大阪大學(xué)工學(xué)研究科市川修平準(zhǔn)教授、小島一信教授團(tuán)隊聯(lián)合日本真空公司（ULVAC）的戸田晉太郎，成功開發(fā)出一種新型高效圓偏振光源——將半極性面氮化銦鎵（InGaN）量子阱與條紋型氮化硅超表面（SiN? Metasurface）相結(jié)合，在室溫條件下實現(xiàn)了68%的偏振轉(zhuǎn)換效率，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方案50%的理論極限。

圓偏振光在AR/VR顯示、三維顯示、量子信息通信等前沿領(lǐng)域具有的地位。然而，長期以來業(yè)界面臨一道難以逾越的技術(shù)門檻：傳統(tǒng)LED屬于非偏振發(fā)光，需在出射端通過光學(xué)元件"提取"其中的圓偏振成分，這一過程理論上至多利用50%的光能，另一半注定以熱或散射的形式白白損耗。如何從源頭打破這一枷鎖，是全球光電領(lǐng)域競相攻克的難題。

半極性晶面賦予LED天然線偏振特性

本研究的核心突破，在于從半導(dǎo)體材料的電子態(tài)結(jié)構(gòu)入手。通常的氮化物L(fēng)ED沿c軸方向（極性面）生長，因晶體對稱性較高而發(fā)出非偏振光。研究團(tuán)隊轉(zhuǎn)而在傾斜的半極性晶面上生長InGaN量子阱，利用該晶面破壞的對稱性，使半導(dǎo)體價帶分裂，令LED在室溫下自然輸出高度定向的線偏振光——這相當(dāng)于從發(fā)光源頭就"預(yù)處理"好了偏振態(tài)，省去了傳統(tǒng)方案中損耗高昂的偏振片提取環(huán)節(jié)。

在日本半導(dǎo)體光電領(lǐng)域，氮化物材料一直是產(chǎn)學(xué)研合作的重點方向。大阪大學(xué)在氮化鎵基器件研究上積累深厚，此次與專注于真空鍍膜及納米加工裝備的ULVAC合作，正是將先進(jìn)材料外延生長與精密納米制造工藝強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的典型范例。

納米超表面充當(dāng)四分之一波片，線偏振直轉(zhuǎn)圓偏振

獲得線偏振光只是第一步。要實現(xiàn)圓偏振輸出，還需將線偏振光的相位旋轉(zhuǎn)90°，即引入所謂的"四分之一波片"功能。研究團(tuán)隊在InGaN LED的出光面上，直接沉積并圖案化形成條紋型SiN?超表面——這是一種由亞波長納米條紋構(gòu)成的光學(xué)相位控制結(jié)構(gòu)，通過精細(xì)調(diào)控條紋周期與占空比，使其對特定波長光的相位延遲鎖定在λ/4。整個超表面厚度僅為單層納米結(jié)構(gòu)，制備工藝與現(xiàn)有半導(dǎo)體晶圓制造流程高度兼容。

Zui終實驗結(jié)果令人振奮：在室溫下，該器件實現(xiàn)了圓偏振度0.27、偏振轉(zhuǎn)換效率68%，不僅突破了傳統(tǒng)提取方式50%的理論上限，更以近乎無損的方式完成了線偏振到圓偏振的直接轉(zhuǎn)換。其核心邏輯在于：光從一開始就以線偏振形式產(chǎn)生，超表面的唯一任務(wù)是調(diào)整相位，整個過程幾乎不存在"丟棄"任何偏振分量的浪費(fèi)。

結(jié)構(gòu)簡單、兼容主流工藝，量產(chǎn)與微型化潛力突出

從產(chǎn)業(yè)化視角審視，本技術(shù)的另一大亮點在于其結(jié)構(gòu)簡潔性。僅需在現(xiàn)有LED芯片出光面附加一層條紋超表面，無需復(fù)雜的多層光學(xué)堆疊或外置波片組件，器件集成度高、耐久性強(qiáng)，尤其適合尺寸受限的微型LED（Micro-LED）應(yīng)用場景。當(dāng)前，Micro-LED被視為下一代AR眼鏡和高端顯示的核心顯示單元，其對偏振光效率和芯片尺寸的雙重嚴(yán)苛要求，恰好與本技術(shù)路線高度契合。研究團(tuán)隊指出，未來通過進(jìn)一步優(yōu)化量子阱結(jié)構(gòu)與超表面設(shè)計參數(shù)，偏振轉(zhuǎn)換效率仍有較大提升空間，高集成度陣列化制造也具備可行性。

這一研究對于深耕氮化物L(fēng)ED、Micro-LED及AR/VR光學(xué)模組的國內(nèi)企業(yè)而言，提供了一條值得關(guān)注的技術(shù)路徑。國內(nèi)目前在圓偏振光源領(lǐng)域多依賴外置偏振器件組合方案，整體光效偏低、器件體積偏大。若能將半極性外延生長與超表面集成工藝本土化落地，有望在AR顯示光機(jī)模組的效率與小型化上實現(xiàn)跨越式提升，進(jìn)而在全球競爭格局中搶占先機(jī)。