1. 导读

正交线偏振光在日常生活、工业生产、基础科研等领域有重要作用。但是，传统产生正交线偏光的方法很难同时满足低成本与易于集成的需求。因此，研发一种可直接辐射正交线偏振光的小尺寸、低功耗的光电器件，将有助于降低正交线偏振光的使用门槛，拓宽应用范围。针对这一需求，近日银娱优越会717张保平教授团队在Nanophotonics发表最新文章，演示了一种可同步辐射正交线偏振绿光的半极性InGaN基MCLED（Micro-Cavity Light Emitting Device）。在两个正交方向上，器件的电致发光光谱的偏振度接近100%。并且，通过调控微腔的长度，可选择性地获得单模光谱和多模光谱器件。

图1 MCLED同步辐射正交线偏振光示意图。插图是，在0.5 mA注入电流下，单个MCLED的发光图片。

2. 研究背景

正交线偏振光是指两束电场矢量相互垂直的光。首先，在通信领域，采用偏振复用对正交线偏振光进行调制，可提高通信带宽和传输速率。其次，通过使用两束正交线偏振光，可以观察和分析材料的晶体结构、光学特性等，获得更为丰富的物理内容。再次，利用正交偏振光的相位差，可测量光学薄膜的质量和性能，应用于反射镜、透射镜、滤光片等光学元件的检测与表征。目前，以传统方式获取正交线偏振光的主要方法有两种。一是采用一对狭缝相互垂直的偏振片过滤非偏振光源，得到正交线偏振光。另一种是使用由氦氖激光器、双折射晶体（石英晶体）、以及特定磁场组成的塞曼双频激光器。近些年来，研究人员尝试采用微纳超表面，双折射晶体等方式产生、调控正交线偏振光。虽然取得了一些显著的成果，但是大多数微纳超表面，双折射晶体材料本身不发光。上述方案都降低了非偏振光源的利用率，且不易集成。因此，实现能直接辐射正交偏振光的小体积、低功耗的光电器件具有十分重要的应用价值。经研究发现，利用半极性(202_1) InGaN量子阱制备的LED可辐射线偏振光。但是由于两个方向的自发辐射光谱较宽，致使其自发辐射光谱相互重合，且偏振度仅约为30%。本团队提出，可通过谐振腔效应来缩窄器件自发辐射光谱的半峰宽，提高光的颜色纯度，从而彻底分离正交方向上的两个自发辐射光谱，提高光谱模式的偏振度。因此，团队采用相对成熟的半导体器件制备工艺，制备出了具有由双介质DBR反射镜形成的微腔半极性LED，即MCLED。这项研究有望在降低正交线偏振光的产生成本方面做出贡献，进一步推动正交线偏振光在各个领域的应用。

3. 创新研究

如图2展示了半极性外延片的结构和其自身固有的PL偏振光谱。在本次研究中，团队通过对半极性InGaN量子阱外延片的光致发光(PL)性能进行测试，发现其PL偏振度接近40%。这种偏振性主要是由于半极性面量子阱本身价带结构的各向异性，以及条状图形化衬底产生的非平衡应力导致价带结构分裂。电场偏振方向沿[101_4_]的自发辐射光主要来自电子与重空穴的复合，具有相对较长的波长和更强的强度；电场偏振方向沿[12—10]的自发辐射光主要来自电子与轻空穴的复合，具有较短的中心波长和较弱的强度。

图2 外延片结构示意图和PL偏振光谱。

团队利用半极性外延片制备了具有双介质膜DBR反射镜结构的MCLED，如图3所示。图4展示了器件的电致发光（EL）光谱，显示可同步辐射正交线偏振光。此外，正交方向上的两组光谱相互分离，对单一方向而言，光谱的偏振度接近100%。通过调控器件谐振腔的长度，可实现单模和多模发光，这为器件在光通信领域的应用提供了新的方向和可能性。器件可同步辐射正交偏振光的原因主要归因于两个方面：一方面是半极性面价带结构各向异性导致自发辐射产生偏振性质，并且条状图形化衬底对量子阱产生非平衡双轴应力，加剧了价带结构中重空穴带和轻空穴带的分离，进一步增强了自发辐射的偏振性质；另一方面，则是半极性外延片具有双折射性。这就意味着在谐振腔内不同偏振光具有不同的光学腔长，进而有不同的模式分布。进一步的模拟实验表明，不同折射率条件下，谐振腔内正交方向上反射谱的分布与EL光谱分布基本吻合，从而证实了上述结论。这些发现为制备更加高效、可控的同步辐射正交线偏振MCLED器件提供实验依据。

图3 MCLED器件结构示意图

图4 a展示了不同方向上器件EL光谱。b是图a中peak1, peak2的积分强度分布图。c, d展示了不同腔长器件辐射的单模和多模光谱图。e展示了正交方向上谐振腔内反射谱和EL谱。

4. 应用与展望

研究团队成功演示了一种小尺寸、低功耗、能够同步辐射正交线偏振绿光的MCLED，这为制备其他颜色的同步辐射正交线偏振MCLED器件提供了理论依据和实验基础。通过采用类似的器件结构和半极性面量子阱，并通过调控量子阱中In、Al组分，可以制备可辐射正交线偏振红光、蓝光和紫外光的MCLED器件，这将在光电子学、信息技术等领域有着广泛的应用前景。该研究成果以“Orthogonally and linearly polarized green emission from a semipolar InGaN based microcavity”为题在线发表在Nanophotonics。上述工作由电子科学与技术学院张保平教授课题组独立完成。第一作者为电子学院2020级博士生欧伟，通讯作者为电子科学与技术学院梅洋助理教授，张保平教授。电子科学与技术学院博士生王玉坤，杨涛等也参与了该工作。课题组长期进行GaN基发光器件如谐振腔LED (MCLED)、micro-LED、以及VCSEL研究，目前已成功实现蓝紫光、蓝光、绿光器件的电注入VCSEL，并且在国际上首次实现了深紫外波段（UVC）VCSEL的光泵浦激射。该项工作得到了国家自然科学基金以及国家重点研发计划项目的资助。