单芯片LED效率破纪录，可直接产生圆偏振光

大阪大学研究人员与ULVAC、立命馆大学合作，开发出一种可从单芯片直接产生圆偏振光的新型LED结构。这一进展有望支持面向AR/VR、3D 显示、量子通信与光学安全领域的更小、更节能光电器件。相关成果发表于《Optical Materials Express》。

研究团队将半极性氮化铟镓（InGaN）发光结构与条状氮化硅超表面相结合，打造出紧凑型光源，可降低能量转换损耗并在室温下工作。该突破有助于推动超紧凑、高可靠性光源在 AR/VR、3D 显示、量子通信和光学安全领域走向实用化。

圆偏振光在众多下一代技术中应用广泛，圆偏振光的电场在传播时像开瓶器一样旋转，它对于3D显示、先进成像系统和量子通信设备等技术至关重要。传统上，产生这类光需要偏振片、相位延迟片等光学元件，但这些元件会让设备变得更大、更复杂、难以集成。圆偏振LED难以同时实现高偏振度、高效率、高可靠性与规模化制造。在以往多数设计中，只能从非偏振光中提取单一圆偏振分量，转换效率存在50%的理论上限。

通讯作者Shuhei Ichikawa表示，“我们的目标是简化圆偏振光的产生方式。通过专门设计的超表面，将偏振控制直接集成在LED中，我们不再需要额外的光学组件。”这种超表面由极微小的氮化镓纳米柱构成，以精密设计的图案直接排布在半导体LED表面。这些纳米结构调控光的相位，使一种圆偏振态被选择性透过，而相反偏振态被抑制。

研究人员采用半极性InGaN量子阱，其本身可发射部分线偏振光；随后在LED表面直接集成条状SiNₓ超表面，更高效地将其转换为圆偏振光。室温光学测试显示：在408 nm波长下，圆偏振度达0.27，线偏振—圆偏振转换效率达68%，超过传统方法的理论极限。

与以往许多采用有机材料或复杂自旋系统的圆偏振LED不同，新设计使用稳定的无机材料，有助于打造更耐用、更实用的圆偏振光源。“理论上，LED发光效率与偏振度（衡量单一偏振占主导的程度）之间存在权衡。”Ichikawa 说，“但这款器件最令人振奋的是，我们找到了同时保持两者均处于高水平的方法。”

研究人员还发现，实验结果与三维电磁仿真高度吻合，表明器件性能接近理想状态。由于该结构全部采用无机材料，且与现有半导体工艺兼容，有望成为实现高可靠、紧凑型、可量产偏振光源的实用路径。

Shuhei Ichikawa教授表示：“利用半极性 InGaNLED固有的线偏振发射特性，我们实现了超越传统方案极限的高效圆偏振转换。仅通过集成单层超表面即可获得高效率圆偏振光，在下一代光学应用的紧凑型器件与实用化光子系统中具备巨大潜力。”