Microsoft invention patent: laser-integrated modulator precisely controls AR/VR display pixel brightness

（XR导航网资讯）头显的一个限制是显示器的动态范围（DR）。为了获得最佳的用户体验，理想情况下的显示图像应该与真实世界无法区分。然而，人类视觉可以感知比典型头显提供的DR宽得多的对比度范围。

这种DR问题在具有基于激光的显示器的头显（例如AR头显）中经常加剧。因为在这样的显示器中，像素亮度的范围从接近激光阈值亮度到激光最大亮度。很多时候，在各种应用中显示的图像中的大量像素表示接近激光阈值亮度的低亮度内容。在激光阈值亮度附近具有有限的DR对于准确地表示低亮度内容提出了诸多挑战。

对于更接近激光阈值或拐点区域的亮度水平，激光器输出的透光率的误差或不准确性通常更大。诸如激光自加热和相邻发射器加热的效应可能导致激光阈值电流（以及整个透光率-电流曲线或L-I曲线）的偏移，并导致输出透光率的误差。图1示出了描绘激光器的输出透光率相对于激光器的目标透光率输出的RMS误差的示例曲线图。

在低透光率范围内的透光率控制的困难与可从激光二极管获得的最大透光率的限制相结合，导致由基于激光的显示系统中使用的激光照射的像素的动态范围有限。图1示出了50:1的可用动态范围。然而，在许多情况下，只有激光器的整个动态范围的一部分可用于适应其他控制需求，并导致对电流控制步骤的严格要求。

名为“Integrated laser and modulator systems”的专利申请中，Microsoft提出了一种集成式激光器和调制器系统，以提高显示系统和/或其他基于激光的应用的激光控制精度。

在一个实施例中，可以通过用激光器实现调制器来促进动态范围的增加和激光器控制精度的提高。调制器具有各种应用，例如在测量系统中保持恒定的输出光强度或将信息加载到光学频率载波中。

与传统的调制器使用相反，发明利用与激光器集成的调制器来精确控制显示系统中的像素亮度。集成器件可以包括与充当衰减器的调制器集成的激光器，或者与充当放大器的调制器集成的低功率激光器。

图2示出了利用集成激光器和调制器设备的显示系统的示例组件。特别地，图2示出了包括激光器部件202A、调制器部件206A的集成激光器和调制器装置。激光器部件202A有助于响应于施加的电流的光发射，并且调制器部件响应于施加信号选择性地调制光。

在图2的示例中，调制器部件206A通过介于激光器部件202A和调制器部件206A之间的桥接结构204A整体地耦合到激光器部件。桥接结构204A的一部分有助于功率反射到激光部件202A的激光腔中。桥接结构204A有助于将激光组件202A发射的光传输到调制器组件206A中，用于由调制器组件206B调制传输的光，从而提供/输出调制的光。

调制器组件206A可以通过选择性地衰减（响应于施加的电压）经由桥接结构204A从激光器组件202A接收的光来作为衰减器操作。可替换地，调制器组件206A可以通过选择性地放大（响应于施加的电流）经由桥接结构204A从激光器组件202A接收的光来作为放大器操作。

因此，由集成激光器和调制器件输出的调制光可以包括衰减的光、放大的光或未经调制器组件206A修改的光。在一个实施例中，调制器组件206A配置为可逆地操作为调制器或衰减器。

利用调制器组件206A来选择性地修改激光器组件202A输出的光可以有助于减少集成激光器和调制器设备输出的光的透光率误差。透光率误差的这种减少可以有助于改善显示系统的动态范围。

例如，如图1所示，可以向激光部件202A提供与膝盖区域上方的目标透光率相关联的输入电流，从而实现比与目标光能量相关联的透光率误差更低的透光率错。当在这样的输入电流范围内操作激光器部件202A时，调制器部件206A可以操作为衰减器，以实现进一步的目标透光率降低（例如控制亮度），同时保持避免高误差拐点区域。

这样的功能可以通过使得能够使用与激光器部件202A相关联的最大目标透光率和经由调制器部件206A可实现的最小（衰减的）目标透光率之间的透光率来实现显示系统的动态范围的增加，同时避免高误差区域。

这种动态范围的增加在图3中示出，其中调制器部件206A作为衰减器的操作有效地移动了透光率误差相对于目标透光率的曲线，提供了具有相对低的透光率误差的可实现目标透光率值的附加范围。在图3的示例中，实现了动态范围的30倍增加。

调制器组件206A作为放大器而不是衰减器的操作可以类似地促进动态范围的增加。例如，调制器部件206A可以作为放大器操作，以使得目标透光率能够进一步增加到通过单独操作的激光部件202A可实现的最大值之上（同时保持避免高误差区域）。最大可实现目标透光率的这种增加可以有助于增加动态范围，例如用于控制显示器中的像素亮度。

在这一点上，调制器组件206A对激光组件202A发射的光的调制可以减轻与激光组件202A相关联的透光率误差的影响。对与激光部件202A相关联的透光率误差的影响的这种减轻可以有助于增加在显示系统中使用的动态范围，例如照亮用于呈现图像的像素。

为了便于集成激光器和调制器装置的操作以实现改进的动态范围，可以独立地控制激光器部件202A和调制器部件206A以使得能够将不同的信号施加到不同的部件。

图2相应地示出了与激光器部件202A和调制器部件206A通信的控制器系统220，以选择性地将电压和/或电流施加到激光器部件202B和调制器部件206。控制器系统220可以根据信号控制路线来控制施加到激光器部件202A和调制器部件206A的电压和/或电流。

图2进一步示出了多个集成的激光器和调制器设备可以彼此结合使用以促进图像生成/呈现。特别地，图2示出了包括激光器部件202B、桥接结构204B和调制器部件206B的附加的集成激光器和调制器装置，以及包括激光器部件202、桥接结构204和调变器部件206的另一附加的集成激光和调变器装置。

图2的每个集成激光器和调制器装置可经由控制器系统220控制，如图2中由从控制器系统220向激光器部件202A、202B和202C以及调制器部件206A、206B和206C延伸的线所示。不同的集成激光器和调制器设备中的每一个可以与用于形成输出图像的彩色图像像素的相应颜色通道相关联。

例如，对于红、绿、蓝（RGB）配色方案，第一集成激光器和调制器装置可以与红色通道相关联，第二集成激光器和调制器装置可以与绿色通道相关联并且第三集成激光器和调变器装置可以与蓝色通道相关联。由不同的集成激光器和调制器设备输出的红色、绿色和蓝色（调制的）光可以被引导朝向显示组件的扫描镜210，以便于照明具有特定像素颜色值的像素，从而形成用户的眼睛218可感知的图像。

集成的激光器和调制器设备可以以各种方式设计。在一个示例中，激光器部件的波导的外延层可以延伸以形成调制器部件，并且调制器部件可以在电吸收调制器或SOA的情况下实现。

如上所述，集成的激光器和调制器装置可以包括桥接结构，桥接结构介于激光器部件和调制器部件之间以便于激光器部件与调制器部件的单片集成。在一个实施例中，桥接结构有利地消除了对用于将激光组件与调制器组件集成的体积更大和/或损耗更大的异质集成平台的需要。

图4A至4D示出了集成激光器和调制器器件的桥接结构。桥接结构包括一个或多个布拉格光栅。布拉格光栅可以包括分布式布拉格反射器（DBR）。

图4A示出了集成激光器和调制器器件的顶视图，集成激光器和调制器器件包括激光器部件402A、调制器部件406A和桥接结构404A。桥接结构以DBR的形式实现，DBR结合在激光器部件402A的波导的相对侧壁之上。

图4B示出了集成激光器和调制器器件的侧视图，其包括激光器部件402B、调制器部件406B和以DBR形式实现的桥接结构404B，DBR实现在激光器部件402B的顶部包层之上。DBR可以设计为实现不同的反射和/或传输带宽，并可以以特定波长为中心。

除了布拉格光栅，或者作为布拉格光栅的替代，桥接结构可以包括其他类型的结构，例如一个或多个集成的自由形式光学耦合器。

在一个实施例中，在输出光的总光谱将由激光器增益光谱确定的情况下，集成激光器和调制器器件的桥接结构可以实施为激光器部件和调制器部件之间的间隙。图4C示出了集成激光器和调制器器件的侧视图，其包括激光器部件402C、调制器部件406C和桥接结构404C，桥接结构以蚀刻凹口的形式实现在激