应用背景：GaN基激光二极管（LD）一直是研究的热点近年来由于其巨大的应用，例如激光照明/显示、1–3 激光投影仪、4 可见光通信、5 和近眼投影。

遇到的问题：6 众所周知，半导体激光器是大多数是线偏振的 TM 或 TE，这由增益介质的量子阱或波导结构。7 然而，在大多数需要圆偏振的应用中，例如，在生物成像、8 水下光通信、9 量子通信，10,11 和全息显示应用，12 GaN 基 LD 的发射光需要转换为圆偏振光。 传统上，圆偏振光是通过以下方式实现的：添加体光学元件，例如体双折射偏振器和LD前面的波片13，极大地限制了其发展LD器件集成化和小型化。

作者的解决方案：我们展示了集成了 InGaN/GaN 量子阱绿光激光二极管 (LD) 的高效圆偏振发射GaN 超表面四分之一波片。 对纳米级薄 GaN 纳米光栅超表面的光学特性进行了数值研究并针对四分之一波片进行了优化。 然后将制造的纳米光栅集成到 LD 的发射面上。 两者转换测量了器件的效率和偏振态，转换效率在80%左右，而圆度则极化率维持在0.99左右。 我们在集成 LD 器件上实现高偏振度和高转换效率的成果为生物成像、海底光通信、量子通信、和全息显示。

结论：超表面充当四分之一波片，将 LD 转换为线偏振发射到圆偏振发射。这俩所制造器件的偏振态和能量效率为测量，结果表明两者之间非常吻合理论和实验。实验结果表明，集成器件的圆偏振光转换效率高达80%。

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通过在GaN激光器表面集成四分之一波片超表面来实现GaN基绿光激光器圆偏振输出

摘要：

我们展示了集成了 InGaN/GaN 量子阱绿光激光二极管 (LD) 的高效圆偏振发射GaN 超表面四分之一波片。 对纳米级薄 GaN 纳米光栅超表面的光学特性进行了数值研究并针对四分之一波片进行了优化。 然后将制造的纳米光栅集成到 LD 的发射面上。 两者转换测量了器件的效率和偏振态，转换效率在80%左右，而圆度则极化率维持在0.99左右。 我们在集成 LD 器件上实现高偏振度和高转换效率的成果为生物成像、海底光通信、量子通信、和全息显示。

GaN基激光二极管（LD）一直是研究的热点近年来由于其巨大的应用，例如激光照明/显示、1–3 激光投影仪、4 可见光通信、5 和近眼投影。6 众所周知，半导体激光器是大多数是线偏振的 TM 或 TE，这由增益介质的量子阱或波导结构。7 然而，在大多数需要圆偏振的应用中，例如，在生物成像、8 水下光通信、9 量子通信，10,11 和全息显示应用，12 GaN 基 LD 的发射光需要转换为圆偏振光。传统上，圆偏振光是通过以下方式实现的：添加体光学元件，例如体双折射偏振器和LD前面的波片13，极大地限制了其发展LD器件集成化和小型化。在过去的几年里，超表面的发展提供了新的解决方案。等离激元超表面实现纳米级光操控超薄设备。14 Lin 等人。设计金属纳米光栅结构为传输相位延迟器可以转换线偏振光光到可见波长的圆偏振光。15 Yu 等人。报道了线性或圆偏振光发射的不同偏振态，可以通过狭缝组合产生以及中红外激光器发射面上的金属光栅。16 然而，金属等离子体超表面遭受显着的欧姆损耗，这从而降低发光器件的性能。17我们展示了集成了 InGaN/GaN 量子阱绿光激光二极管 (LD) 的高效圆偏振发射GaN 超表面四分之一波片。对纳米级薄 GaN 纳米光栅超表面的光学特性进行了数值研究并针对四分之一波片进行了优化。然后将制造的纳米光栅集成到 LD 的发射面上。两者转换测量了器件的效率和偏振态，转换效率在80%左右，而圆度则极化率维持在0.99左右。我们在集成 LD 器件上实现高偏振度和高转换效率的成果为生物成像、海底光通信、量子通信、和全息显示。

介电超表面由于其在低于其带隙的频率下，电介质中的光学损耗很小。赵等人。表现出高保真、大效率、宽带操作，以及总共 12 个基于近红外波长的硅纳米结构的偏振通道超表面全息图。18呼罗珊尼贾德等人。提出了一种带有工程设计的 TiO2 平面透镜色散响应，其手性光学特性可以通过仅使用镜头和相机的可见光谱，无需添加偏光镜。8 Chen 等人。展示了三个个体基于 GaN 的超透镜在高传输窗口中工作可见光下的工作效率。19 在可见光波长范围内，宽禁带 GaN 超表面更具优势，而 Si 具有强吸收20和TiO2不易结合到活性物质中21 应该注意的是，基于 GaN 的超透镜，入射光源必须是圆偏振的Pancharatnam-Berry 相。因此，紧凑型激光源仍然具有很高的应用价值。是实现高效率圆偏振发射的理想选择。在这项工作中，我们提出并展示了一种集成的高通过集成高效圆偏振 GaN 基绿色 LDGaN 纳米光栅 (NG) 超表面四分之一波片。GaN基绿光LD由两周期无意识掺杂多重生长在 GaN 衬底上的量子阱 (MQW)。氮化镓NG超表面是在 n 型单晶 GaN 顶部制造的基质。 GaN NG不仅可以方便地实现与GaN基有源光电器件的集成，而且可以通过外部电场调节光场。我们的 GaN 基 LD使用的是 520 nm，这是 3D 显示的基本颜色成像。

GaN基绿色LD的结构如图1（a）所示。这LD是通过金属有机物在c面GaN衬底上生长的化学气相沉积（MOCVD）系统，详细的过程和几何结构可以在参考文献中找到。 22. 排放从 GaN 基 LD 的侧面观察是线性偏振的，即由增益介质的光学选择规则决定。 电动的我们的 GaN 基绿色 LD 中的模式场垂直于InGaN量子阱平面（图1中的y方向）。 的结构GaN NG超表面如图1（b）所示。 横截面示意图中排列了尺寸为宽度W、高度H和周期P的GaN NG。 GaN NG 集成在LD发射面。 光栅之间的方位角凹槽和LD偏振光的方向由h定义。圆偏振发射的示意图如图所示图 1(a) 来自与 GaN NG 混合的 GaN 基绿色 LD。

如图。1. (a) GaN基绿色LD的详细结构以及与GaN NG集成的LD的圆偏振发射示意图。(二)GaN衬底上的GaN NG超表面示意图，参数为：光栅周期，P；光栅脊宽，W；和光栅深度，H.

GaN LD 发出的线偏振光的偏振态通过充当四分之一波片功能的 GaN NGs 元表面转换为圆偏振态。使用 GaN NGs 超表面的特性进行研究时域有限差分（FDTD）方法。设计并模拟NG结构的性能，X0Y0结构元件的 Z0 坐标和相对方向定义并显示在图1(b)。X0 和 Y0 使用周期性边界条件边界，并在 Z0 处利用完美匹配的层条件模拟中的边界。假设入射场是沿 45° 方向的线偏振高斯光束。X0和Y0轴符合传统块状四分之一波片的典型应用方向。入射光波长k0=520nm，对应的GaN折射率为2.41。图 2(a) 显示了周期相关的透射率光谱具有固定纵横比 4/11 (W=4P/11) 和高度的 GaN NGH=225 nm（有关更多详细信息，请参阅补充材料）。图2(b)为振幅比(jEy/Exj)的计算结果（左轴）和两个之间的相位差（Du）（右轴）正交电分量（jExj 和 jEyj 是分别沿 X0 和 Y0 轴的电场）作为周期的函数对于正常情况下纵横比为 4/11、高度 H=225 nm 的 NG波长为 520 nm 的入射 TM 偏振高斯光束。 这是可以看到透射率随着 NGs 周期的增加而降低大动态范围。 在很宽的波长范围内都是同样的规则。 从图 2(b) 可以看出，振幅比 (jEy/Exj)1.0 和 P 小于一半时的相位差 (Du p/2)k0。 这表明 GaN NG 的透射光是正确的圆偏振 (RCP)，纳米级薄 GaN NG Metasur 面的行为就像四分之一波片一样，就像块状双折射晶体电影。 垂直偏振光之间的相位差 (Du)Ey 和水平偏振 Ex 可以用等式描述14

其中 Dn 是有效双折射的大小（确定由纵横比 W/P)，H 是 NG 的高度。因此，通过适当调整宽度W和高度H，之间的相位延迟电场的两个正交分量可以调整为p/2 或 p 分别为四分之一波片或半波片。作为一般规则，GaN NG 的周期必须小于一半的主要工作波长以避免衍射效应。从图2(b)中，周期P设置为220 nm有两个原因：一是为了实现目标透射率 (>80.0%) 和透射相位差异（Du 1/4 p/2）；另一个是提供简单的制造高耐受性。图2(c)为固定周期NG不同宽度(W)的幅值比和相位差仿真结果P = 220 nm，高度 H = 225 nm。 可以看出相位差对 NG 的脊宽度敏感，因为双折射 (Dn) 随着纵横比的增加而增加。 通过操纵NG 的高度、p/2 附近的相位差和振幅可以得到约1的比率。 当宽度W从70变化至 90 nm，两个正交传输电的幅度场分量近似相等。 宽度W的范围对应于相位差在 70 和 100 nm 之间520纳米波长。 然后，宽度W固定为80nm。

如图。2. (a) 周期相关的透射率谱和 (b) 两个正交电分量之间的振幅比 (jEy/Exj)（左轴）和相位差 (Du)（右轴）作为周期的函数。在某一波长的法向入射 TM 偏振高斯光束下，具有固定纵横比 4/11 (W ¼ 4P/11) 和高度 H ¼ 225 nm 的 GaN NG520纳米。(c) 不同宽度(W)的NGs的振幅比和相位差模拟结果，其周期P 1/4 220 nm，高度H 1/4 225 nm。(d) (H)的效果振幅比和相位差的参数为：P 1/4 220 nm 和 W 1/4 80 nm。

图 2(d) 以数值方式显示了 (H) 对振幅比和相位差的影响，参数为：P=220 nm 和波长=80纳米。不难看出相位差也很大对 NG 的高度敏感，这与式（1）一致。(1). 这相位差曲线的趋势清楚地说明了较大的 H导致较大的相位延迟，如方程式所示。(1). 我们固定了高度在 225 nm 处获得目标相位差和振幅比。通过上述几何效应的数值分析两个参数的振幅比和相位差正交电场分量，我们最后设置参数：P = 220 nm，W = 80 nm，H = 225 nm。 图3(a)显示了优化后的 GaN NG 的相位差和振幅比波长范围宽。 我们可以看到振幅比(jEy/Exj) 是整个宽光谱中小于 1 的 5% 的变化范围。 相位差 (Du) 的变化也小于 5%p/2 在主要绿色光谱范围（505–540 nm）。 很明显结果表明，优化后的 NG 的透射率保持在较高水平在整个绿色光谱范围内超过 82%。GaN NG 在硅掺杂 GaN (n-GaN) 上制造使用标准电子束的掺杂浓度为 5×1018/cm3光刻和感应耦合反应离子蚀刻工艺。制造过程在补充材料中给出（参见补充材料以获取更多详细信息）。 n型氮化镓基板双面抛光，厚度为350 lm。GaN 的扫描电子显微镜 (SEM) 平面图像NG如图4(a)所示。 我们制作的整体形状是200 200 平方米平方。 图4(b)是GaN NGs的截面SEM图像。 实测结构尺寸分别是 P 1/4 220 nm、W 1/4 83 nm 和 H 1/4 220 nm。 最后，氮化镓NG 集成在 LD 发射面的前面，h 1/4 45 ，如图1所示。传输和测量示意图集成器件的偏振特性如图5（a）所示。 A旋转线性偏振器放置在设备的前面，然后是旋光计检测器（Thorlab PAX5720VIST）。 极化的通过旋转线性偏振器来检测光。 图5(b)显示了集成 GaN-LD 器件的室温 EL 光谱发射表面前面没有 GaN NGs 结构。对于 10 mW 输出功率，工作电流和电压分别为 46 mA 和 5.07 V。

如图。3. (a) 相位差和振幅比以及 (b) 优化的 GaN NGs 纳米结构在宽绿光波长范围内的透射率。优化后的参数：P = 220 nm，W = 80 nm，H = 225 nm。

如图。4. 扫描电子显微照片制造的 GaN NG 结构。（A）GaN NG 的平面图。(b) 剖面图NG。制造的 GaN NG 的测量参数为 P ¼ 220 nm，宽 1/4 83 纳米，高 1/4 223 纳米。

图 5(b) 的插图显示了集成 GaN LD 的照片和从腔表面发射的圆偏振绿光氮化镓激光二极管。 峰值波长和半峰全宽LD 发射光谱的 (FWHM) 经测量为分别为 520.27 和 0.097 nm。 与未集成 GaN NG 的原始 LD 相比，两个峰值都没有明显变化波长和半高宽。 这表明纳米图案是设计好的在绿色光谱范围内工作良好，传输均匀效率，没有任何波长调制或过滤效应。

如图。5. (a) 集成器件的传输和偏振特性测量示意图。(b) 集成的室温 EL 光谱具有/不具有 GaN NGs 结构的 GaN-LD 器件。工作电流和电压分别为46mA和5.07V。(c) 我们测量的光的偏振态分别来自 GaN LD（绿线）和 GaN LD 集成 GaN NG（红圈）的发射。 归一化入射电场 E(LD) 由绿色实线表示相应的偏振方向为 h 1/4 45 。 x 轴平行于纳米光栅凹槽。 (d) 不含/含有 GaN NG 的 GaN 基 LD 的激光发射偏振态轨迹。

图 5(c) 显示了我们分别测量的 GaN LD（绿线，没有 NG 的 LD）和 GaN LD 集成 GaN NG（红线，带有 NG 的 LD）（红色圆圈）的光发射的偏振态。 它清晰地显示了在设计的 520 nm 处从线偏振光到圆偏振光的转换。 红色旋转圆圈代表圆偏振光的电场矢量。 我们最终得到右旋圆偏振光（R-CPL）旋光计的结果。需要注意的是，左圆当角度（h）时，也可以获得偏振光（L-CPL）光栅槽方向与LD偏振方向之间光是45。 图 5(d) 显示了透射光强度GaN基线性偏振片旋转角度的函数有和没有 GaN NG 超表面的 LD。 对于 GaN 基 LD没有 GaN NG（绿色三角形），我们可以清楚地看到光旋转线性时强度从最大到最小变化偏光镜从 0 到 90 。 这也证明了光发射GaN 基 LD 是典型的线偏振光。 程度偏振 DOP (DOP⁄ PPL=ðPPL × PUPLÞ；PPL 是偏振光功率（PUPL 是非偏振光功率）的 GaN 基 LD 我们测量值为0.99。 集成装置的测量透过率圆偏振的DOP也维持在0.99以上，达80%左右。 透射偏振的圆形迹线带有 GaN NG（黑星）的 GaN 基 LD 的光发射图5(d)可以用圆函数很好地拟合。 因此，它证明了GaN 基 LD 发出的线偏振光有效地通过集成 GaN NG 转换为圆偏振光超表面。 此外，集成的 GaN NG 超表面也可以工作在不同的 LD 强度下表现良好（参见补充材料）。 这当圆偏振光的 DOP 也保持在 0.97 以上时LD的功率设置为100 mW。 我们预计集成GaN由于其高功率，NG 可以将偏振态保持在更高的功率导热系数。

结论

总之，我们提出并证明了一种高效率InGaN/GaN 绿色 LD 的高圆偏振发射生长在与 GaN NG 超表面集成的 GaN 衬底上。

超表面充当四分之一波片，将 LD 转换为线偏振发射到圆偏振发射。这俩所制造器件的偏振态和能量效率为测量，结果表明两者之间非常吻合理论和实验。实验结果表明，集成器件的圆偏振光转换效率高达80%，而圆偏振的DOP也维持在0.99左右。请注意，此处 GaN NG 是由EBL。这种GaN NG超表面也可以通过纳米压印光刻（NIL）来制造，这大大降低了制造难度，也使得大面积、大面积的制造成为可能。生产。周期较小的光栅已在我们的研究中得到证实23我们的结果证明了同时实现高偏振度和高能量效率的可能性以更简单的方式提高效率，推动 GaN LD 领域朝着生物成像、海底光通信、量子通信、3D显示和光操纵等多功能应用。除此之外，使用高折射率电介质 GaN 还可以拓宽了超表面的适用性，因为它们可以轻松地与电子系统集成，并且可以受益于成熟的半导体制造技术。