描述的，每個子陣列由連接線控制，其中子陣列內的孔徑與彼此并聯連接。對于第二線性陣列402，數據輸入為0111，這導致第一子陣列406關，而其他三個子陣列408、410和412開。最后，第三線性陣列404接收1010的數據輸入，這導致第一子陣列406和第三子陣列410開，而第二子陣列408和第四子陣列412關。該系統(tǒng)還可以被配置成使得O表示開，而I表示關?？梢詫Σ贾迷趩蝹€行上的多個線性陣列(其中該多個線性陣列的每個線性陣列生成針對單個像素的顏色)進行組合以形成具有針對第一顏色(諸如紅色)的正確顏色強度的像素行。當針對諸如綠色和藍色之類的兩個或多個其他顏色的顏色強度被線性對準并且與來自第一顏色的輸出進行組合時，所得到的輸出是要生成的圖像的像素線。如上面所提及的，在實施例中，每個子陣列內的激光器并聯連接。因此，每個子陣列內的激光器共享的連接可以被用作熱管理散熱部件，這允許優(yōu)良的器件性能以達到改進的熱管理。可以布置從最大數目的孔徑和最大的孔徑尺寸的子陣列到具有最小數目的孔徑和最小的孔徑尺寸的子陣列。因而，位串中的最高有效位將對應于可以生成針對特定波長(特定顏色)的最大顏色強度的子陣列。類似地，最低有效位將對應于可以生成針對特定波長的最小顏色強度的子陣列。在圖4中，第一子陣列406具有與最后一個子陣列412相同數目的孔徑，但是第一子陣列406的孔徑具有更大的尺寸。圖I和2還圖示了線性陣列，在該線性陣列中，第一子陣列具有比該線性陣列中的最后一個子陣列更多的孔徑，并且所述孔徑具有更大的尺寸。每個圖中的每個陣列的尺寸和激光器件的組合、所圖示的子陣列和陣列只是幫助解釋實施例的更寬的概念的示例。本發(fā)明不限于任何特定尺寸、形狀、類型或物理布置的激光器件，或激光器件、子陣列和陣列的任何組合。在線性實施例中，來自單個線性陣列的組合輸出(其包括來自該線性陣列內的每個子陣列的組合輸出)生成了最終顏色或像素的一部分。也就是說，來自單個線性陣列的組合輸出生成了第一波長，其隨后與兩個其他波長進行組合，其中最終波長確定了像素的最終顏色。例如，第一線性陣列可以生成包括紅色色度的波長。第二線性陣列可以生成包括藍色色度的第二波長。最終，第三線性陣列可以生成綠色色度的第三波長。一旦對這三個波長進行組合，它們就生成構成像素的最終顏色的最終波長。
為了確保對來自各種線性陣列(其被容納在VCSEL芯片內)的輸出正確地進行組合，VCSEL芯片必須基于顯示裝置的光學設計相對于彼此來定位。如上面所提及的，在紅色VCSEL芯片生成紅色波長的實施例中，紅色VCSEL芯片可以定位成一直線，而接下去是生成藍色波長的藍色VCSEL芯片，以及接下去是生成綠色波長的綠色VCSEL芯片。對由這三個不同波長的VCSEL或VECSEL芯片產生的多個平行射束進行組合以形成一個正確顏色強度的高分辨的像素。雖然本文就組合紅光、綠光和藍光的角度描述了實施例，但是在不偏離本發(fā)明的精神的情況下可以組合附加的和替代的顏色。例如，基于顯示器或通信裝置設計和要求，實施例可以組合和使用所必要的任何顏色或波長。在替代實施例中，被制造成具有紅色、綠色或藍色的原波長的一個或多個VCSEL芯片或替代激光芯片可以與需要采用倍頻的一個或多個VCSEL芯片或激光芯片組合使用，以便產生用來限定顏色強度的期望的三個或更多的顏色。本文所描述的實施例產生了異相(不相干)光。當激光源被用作光源以便減小最終圖像中的閃爍時，這是期望的。異相光確保了所生成的光波不與彼此破壞性地干涉。然而，替代實施例還可以產生同相光。雖然圖1-4圖示了水平地布置并且形成了單行的線性陣列，但是替代實施例可以包括垂直地布置并且形成列的線性陣列或以任何形狀組合布置的非線性陣列。線性陣列的行被水平排列并且同時被開啟以形成水平圖像線，但是可以以許多其他方式來排列和開啟以產生不同的結果。在又一實施例中，可以既垂直地又水平地布置線性陣列。例如，第一線性陣列集可以水平地布置，形成第一行集。第二線性陣列集于是可以定位在第一行集之下但是垂直地布置，這形成了在第一行集下的列集。一行線性陣列的間隔或位置還可以基于容納產生不同波長的線性陣列的其他芯片中的各行線性陣列的位置來確定。不管線性陣列是否通過形成行而水平地布置或者通過形成列而垂直地布置，圖像線或通信矩陣可以通過一行接一行地(如果被水平地布置)或者一列接一列地(如果被垂直地布置)排序來形成。
單個線性陣列還可以被用作產生源的唯一線。在這樣的實施例中，采用垂直和水平方式這二者對輸出像素強度進行掃描。要顯示的圖像還可以通過首先掃描圖像信息的水平分量，然后排序到下一個垂直位置來形成。如上面所注明的，實施例允許使用數字定義的電流驅動輸入。這因此簡化了由顯示裝置使用的所有數字控制電路，這是因為不存在對模擬至數字電路的需要。構成最終顏色的顏色強度的線性陣列中的每一個可以具有不同數目的子陣列。例如，構成紅色波長分量的線性陣列可以包括五個子陣列，而構成綠色分量的線性陣列和構成藍色分量的線性陣列可以包括四個子陣列?？商鎿Q地，子陣列的數目在每個波長分量的線性陣列中可以相同，然而在該子陣列內可以具有不同數目的孔徑和/或不同的孔徑尺寸。改變用于每個波長分量的線性陣列的結構可以使得某些波長或顏色分量能夠具有更多功率。例如，如果生成紅色波長的線性陣列具有更大數目的子陣列，則該紅色會趨向于主導最終的像素顏色。
實施例可以使用用于倍頻的VECSEL來而不是VCSEL。用于產生以可見顏色數字表示VECSEL輸出的具體目的的倍頻是獨有的設計，即使它可以采用許多本領域技術人員已知的通用布置來完成的情況下也是如此。將需要被倍頻的激光芯片或VECSEL芯片中的一個或多個可以共享公共的非線性晶體元件，由此減小了制造成本?？商鎿Q地，激光芯片或VCSEL芯片中的一個或多個可以與不要求倍頻的(一個或多個)芯片或VCSEL器件一起使用。在一個實施例中，容納線性陣列的器件或VCSEL芯片將具有穿過光學元件的組合的對應波長的所有孔徑的輸出。光學元件的選擇可以包括標準量具、非線性晶體、標準徑具和非線性晶體的組合、分束器、濾波器、反射體、透鏡、反射鏡、或者這些光學器件中的任何光學器件的組合。使特定波長的所有孔徑的輸出通過光學元件產生了激光或光源的期望顏色、波長和射束屬性。最重要地，光學元件產生了第二波長，其處于可見光譜、紫外光譜、近紅外光譜或者遠紅外光譜，這取決于應用。在本發(fā)明的實施例中可以使用許多不同類型的VCSEL芯片或者其他類型的激光器件，包括使用倒裝芯片技術接觸驅動器、使VCSEL或激光芯片與彼此對準、或者把芯片安裝到載體基底上的VCSEL。在通過引用將其全部結合于此的美國專利申請第12/707，657號中描述了針對高速VCSEL陣列對倒裝芯片技術的使用。安裝在或者倒裝芯片安裝在載體基底上的VCSEL芯片在載體基底中具有允許激光束發(fā)射通過該基底的開口或窗口。容納線性陣列的VCSEL芯片或其他芯片可以包括如圖5中所示出的典型的頂部發(fā)射設計。矩陣可尋址線制造在具有子陣列連接的發(fā)光芯片上并且安裝在或者倒裝芯片安裝到有源或無源散熱器基底。根據設計要求，可以使用使光源的電流改變來生成較高功率或較低功率，這因而可以改變所生成的顏色的強度水平。改變電流，連同子陣列內的孔徑的定制，可以被用來改變由子陣列生成的功率強度。還可以以多于一個水平來完成改變光源的電流以達到每個子陣列的期望或需要的功率和強度水平。例如，替代使用大數目的子陣列，采用兩個或更多不同的電流驅動的較小數目的子陣列可以產生與使用較大數目的子陣列可能相同的顏色強度。不是線性陣列內的所有子陣列都需要采用兩個或更多不同的電流來驅動。例如，如果線性陣列包括四個子陣列，則根據設計要求，可能僅需要采用兩個不同的電流來驅動該子陣列。圖5圖示了依據實施例的使用頂部發(fā)射設計并且示出公共光學部件的VCSEL器件結構。特別地，圖5圖示了使用分束器/波長濾波器、用于倍頻的非線性晶體和用于使該腔完成的反射體。通過倍頻晶體生成的二次諧波光以與入射射束成90度角地被濾波、反射和發(fā)射。 在圖5中，基底500可以是N摻雜砷化鎵(GaAs)基底，其通常用于外延生長。應當優(yōu)選選擇基底500來避免與摻雜基底上的外延生長有關的缺陷密度。然而，半絕緣基底還可以用于頂部發(fā)射設計或底部發(fā)射設計(如下面進一步圖示的)。接下來，可以采用通?？梢蚤_始于重摻雜η接觸層502的常見的外延設計。然而，或許還期望的是把η接觸層定位成更靠近基底腔，其將不會對最終設計造成很大影響。把η接觸層定位成更靠近基底腔還可以通過不必蝕刻或植入深入到基底中來改進該器件的設計。在典型的外延設計中，可以首先生長反射鏡506或者分布布拉格反射體(Distributed Bragg Reflector,DBR)。在頂部發(fā)射實施例的情況中，此反射鏡可以具有大于99%的反射率。在η接觸層生長在基底上的情況下或者在η接觸層生長在緩沖層(其后續(xù)生長在基底上)上的情況下，對于電流傳導而言可以要求此外延層被摻雜。在替代設計中，更靠近有源區(qū)域來生長η接觸層可能是必要的或期望的，并且在該情況下，在η接觸層下面可以使用不摻雜或低摻雜的反射鏡?？梢园逊瓷溏R或反射體506設計為DBR以便具有不同組成的材料的變化層。這些物質可以包括GaAs、砷化鎵鋁(AlGaAs)或者具有不同折射率的其他材料組成，由于在不同物質中的折射率的差異的原因，其允許所生成的光的反射率。所述變化層的厚度還可以基于該器件的生成或發(fā)射波長來設計。詳述這些層的復雜設計不在本發(fā)明的范圍中。然而，本文的描述將以足夠的細節(jié)來進行圖示以使得本領域普通技術人員能夠實踐本發(fā)明，最可能的外延生長圖案或部件。不必要的是包括與層、勢壘或者電流傳播層的索引相關的細節(jié)，這是由于本領域普通技術人員將能夠基于對于器件操作而言必要的設計來設計和挑選相關層。對于VCSEL設計而言這些層的使用是常見的并且在本領域是公知的。接下來，外延生長包括有源區(qū)508，其具有熔覆層和任何數目的量子井。量子井是在電流經過它們時在特定波長具有用于產生光子的帶隙的層?？梢允褂迷S多材料組合物，包括銦嫁砷化物(Indium Gallium Arsenide, InGaAs)、InGaAp和對于VCSEL或者外延設計而言常見和不常見的其他材料。這些層對于VCSEL設計而言是常見的并且在本領域是公知的。接下來，產生頂部反射鏡部件514的外延層被生長為與先前論述的底部反射鏡或DBR 506具有相同或相似類型的組合物。反射鏡反射率在生長中更少并且依賴于被用來使該腔完成的外部反射體的設計。在頂部DBR反射鏡514中，或者甚至在底部DBR反射鏡506中，設計者可以添加更高百分比的鋁以形成電流限制孔徑512。當在封閉環(huán)境中該層或多個層被暴露給熱水(H20)和氮(N2)(在半導體激光處理中通常被稱為氧化)時，在(通過蝕刻形成的)臺面(mesa)的外側邊緣上的該層或其他相似層中的材料將氧化并且改變成氧化鋁(A102)的某形式的電介質組成。這隨后在該器件的外側上產生了電介質環(huán)，這迫使電流路徑移動到該器件的中間，因此產生了孔徑。于是可以達到高電流密度以產生用于發(fā)激光的足夠光子或增益。最后的通用部件包括頂部接觸516。頂部接觸516可以是重P摻雜的并且被設計為產生良好的歐姆頂部接觸516。在處理期間以及在晶圓生長之后來沉積頂部接觸516。對于透鏡520的形成而言，頂部發(fā)射設計的最終層可以由常見厚度GaAs層或者其它常見混合物制成。透鏡520被需要以便減小和控制所發(fā)射射束的發(fā)散。透鏡520還可以被設計在具有氧化層的頂部反射鏡514中。然而，替代實施例可以不使用透鏡520。雖然圖5描述了用于頂部發(fā)射激光器設計的外延部件的特定實施例，但是還可以使用對于半導體激光處理而言常見的其他層或設計。在特定實施例中，制造這些實施例所遵循的過程如下。在對生長的外延晶圓的適當清潔之后，用光致抗蝕劑來涂敷外延晶圓。厚的正性抗蝕劑和負性抗蝕劑二者都可以被 用來涂敷外延晶圓。接下來，通過把抗蝕劑層暴露給紫外光或者通過把抗蝕劑層暴露給圖案化的電子束，可以用掩膜來對所添加的抗蝕劑層進行圖案化，這取決于所使用的抗蝕劑層。該圖案留下了具有大約3微米的厚度的圓的或方形臺面的光致抗蝕劑，以便在等離子體蝕刻室和過程中持續(xù)或保持。等離子體蝕刻普遍是基于氯(C12)或三氯化硼(BC13)氣體的蝕刻或者用于GaAs的常見等離子體蝕刻氣體的混合物。替代過程可以使用化學蝕刻來進行臺面形成。在蝕刻通過有源區(qū)但是停止在高度摻雜反射鏡中或者在η接觸層中之后，對臺面的蝕刻過程完成。蝕刻過程的深度可以由反射計、干涉計或者由使用殘余氣體分析儀(RGA)的終點檢測來控制。這些技術和過程對于半導體處理工業(yè)是常見的并且在本領域是公知的。接下來，把樣本或晶圓暴露給早期描述的氧化環(huán)境以形成電流限制層。在另一技術中，電流限制可以通過對器件進行掩模以及植入來達到。這些技術對于半導體處理工業(yè)是常見的并且在本領域是已知的。在這點上，透鏡蝕刻可以通過對光致抗蝕劑或可光限定聚合物進行圖案化，對抗蝕劑或聚合物進行回流，以及然后通過使用通常具有低選擇性的蝕刻的等離子體蝕刻來完成。使用具有低選擇性的蝕刻使得經回流的透鏡形狀能夠轉移到蝕刻的GaAs、AlGas或其他復合材料中以形成透鏡520。此蝕刻過程還可以在對器件的氧化之前執(zhí)行。在清除抗蝕劑掩模之后，在整個表面上形成電介質沉積504。此層可以與其他沉積組合地設計以在孔徑上形成抗反射涂層，以及可以根據器件的波長和其他光學元件或部件來設計。可以使用具有電介質屬性的SiN2或任何類似材料。這些層類型通常通過等離子體增強化學蒸氣沉積(PECVD)來進行沉積。接下來，在樣本或晶圓上對另一光致抗蝕劑進行圖案化并且被暴露以打開電介質層以用于接觸層的形成。圖案化的晶圓隨后被暴露給另一等離子體蝕刻，其通常包括基于氟的氣體或者與一些其他蝕刻氣體組合的基于氟的氣體。還可以使用替代蝕刻氣體。在蝕刻完成之后，首先通過采用溶劑的清潔移除掩模，并且然后通過使用去離子水對其進行清潔。在隨后步驟中，在樣本或晶圓上對另一光致抗蝕劑進行圖案化并且暴露該光致抗蝕劑以便在該抗蝕劑中形成開口。就是在此開口中在針對P歐姆接觸而設計的重P摻雜外延層上沉積P金屬接觸516。此抗蝕劑普遍是能夠被圖案化成具有逆向(retrograde)抗蝕齊__以便“剝離”不是開口區(qū)的一部分的金屬的負性抗蝕劑。對于剝離步驟而言可以使用替代抗蝕劑過程。這些技術對于半導體處理工業(yè)是常見的并且在本領域是公知的。電鍍過程被用來圍繞臺面形成散熱材料518。散熱材料518被用于熱管理并且還要把子陣列內的其他臺面連接在一起以形成平行接觸?？梢詰闷渌娊橘|和或對其返回蝕刻以便暴露和形成用于倒裝芯片安裝和用于光學涂層或者用于該器件的保護層的連接、接觸和金屬墊。這些電介質涂層是本領域已知的常見過程。用于不同的子陣列的連接可以以與上面所描述的用于金屬層和用于倒裝芯片接合的襯墊的相同方式來進行沉積。這些步驟可以以任何次序來沉積這些連接形成層。最終，可能需要對焊料524的最終沉積以形成用于倒裝芯片過程的倒裝芯片球或接觸。此最終沉積普遍是電鍍沉積，但是它還可以是蒸發(fā)沉積技術。焊料層包括軟金屬組成物，像錫、銦、其他合適的金屬以及諸如金(Au)或銀(Ag)之類的金屬的組合。在它是在基底載體或散熱器上完成的情況下，此過程可能是不必要的。 上面呈現的步驟被用于VCSEL激光芯片的晶圓的處理。下列步驟描述了依據實施例的后端或封裝過程的示例。首先，可以用半導體鋸劈切或切割晶圓以產生適當尺寸的完成芯片。通過對芯片進行對準或者對散熱器進行對準，可以把VCSEL激光芯片或管芯安裝到載體基底?？梢杂媒雍虾凸饪填I域公知的紅外背面芯片對準技術來對準這些芯片?？商鎿Q地，可以通過倒裝芯片安裝或者其他對準和附著方式來對準散熱器。在一些情況下，在接合之后，為了更好的器件性能可能移除原基底。在對準一個芯片之后，把接下來的兩個或多個芯片接合到載體基底。對載體基底進行處理以便具有驅動電路和倒裝芯片連接襯墊，連同對于操作激光器件而言必要的任何其他電路。還可以用深硅(Si)蝕刻工具或者采用化學蝕刻來處理載體基底以便產生窗口或者開口，使所述窗口或者開口與激光對準以便傳播。接下來，在邊緣附近用金屬和焊料接觸對非線性部件或晶體(圖11中所圖示的，晶體1114)進行圖案化以便匹配載體基底上的焊料墊。這允許通過接合到基底的附著。另夕卜，對于平面性而言此技術是理想的，當外部反射鏡是激光腔的部件時平面性總是所關心的事。非線性晶體可以覆蓋用于倍頻的芯片中的一個或多個。在一些實施例中，非線性晶體可以用于四倍頻、加頻或減頻，這取決于應用。如上面所提出的，可以增加其他光學元件以用于改進把原波長轉變?yōu)楸额l波長的效率。適合的光學元件包括偏振分束器、濾波器、標準器具或者波長控制光學部件。圖11圖示了可以如何結合各種光學元件。在邊緣附近用金屬和焊料接觸對偏振分束器或射束組合器1116進行圖案化以便匹配非線性基底上的焊料墊。在該光學設計中的所有其他元件可以類似地安裝，這允許通過接合到基底的附著。接合通過該工業(yè)常見的熱和壓過程來完成?，F在返回到圖5，原波長534由該器件生成并且傳播通過偏振分束器元件532，以及在光學腔528中繼續(xù)以被適當設計的反射體526反射。在射束返回傳播530通過分束器532時，在垂直方向上倍頻分量536被反射到腔外面。在特定實施例中，可以在沒有倍頻的情況下用紅色、綠色和藍色原波長制造VCSEL、激光芯片或其他光源。
在又一實施例中，可以使用單個線性陣列來產生所有像素。這些線性陣列可以被用來產生每個像素，并且這些線性陣列可以采用兩個方向掃描過程進行掃描。實施例不限于使用VCSEL。在一個實施例中，在子陣列中內可以使用單面發(fā)射激光器(SEL)。線性陣列可以包括組合，具有SEL的一個或多個子陣列和具有其他類型的激光器的一個或多個不同的子陣列的組合。在又一實施例中，可以在基底上安裝VECSEL芯片以便用向上指向但不需要先前提及的窗口或開口的激光孔徑來彼此對準?？商鎿Q地，可以把VECSEL芯片或光發(fā)射器安裝在基底上，其中，所發(fā)射的波長或射束不傳播通過所述基底、載體基底和有源或無源散熱器。在實施例中可以使用頂部發(fā)射VECSEL芯片和 底部發(fā)射VECSEL芯片這二者?？梢园裋ECSEL芯片安裝在倒裝芯片安裝到的散熱器基底上，該散熱器基底具有在該基底中制造的矩陣可尋址線?？梢园裀接觸層、N接觸層或這二者的矩陣連接制造在散熱器基底上以用于直接倒裝芯片接合到每個適當的襯墊。如上面所注明的，子陣列可以包括單個激光器。例如，線性陣列可以包括一個或多個子陣列，其中基于它表示的位的位置相應地對每個子陣列內的單個孔徑確定尺寸。第一子陣列可以包括具有最大尺寸的單個孔徑。第二子陣列可以包括僅僅具有較小尺寸的單個孔徑。與最低有效位相對應的最后一個子陣列可以包括具有比其他子陣列中的任何子陣列中使用的孔徑尺寸更小的尺寸的單個孔徑。線性陣列還可以包括一個或多個子陣列，其中每個子陣列具有與在同一線性陣列中的每個其他子陣列的孔徑具有相同尺寸的單個孔徑。圖10圖示了用來生成像素的三個顏色分量的三個分開的2D陣列芯片1000、1002和1004。例如，陣列芯片1000可以對應于紅顏色分量、陣列芯片1002可以對應于綠顏色分量，而陣列芯片1004可以對應于藍顏色分量，或者每個可以對應于如應用要求的許多不同顏色中的任何顏色。來自芯片1000部件的行1006、來自芯片1002的行1008和來自芯片1004的行1010彼此對準以便對這三個顏色分量進行組合，其中由每個芯片生成的一個顏色分量，對于產生像素的最終正確的顏色色度和強度是必要的。還把芯片1000、1002和1004的其余行對準。然而，芯片1000和1002安裝在載體基底1012上，而芯片1004不這樣。因而，對光源或芯片的定位還必須考慮芯片的具體光學路徑、透鏡位置、顯示裝置的電路以及與整個顯示裝置相關的任何其他結構。在另一實施例中，諸如邊緣發(fā)射激光器或邊緣發(fā)射發(fā)光二極管(LED)的邊緣發(fā)射器件可以如圖14中所圖示的那樣進行制造。圖14圖示了依據使用邊緣發(fā)射激光器的實施例的設計，開始于(最高有效位)MSB激光器1400并且結束于(最低有效位)LSB激光器1404，其中在之間具有許多其他激光器件1406中的任何激光器件?？梢詫γ總€子陣列的輸出進行組合并且每個子陣列的輸出由垂直輸出1402發(fā)射。特別地，在來自圖14的實施例中，可以針對對應的較高功率子陣列，通過使用用來改變該功率的不同的條帶長度或寬度來設計激光器或LED?？商鎿Q地，多個器件可以并聯地接觸在一起以便形成如參考圖I和2所描述的子陣列。進一步參考圖14，子陣列可以包括單個邊緣發(fā)射激光器(EEL)或EEL的組合。線性陣列內的一個或多個子陣列可以都包括EEL?？商鎿Q地，一個或多個第一子陣列可以包括EEL，而一個或多個第二子陣列可以包括一些其他面發(fā)射射束器件的激光器?？梢园炎雨嚵性O計成使得對應于MSB的子陣列和那些靠近MSB子陣列的子陣列比對應于LSB的子陣列和那些靠近LSB子陣列的子陣列具有更大的輸出。這些面發(fā)射型結構使用諸如反射鏡或光柵之類的垂直輸出部件，并且可以以與本文所描述的使用VCSEL的其他實施例相同的方式來使用。使用EEL的實施例還可以通過使用對每個脈沖的強度調制而被用在通信或數據傳輸應用中。這將允許典型地較慢的EEL器件(其典型地具有較高的輸出功率)以采用用于高功率通信應用的較高帶寬來完成。圖15-17圖示了構成具有一個或多個EEL的子陣列的線性陣列的其他實施例。單個線性陣列可以包括一個或多個EEL子陣列和容納其他類型激光器的一個或多個子陣列。如果各種線性陣列被布置在單個行上，則該行內的第一線性陣列可以僅包括EEL，而該同一行內的第二線性陣列可以包括其他類型的激光器。在另一實施例中，ID陣列被用作單個顏色像素，其產生與相同但不同的顏色或波 長的其他源組合的源，以及以垂直和水平的方式掃描組合的有色輸出像素強度。可以用對于本領域技術人員而言已知的常見制造技術，從邊緣發(fā)射材料制造激光芯片。然后可以對根據上面描述的輸出的數字二進制系統(tǒng)的變化功率的陣列或單個器件進行劈切和安裝以使得對顏色強度進行編碼的相同方法能夠實現。一個實施例可以使用用于高速陣列的倒裝芯片技術和設計，該高速陣列具有在每個子陣列或元件的周圍形成的波導，如在通過引用結合于此的美國專利申請第12/707,657號中所描述的。特別地，接地平面基本上或完全地圍繞子陣列內的所有激光器件，從而形成了共面的波導引導件(lead)。波導的使用可以顯著地增加VCSEL陣列的帶寬并且使得本文所公開的陣列的實施例能夠被用于除成像系統(tǒng)以外的許多不同的應用。實施例可以使用任何各種的半導體激光器、孔徑和光源，包括發(fā)光二極管(LED)、邊緣發(fā)射激光器和所有類別的半導體激光器(諸如VCSEL、VECSEL、或在垂直發(fā)射種類內的任何半導體激光器(其中垂直激光傳播到晶圓基底表面))。其他光源也可以用作針對特定顏色或者針對顏色組合的光源。替代光源也可以采用如本文所公開的子陣列的形式線性地布置，其中每個子陣列由包含要形成的圖像的信息的二進制串的位來控制和關聯。除了別的以外，這些其他光源還可以包括LED、有機LED、光學泵浦光源和電泵浦光源。例如，特定實施例可以包括一個或多個相似顏色的LED的線性陣列。如果使用LED，則對波長的倍頻是不必要的，由此消除了用于倍頻所需的復雜光學系統(tǒng)。具有垂直輸出的邊緣發(fā)射激光二極管還可以被組合在線性陣列中，其中具有線性陣列的子陣列具有與子陣列表示的位位置相對應的功率強度。在使用邊緣發(fā)射激光二極管的實施例中，制作單個激光器的線性設計或條帶可以平行于該線性陣列的方向來定位?？梢园演敵龆ㄎ怀砂阉猩涫c變形透鏡或相似器件進行組合。例如，圖14圖示了線性布置的MSB子陣列1400、LSB子陣列1404和子陣列1406。來自這些線性陣列的射束通過對應的垂直輸出1402進行組合，所述垂直輸出1402可以是變形透鏡?？梢园堰吘壈l(fā)射器件的線性陣列設計成使得沿著一個方向，典型地X方向所述線性陣列具有足夠空間來定位具有垂直輸出的多個條帶的激光器。圖15中圖示了一示例。沿著方向上的足夠空間使得這些邊緣發(fā)射激光器能夠具有變化的長度和/或變化的寬度來產生針對來自它表示的該二進制串的對應位的強度。
圖15圖示了邊緣發(fā)射陣列構造1500的實施例的頂視圖，其中，制造和使用了邊緣發(fā)射激光器或邊緣發(fā)射LED，而不是上面描述的面發(fā)射定向的激光器件。圖15中所圖示的芯片示出了使用條帶的邊緣發(fā)射激光器的第一子陣列1502，諸如條帶的邊緣激光器1504。當劈切激光器1504時，就形成了孔徑1506。孔徑1506所有都被并行地控制，其中子陣列1502的強度對應于它表示的位位置。陣列構造1500進一步包括子陣列1508、1510、1512、1514和1516。在該陣列構造1500中，子陣列1502對應于MSB，而子陣列1516對應于LSB。
圖16圖示了來自圖15的邊緣發(fā)射陣列構造1500的側視圖。從圖16的角度看，所生成的光的傳播方向會垂直于該圖的表面(從該紙的表面出來)。圖17圖示了已經劈切并被安裝以便從邊緣發(fā)射定向而不是面發(fā)射定向產生數字輸出強度的邊緣發(fā)射激光器的陣列。圖17示出了安裝在封裝部件1706上的芯片1700、1702和1704。特別地，芯片1700、1702和1704中的每一個都包括如圖15和16中所圖示的線性陣列。芯片與彼此對準以確?？梢詫碜赃@三個芯片的激光輸出進行組合以生成針對像素的顏色。圖17中所圖示的實施例具有不要求倍頻部件的優(yōu)點，因此制造更容易。如上面所注明的，當使用邊緣發(fā)射激光器時，可以通過使用變形透鏡對輸出進行組合。如上面所提出的，通過在基底上一次沉積或多次沉積(這導致DBR具有匹配于具體的傳播波長的屬性)制造的外部反射鏡在邊緣附近用金屬和焊料接觸進行圖案化以便匹配該非線性基底上的焊料墊。這允許通過接合到基底的附著。接合通過該領域公知的熱和壓過程來完成。上面提及的外部反射體還可以沉積在如圖6中所圖示的其他光學元件之一上，在圖6中外部反射體626被沉積在非線性晶體628上以使設計簡化。圖5圖示了使用頂部發(fā)射設計并且示出常見光學部件的典型VCSEL器件結構，包括分束器/波長濾波器、用于倍頻偏移的非線性晶體和用于使腔完成的反射體。由倍頻非線性晶體生成的次級諧波光在行進通過非線性晶體之后被濾波。該非線性晶體以90度角反射最初由VCSEL器件發(fā)射的所有波長，僅讓由該非線性晶體產生的諧波波長通過。當以90度角度反射光時，來自輸出耦合器的輸出射束處于與來自VCSEL的入射射束相同的入射角度。來自外部反射體526的輸出可以與帶通濾波器進行組合以允許由該晶體528生成的諧波波長通過，而反射由該光源生成的波長。除了圖6的器件不包括分束器或其他光學元件之外，圖6中所圖示的器件可以遵循與用來制造圖5的器件相同的方法來制造。在圖6中，來自外部反射鏡526的反射射束530返回到該腔，而由該非線性晶體生成的倍頻射束分量600傳播通過入射或垂直于該非線性晶體的表面的適當設計的反射鏡526。在另一實施例中，可以把該器件的結構改變?yōu)槿鐖D7-9中所圖示的背反射定向。在此實施例中，對晶圓進行處理，并且然后上部向下倒置安裝和接合到接觸。在圖7中，參考圖5如上面所論述的制造該臺面結構，其中外延層生長在基底700上，隨后是N接觸層702，諸如SiN2之類的電介質非傳導層704，其覆蓋所述結構并且被打開或者蝕刻出開口以便直接在摻雜接觸層710上形成沉積的P接觸金屬層712。對于高反射率而言，通過使用DBR沉積設計，通過使用光柵或者通過增加用以帶來大于99%的反射率的其他反射層，來設計在倒裝芯片接合之后成為底部反射鏡的頂部反射鏡708。該器件還包括有源(active)區(qū)域706并且部分DBR反射鏡704可以具有所結合的內部透鏡。在組合物中使用高百分比的鋁，并且在使電介質A102氧化之后，由于在氧化之后反射鏡的組合折射率差的原因，形成作為具有不同氧化長度的環(huán)的各層會形成透鏡。內部透鏡可以被用來減小射束的分散，這對于光學設計是有益的。進一步地可以使用對具有良好熱傳導的CiuAu或其他高度材料的電鍍散熱器。這些層、結構或接觸(包括焊料接觸714)通過參考圖5概括的方法來形成。進一步參考圖7，原波長射束724傳播通過基底700。原波長724傳播通過偏振分束器元件722，以及繼續(xù)到光學腔718中，從而被適當設計的反射體720反射。在射束返回傳播通過分束器722時，在垂直方向上倍頻分量728被反射到腔外面。圖8圖示了類似于來自圖7的器件的 器件的實施例，除了不包括分束器和其他光學元件之外。在圖8中，來自外部反射鏡720的反射射束726返回到該腔中，而由該非線性晶體生成的倍頻射束分量800傳播通過入射到該非線性晶體的表面的適當設計的反射鏡720。在此實施例中，由倍頻晶體生成的二次諧波光被發(fā)射通過具有如參考圖6所描述的相同濾波和輸出的腔反射體。還應注意，來自圖8的實施例可以另外包括帶通濾波器，這允許僅由非線性晶體生成的波長從輸出耦合器通過。圖9圖示了圖7中所圖示的器件的又一變體，但是來自圖9的器件促進了較佳的熱管理，這是由于圍繞該器件的散熱器到散熱器基底912或載體的直接轉移，所述散熱器基底912或載體具有使用焊料906或者傳導環(huán)氧部件所附著的連接908和910。圖9還示出了 N接觸層902如何通過設計具有至N層的金屬沉積904的縮短的臺面而連接到N連接910。進一步參考圖9，底部發(fā)射結構包括基底900和掩埋N外延層902。N矩陣線或襯墊910通過縮短的臺面914和金屬沉積904與掩埋N外延層902連接。在它們通過臺面蝕刻被隔離時另一器件臺面或結構916不受臺面至N-層的縮短的影響。所圖示的兩個臺面結構都使用不同的焊料沉積襯墊906，它們可以同時沉積以便使處理簡化。器件916連接到P矩陣連接或襯墊908。在該基底或散熱器912上制造矩陣線和襯墊這二者。繼續(xù)到圖11，這些光學元件可以采用多種方式來設計和應用并且達到如上面所提及的類似結果。在圖11中，VECSEL陣列芯片1100、1102和1104倒裝芯片接合到具有開口的載體基底1112。該圖是經接合的芯片的剖視圖?；?112可以具有包括至驅動器的互連的電路?？商鎿Q地，基底1112可以包括支持所述VECSEL芯片的操作所需要的數字電路和/或驅動器?；?112還可以是到另一基底1108的互連，其中全部或沒有一點在剛提及的電路上。實際的VECSEL芯片還可以采用所述芯片上的電路，其為常見的設計實踐。這里的基底1108示出了允許VECSEL芯片應用散熱材料1106的開口，其將熱量轉移到散熱器1110，這允許改進的熱管理。此外，通過本文先前提及的技術來接合非線性晶體1114。此器件的腔1120已經從VECSEL芯片1100和1102的底部反射鏡通過所有光學部件延伸到外部反射體1122和1124。在此圖示中，部件1116包括具有對波長的濾波的三個射束組合器，使得包括原波長1126和1128以及倍頻波長1127和1129在內的返回射束1126和1128被組合，并且僅從外部反射體1122和1124返回的倍頻波長根據諸如分束器1130之類的分束器被組合或者被反射。如所圖示的，所得到的VECSEL 1100的輸出是藍色，而所得到的VECSEL 1102的輸出是綠色。例如如果從VECSEL 1104得到的紅色波長不需要倍頻，如此圖示中所示出的，則射束組合器1132可以被用來把射束反射到組合射束1134中。該結果將是平行射束1134的組合波長，其表示所組合的所有三個VECSEL芯片1100、1102和1104的線性分量。這些平行射束1134于是掃描至變形透鏡以進行組合，從而產生像素，或者被采用另一布置的棱鏡組合以形成像素。在此實施例中，強度調制可以使用如本文所描述的相同二進制編碼器件，但是不是聚焦在顏色深度或顏色強度上來產生，該聚焦可以是要生成可能被編碼到單個脈沖上的一串數據。該脈沖于是可以通過光纖或者自由空間來傳送，并且被檢測為具體的二進制強度，其將表示位串，而不是在正常數據通信脈沖中的信息的通用一位。此技術能夠許多次都產生現在可能的正常的傳輸數據速率。雖然強度調制是公知的，但是根據此實施例不配置這樣的已知光源，其提供了對所得到的信號的更多的描繪，這是由于通過使用針對確切二進制或數字強度所設計或校準的多個陣列的源的其對強度的數字選擇的原因。此外，在此實施例中，可以用同一技術把更多的波長添加到同一射束以產生波分復用(WDM)或密集WDM (DWDM)，其中每個特定波長具有在該波長的相應脈沖中的每一上編碼的位串信息。此性質的器件將產生至今未實現的極其高的數據傳輸速率。此外，在此器件中，技術倍頻將不需要被使用，或者甚至可以使用加頻持續(xù)更長的眼安全波長，所述眼安·全波長對于更高的功率激光傳播而言是重要的。注意，還可以與本文所公開的實施例中的任何實施例結合來使用MEM反射鏡或掃描器件。根據在任何一個時間MEM反射鏡位置,該MEM反射鏡或掃描器件可以把位/字信息脈沖遞送到不同的位置。應當理解，在任何先前提及的實施例中，可以對任何數目的波長或多個波長，或者由光源或激光芯片產生的射束，或者其組合進行組合以形成一個高分辨的數據脈沖、數據脈沖串，或者具有用于數據傳輸的無論是二進制或十六進制等等的任何形式的數位的字。對于高分辨數字強度調制(頂)而言，此器件于是會是獨有的源或發(fā)送器。該先前提及的器件可以潛在地具有僅受到組合透鏡的尺寸、焦距或距離以及可以根據設計定義的子組的數目限制的位信息。位串深度或“字”長度可以包括2個或更多位。可以實現8位、10位、16位、32位、64位或更多。在使用該器件用于數據傳輸的另一實施例中，可以用任何數目的行或所有的行來同時開啟線性陣列以形成線性系列的脈沖，其可以由彼此進行描繪，即使所述脈沖具有相同或相似的波長的情況下也是如此，這是由于它們與彼此相關的輸出位置的原因，以及其可以把維度元件添加到形成高帶寬傳輸線的這些WDM或DWDM強度調制的脈沖。在另一實施例中，ID陣列被用作單個波長脈沖產生源，其與相同但不同的波長的其他源組合，以及以垂直和水平的方式掃描組合的波長輸出脈沖強度?？梢杂脤τ诒绢I域技術人員而言已知的常見制造技術，從邊緣發(fā)射材料制造激光芯片。于是可以對根據上面描述的輸出的數字二進制系統(tǒng)的變化功率的陣列或單個器件進行劈切和安裝以使得對數據傳輸進行編碼的相同方法能夠實現。圖12示出了圖11的同一視圖的特寫，其中射束1200、1202和1204是在每個線性陣列中根據每個二進制開/關狀態(tài)被“開啟”的子陣列。射束1202和1206是來自外部或延伸的反射鏡的腔內反射的射束。射束1210和1012是來自已經穿過非線性倍頻晶體的返回射束的倍頻射束分量。這些射束垂直于腔方向被反射，這是由于已經涂覆有指定波長濾波器的斜面僅允許反射倍頻波長。所有其他波長將繼續(xù)通過斜面窗口。射束1214是來自不需要倍頻的紅色VECSEL芯片的反射射束。現在對所有平行射束1010、1012、1014進行組合，并且輸出是表示針對三種顏色的強度而加權的VECSEL子組的多色平行射束1216。
定義像素強度的所有線性陣列同時被開啟，從而形成了 2D平行射束陣列。反射鏡然后把這些平行射束反射到變形透鏡，其在一個方向上把線性陣列的分量射束組合成像素，而在另一方向上成一行像素。當把下一個圖像線數據排成2D陣列時以相同方法產生下一個圖像線，并且反射鏡繼續(xù)把下一條線定位到像平面中其線位置的掃描。圖13示出了上面的相同射束1216以及被掃描反射鏡1302和1304反射的其他類似射束。平行反射的射束入射到變形透鏡1306上，該變形透鏡1306促使對射束進行會聚以形成具有組合的所有三個顏色分量的點或者像素1308，其中所有顏色強度加和產生了深的和豐富的顏色深度。最終被形成為某點的像素1308是圖像平面1310的圖像線的頂部像素。通過在垂直于線性陣列的射束的方向上同時形成像素的2D陣列的所有行來產生圖像線和其他圖像線。此垂直方向將是在紙的表面向下看。圖像線將表示形成虛擬圖像1310的一個方向X或Y，而掃描經過圖像平面1310的表面的射束線表示圖像1310的另一 X或Y分量。
使用倒裝芯片技術和用于高速陣列的設計(其中在每個子陣列或元件的周圍形成波導)，可以增加VCSEL陣列的速度和數據速率。本文所描述的實施例通過使用四倍頻而不是將會產生具有在光刻法中期望的更短得多的波長的圖像的倍頻，使得能夠實現可以被用于更少掩模的光刻暴露的器件。所產生的圖像可以被減小而不是被投射到光致抗蝕劑上以進行成像，在該光致抗蝕劑處，對于該系統(tǒng)而言該器件的衍射限制可能是特征尺寸的限制。在此實施例中，孔徑尺寸理想的話會被設計成盡可能地小以便減小特征尺寸。此過程還可以使用用于波長源的任何數目的組合來允許用于印制工業(yè)的成像器件具有適當的波長。圖18圖示了依據實施例的激光器件的操作陣列的部分分解圖。此操作陣列包括五個線性陣列，線性陣列中的每個線性陣列構成了單個行。每個線性陣列還包括八個子陣列，其中第一子陣列具有最大數目的激光器件并且具有最大的孔徑。另一方面，與最低有效位相對應的最后一個子陣列僅具有單個激光器件，并且此單個激光器件具有比該同一行內的其他子陣列中的每個激光器的孔徑都小的孔徑尺寸。該陣列通過連續(xù)地開啟每個行而進行操作。例如，如果把二進制串“10100111”饋送到第二行上的線性陣列中，則它會導致第一子陣列、第三子陣列和最后三個子陣列開啟，其中其他子陣列保持關。雖然本文已經根據優(yōu)選實施例和若干替代圖示和描述了本發(fā)明，但是應當理解，本文所描述的技術可以具有很多附加的用途和應用。因此，不應當把本發(fā)明只限制為本說明書中所包含的該各種圖示和特定說明，本說明書僅僅圖示了本發(fā)明的原理的應用和優(yōu)選實施例。
權利要求
1.一種用于組合多個半導體光器件的輸出以生成數字輸出的系統(tǒng)，包括 第一半導體光器件集，其在所述多個半導體光器件之中并且能夠操作用來生成多個第一波長，所述第一半導體光器件集在一個或多個子陣列的至少一個陣列內以第一形狀被分組； 第一二進制串，其包含數字輸出數據，來自所述第一二進制串的每個位控制來自所述一個或多個子陣列的每個子陣列的功率，其中由每個子陣列生成的波長強度由控制每個子陣列的特定位的位置來確定；以及 第一射束組合器，其對所述多個第一波長進行組合以生成表示所述數字輸出的第一波長射束。
2.如權利要求I中所述的系統(tǒng)，還包括 第二半導體光器件集，其在所述多個半導體光器件之中并且能夠操作用來生成多個第二波長，所述第二半導體光器件集在一個或多個第二子陣列的至少一個第二陣列內以第二形狀被分組； 第二二進制串，其包含第二數字輸出數據，來自所述第二二進制串的每個位控制來自所述一個或多個第二子陣列的每個第二子陣列的功率，其中由每個第二子陣列生成的第二波長強度由控制每個第二子陣列的特定位的位置來確定； 第二射束組合器，其對所述多個第二波長進行組合以生成第二波長射束；以及 非相干射束組合器，其對所述第一波長射束和第二波長射束進行組合以生成與所述數字輸出相對應的多個數據點。
3.如權利要求I中所述的系統(tǒng)，其中，所述多個半導體光器件選自包括以下各項的組頂部發(fā)射垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)、底部發(fā)射VCSEL、具有外部腔的頂部發(fā)射VCSEL(VECSEL)以及底部發(fā)射VECSEL。
4.如權利要求I中所述的系統(tǒng)，其中，所述多個半導體光器件選自包括以下各項的組發(fā)光二極管、邊緣發(fā)射激光器、有機發(fā)光二極管、光學泵浦光源和電泵浦光源。
5.如權利要求I中所述的系統(tǒng)，其中，在所述一個或多個子陣列之中的最高有效位子陣列具有比在所述一個或多個子陣列之中的最低有效位陣列更大數目的半導體光器件。
6.如權利要求I中所述的系統(tǒng)，其中，在所述一個或多個子陣列之中的最高有效位子陣列內的每個半導體光器件具有比在所述一個或多個子陣列之中的最低有效位子陣列內的每個半導體光器件更大的孔徑尺寸。
7.如權利要求I中所述的系統(tǒng)，其中，子陣列內的半導體光器件并聯連接并且由單個連接驅動。
8.如權利要求7中所述的系統(tǒng)，其中，對于所述子陣列內的所述半導體光器件而言，所述單個連接用作熱管理散熱器。
9.如權利要求I中所述的系統(tǒng)，其中，在所述一個或多個子陣列之中的子陣列內的半導體光器件具有相等的孔徑尺寸。
10.如權利要求I中所述的系統(tǒng)，其中，所述第一形狀為線性，其中，在所述一個或多個子陣列之中的子陣列內的第一半導體光器件子集被布置在所述子陣列內的第一行上，并且其中所述子陣列內的第二半導體光器件子集被布置在所述子陣列內的第二行上.
11.
12.如權利要求I中所述的系統(tǒng)，還包括接地平面，其基本上圍繞在所述一個或多個子陣列之中的子陣列內的半導體光器件并且形成共面的波導引導件.
13.如權利要求I中所述的系統(tǒng)，其中，所述第一形狀為線性，其中所述至少一個陣列被水平布置，從而形成了第一行，還包括水平地布置并且在所述第一行下方形成多個行的多個線性陣列.
14.如權利要求I中所述的系統(tǒng)，其中，所述第一形狀為線性，其中所述至少一個陣列被垂直地布置，從而形成了第一列，還包括垂直地布置并且形成鄰近所述第一列的多個列的多個線性陣列.
15.如權利要求I中所述的系統(tǒng)，其中，所述多個半導體光器件是垂直腔發(fā)射激光器，還包括用于把所述第一波長射束轉變?yōu)楸额l波長的一個或多個光學元件，所述一個或多個光學元件選自包括以下各項的組非線性晶體、分束器、偏振分束器、波長濾波器、反射體、透鏡、反射鏡和標準器具。
全文摘要
實施例包括能夠高效地產生高分辨的強度分布的器件，用定義輸出強度的二進制字串可以容易地把所述高分辨的強度分布切換到各種具體配置，在加和之后將對所述輸出強度進行組合以形成單個顏色強度深度。對這些器件進行排列允許在沒有十分明顯的閃爍效應的情況下高效地產生單顏色像素的圖像線。在此申請中不相干的輸出是期望的，這是因為它降低了對屏幕或最終圖像的閃爍效應。
文檔編號H01S5/00GK102959811SQ201080064212
公開日2013年3月6日 申請日期2010年12月16日 優(yōu)先權日2009年12月19日
發(fā)明者J.R.約瑟夫, R.A.維德曼 申請人:三流明公司