可用于新型显示与通讯领域的圆偏振出光氮化镓基激光器

来源: | 作者:王淼王鲁华 | 发布时间: 770天前 | 914 次浏览 | 分享到:

基于氮化镓（GaN）材料的发光器件（如LED、Micro-LED、LD）研究及应用已取得很大进展，特别是Micro-LED、LD器件作为新一代的显示光源，应用在可穿戴式设备、AR/VR、投影机、近眼显示、超大室内显示屏幕、电视、无线光通讯Li-Fi等多个领域。然而面向未来新型显示技术的需求，则需光学集成系统变得更薄、芯片尺寸更小、便于集成等，同时对发光器件的辐射光场的调控整形（如滤波、聚焦、准直、偏振等功能），也提出了更高的要求。

Fig.1 Micro-LED、LD在新型显示、通讯领域应用。图片来源：百度图片

普通的光学元件如透镜阵列、波片及偏振元器件厚度都在毫米以上，限制了在新型显示系统中的高度集成化、超薄、轻量化的发展。近年来基于纳米光子学发展起来的微纳米超结构实现光场调控为其提供了新的解决思路。

由于微纳器件独特的光学性能可在小于1微米的平面厚度内实现，且其制造工艺可方便地在传统的半导体生产工艺的基础上加以拓展，因而在需要高度集成的光电子领域有着巨大的应用前景和研究价值。苏州纳米所测试平台徐科研究员团队前期在氮化镓LED发光器件上采用纳米结构实现线偏振、准直出光上已有较好的基础。

Fig.2 （a）高效线偏振出光LED，Nanoscale (2017) 9, 9104；（b）高效准直出光LED，SPIE (2021), 11894

目前基于硅、二氧化钛等半导体材料，在近红外波段已经制备出了高效、宽带的超构光学元器件。在可见光波段，GaN材料禁带宽度为3.14 eV，具有高透过率，高折射率（n=2.5@405nm）等特性，可实现宽波段的光场信息调控，因此在该可见光波段的应用具有独特的优势。

进展

2021年底，该团队在氮化镓纳米超结构应用方面取得新的突破，成功将氮化镓纳米超构光栅集成在氮化镓基激光器上实现高效圆偏振出光，为新型光子芯片光源、水下光通讯、量子通讯的高度集成化提供了新的解决方案，相关成果以“High-efficiency circularly polarized green light emission from GaN-based laser diodes integrated with GaN metasurface quarterwave plate”为题发表在美国应用物理快报 (Applied Physics Letters) 上。

Fig.3（a）集成氮化镓纳米超构光栅的氮化镓基激光器圆偏振转化示意图；（b）氮化镓纳米超构光栅结构示意图。

基于氮化镓单晶材料，该团队设计并制备了一种纳米超构光栅，通过数值优化纳米结构横纵向参数（周期、线宽、高度等）和ICP刻蚀，最终成功集成在氮化镓基激光器上实现高效圆偏振出光。

Fig.4 设计并制备的氮化镓纳米超构光栅SEM平面图（a）和截面图（b）

实验采用的氮化镓基激光器工作电压和电流分别在5.07 V和46 mA，发光波长在520.27。实验结果显示集成纳米超构光栅的激光器输出光的圆偏振转换效率可达到80%以上，圆偏振度可以保持在0.99。为进一步验证器件的有效性，纳米超构光栅在激光输出功率100 mW时，圆偏振度依然可以达到0.97，验证了高功率圆偏振出光激光器实现的可行性。同时凭借氮化镓耐高温、抗辐射、高硬度等特性，为在航空航天、水下通讯等特殊应用领域的高集成度应用提供了可能。