正交線偏振光在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、基礎(chǔ)科研等領(lǐng)域有重要作用。但是，傳統(tǒng)產(chǎn)生正交線偏光的方法很難同時滿足低成本與易于集成的需求。因此，研發(fā)一種可直接輻射正交線偏振光的小尺寸、低功耗的光電器件，將有助于降低正交線偏振光的使用門檻，拓寬應(yīng)用范圍。針對這一需求，近日廈門大學(xué)張保平教授團隊在Nanophotonics發(fā)表最新文章，演示了一種可同步輻射正交線偏振綠光的半極性InGaN基MCLED（Micro-Cavity Light Emitting Device）。在兩個正交方向上，器件的電致發(fā)光光譜的偏振度接近100%。并且，通過調(diào)控微腔的長度，可選擇性地獲得單模光譜和多模光譜器件。
圖1 MCLED同步輻射正交線偏振光示意圖。插圖是，在0.5 mA注入電流下，單個MCLED的發(fā)光圖片。
2. 研究背景
正交線偏振光是指兩束電場矢量相互垂直的光。首先，在通信領(lǐng)域，采用偏振復(fù)用對正交線偏振光進行調(diào)制，可提高通信帶寬和傳輸速率。其次，通過使用兩束正交線偏振光，可以觀察和分析材料的晶體結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性等，獲得更為豐富的物理內(nèi)容。再次，利用正交偏振光的相位差，可測量光學(xué)薄膜的質(zhì)量和性能，應(yīng)用于反射鏡、透射鏡、濾光片等光學(xué)元件的檢測與表征。目前，以傳統(tǒng)方式獲取正交線偏振光的主要方法有兩種。一是采用一對狹縫相互垂直的偏振片過濾非偏振光源，得到正交線偏振光。另一種是使用由氦氖激光器、雙折射晶體（石英晶體）、以及特定磁場組成的塞曼雙頻激光器。近些年來，研究人員嘗試采用微納超表面，雙折射晶體等方式產(chǎn)生、調(diào)控正交線偏振光。雖然取得了一些顯著的成果，但是大多數(shù)微納超表面，雙折射晶體材料本身不發(fā)光。上述方案都降低了非偏振光源的利用率，且不易集成。因此，實現(xiàn)能直接輻射正交偏振光的小體積、低功耗的光電器件具有十分重要的應(yīng)用價值。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，利用半極性(202_1) InGaN量子阱制備的LED可輻射線偏振光。但是由于兩個方向的自發(fā)輻射光譜較寬，致使其自發(fā)輻射光譜相互重合，且偏振度僅約為30%。本團隊提出，可通過諧振腔效應(yīng)來縮窄器件自發(fā)輻射光譜的半峰寬，提高光的顏色純度，從而徹底分離正交方向上的兩個自發(fā)輻射光譜，提高光譜模式的偏振度。因此，團隊采用相對成熟的半導(dǎo)體器件制備工藝，制備出了具有由雙介質(zhì)DBR反射鏡形成的微腔半極性LED，即MCLED。這項研究有望在降低正交線偏振光的產(chǎn)生成本方面做出貢獻，進一步推動正交線偏振光在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。
3. 創(chuàng)新研究
如圖2展示了半極性外延片的結(jié)構(gòu)和其自身固有的PL偏振光譜。在本次研究中，團隊通過對半極性InGaN量子阱外延片的光致發(fā)光(PL)性能進行測試，發(fā)現(xiàn)其PL偏振度接近40%。這種偏振性主要是由于半極性面量子阱本身價帶結(jié)構(gòu)的各向異性，以及條狀圖形化襯底產(chǎn)生的非平衡應(yīng)力導(dǎo)致價帶結(jié)構(gòu)分裂。電場偏振方向沿[101_4_]的自發(fā)輻射光主要來自電子與重空穴的復(fù)合，具有相對較長的波長和更強的強度；電場偏振方向沿[12—10]的自發(fā)輻射光主要來自電子與輕空穴的復(fù)合，具有較短的中心波長和較弱的強度。
圖2 外延片結(jié)構(gòu)示意圖和PL偏振光譜。
團隊利用半極性外延片制備了具有雙介質(zhì)膜DBR反射鏡結(jié)構(gòu)的MCLED，如圖3所示。圖4展示了器件的電致發(fā)光（EL）光譜，顯示可同步輻射正交線偏振光。此外，正交方向上的兩組光譜相互分離，對單一方向而言，光譜的偏振度接近100%。通過調(diào)控器件諧振腔的長度，可實現(xiàn)單模和多模發(fā)光，這為器件在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的方向和可能性。器件可同步輻射正交偏振光的原因主要歸因于兩個方面：一方面是半極性面價帶結(jié)構(gòu)各向異性導(dǎo)致自發(fā)輻射產(chǎn)生偏振性質(zhì)，并且條狀圖形化襯底對量子阱產(chǎn)生非平衡雙軸應(yīng)力，加劇了價帶結(jié)構(gòu)中重空穴帶和輕空穴帶的分離，進一步增強了自發(fā)輻射的偏振性質(zhì)；另一方面，則是半極性外延片具有雙折射性。這就意味著在諧振腔內(nèi)不同偏振光具有不同的光學(xué)腔長，進而有不同的模式分布。進一步的模擬實驗表明，不同折射率條件下，諧振腔內(nèi)正交方向上反射譜的分布與EL光譜分布基本吻合，從而證實了上述結(jié)論。這些發(fā)現(xiàn)為制備更加高效、可控的同步輻射正交線偏振MCLED器件提供實驗依據(jù)。
圖3 MCLED器件結(jié)構(gòu)示意圖
圖4 a展示了不同方向上器件EL光譜。b是圖a中peak1, peak2的積分強度分布圖。c, d展示了不同腔長器件輻射的單模和多模光譜圖。e展示了正交方向上諧振腔內(nèi)反射譜和EL譜。
4. 應(yīng)用與展望
研究團隊成功演示了一種小尺寸、低功耗、能夠同步輻射正交線偏振綠光的MCLED，這為制備其他顏色的同步輻射正交線偏振MCLED器件提供了理論依據(jù)和實驗基礎(chǔ)。通過采用類似的器件結(jié)構(gòu)和半極性面量子阱，并通過調(diào)控量子阱中In、Al組分，可以制備可輻射正交線偏振紅光、藍光和紫外光的MCLED器件，這將在光電子學(xué)、信息技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。該研究成果以“Orthogonally and linearly polarized green emission from a semipolar InGaN based microcavity”為題在線發(fā)表在Nanophotonics。上述工作由電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張保平教授課題組獨立完成。第一作者為電子學(xué)院2020級博士生歐偉，通訊作者為電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院梅洋助理教授，張保平教授。電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生王玉坤，楊濤等也參與了該工作。課題組長期進行GaN基發(fā)光器件如諧振腔LED (MCLED)、micro-LED、以及VCSEL研究，目前已成功實現(xiàn)藍紫光、藍光、綠光器件的電注入VCSEL，并且在國際上首次實現(xiàn)了深紫外波段（UVC）VCSEL的光泵浦激射。該項工作得到了國家自然科學(xué)基金以及國家重點研發(fā)計劃項目的資助。
來源：廈門大學(xué)電子與科學(xué)技術(shù)學(xué)院
