CN112510134A - 一种间接调制出光偏振模式的led - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种间接调制出光偏振模式的LED，包括LED光源和液晶盒，液晶盒位于LED光源的上方且液晶光轴与LED出射线偏振光方向夹角为45°或135°；所述的LED光源由若干个LED芯片排列组合组成；在LED光源上加载直流电源后，电子与空穴在LED芯片量子阱层(MQW层)复合发光，产生的光经过LED芯片内部结构谐振、反射后，以线偏振光的形式出射；LED芯片出射的线偏振光经过液晶盒后，光的相位发生0～π/2的相位延迟，相位发生改变，从而使得从液晶盒另一端出射的光的偏振模式发生改变；本发明采用液晶盒与普通液晶显示器不同，结构上更简单，厚度更小。普通液晶盒要在入射和出射两侧分别设置偏光片，对入射和出射的光进行偏振筛选；而本发明所述液晶盒不需要设置偏振片。
Description
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，特别涉及一种间接调制出光偏振模式的LED。
背景技术
可见光通信指的是利用可见光为信息载体，在空气中直接传输光信号进而实现信息的传递。可见光发光二极管(LED)具有响应迅速、耗能低、寿命长等特点。通过将要传输的信号加载在电信号上并用以驱动LED，LED将调制电信号转换为调制光信号，经过光电二极管(PD)检测并将调制光信号还原为调制电信号，再解调还原为信息，即为可见光通信的具体过程。在可见光通信信息调制阶段，有直接调制和间接调制两种方式。直接调制是指将信息转变为电流信号并调制LED驱动电流；间接调制是指将信息转变为电流信号驱动外部设备对LED的灯光进行调制。可见光通信间接调制不受限于LED光源的调制特性，是提高可见光通信能力的重要方式。
发明内容
本发明的目的是提供一种可提高可见光通信能力间接调制出光偏振模式的LED，本发明这种LED可任意调控最终出射光的偏振模式。
本发明间这种间接调制出光偏振模式的LED，包括LED光源和液晶盒，液晶盒位于LED光源的上方且液晶光轴与LED出射线偏振光方向夹角为45°或135°；所述的LED光源由若干个LED芯片排列组合组成；
在LED光源上加载直流电源后，电子与空穴在LED芯片量子阱层(MQW层)复合发光，产生的光经过LED芯片内部结构谐振、反射后，以线偏振光的形式出射；LED芯片出射的线偏振光经过液晶盒后，光的相位发生0～π/2的相位延迟，相位发生改变，从而使得从液晶盒另一端出射的光的偏振模式发生改变；相位改变量由控制端施加在液晶盒上的电压决定。
所述的LED芯片从上到下，依次为介质膜层、n-GaN层、MQW层、p-GaN层、ITO导电层和光栅层；其中各层宽度关系为：ITO导导电层宽度和光栅宽度相等，n-GaN层、MQW层、p-GaN层的宽度相等，p-GaN层宽度小于ITO导电层，介质膜层宽度小于n-GaN层；ITO导电层两端会漏出台面，n-GaN层、MQW层、p-GaN层会漏出两个整齐的侧壁；n-GaN层上也会漏出两个台面；在ITO导电层和n-GaN层漏出的台面，以及n-GaN层、MQW层、p-GaN层侧壁上有一层钝化层；在一侧的钝化层上设有欧姆接触金属层，欧姆接触金属顶部会有部分与n-GaN层漏出的台面接触。
所述的LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)在衬底上依次生长u-GaN层、n-GaN层、MQW层和p-GaN层，得到LED外延材料；
(2)在步骤(1)中所述p-GaN层表面制备导电层；
(3)在步骤(2)所得导电层制备光栅；
(4)去除步骤(3)所得结构的衬底；
(5)用干法刻蚀去除步骤(4)所得结构的u-GaN层以及部分n-GaN层至设计腔长；
(6)将步骤(5)所得结构刻蚀出芯片台面至导电层；
(7)在步骤(6)所得芯片台面的上表面，n-GaN层、MQW层、p-GaN的侧壁制备钝化层，在n-GaN层上表面除介质膜位置的两侧也制备钝化层，制备好的钝化层的形状呈直角的Z字型；
(8)在步骤(7)所得结构的一侧的钝化层上制备欧姆接触金属，欧姆接触金属上部有部分与n-GaN层上表面相接触；
(9)在步骤(8)所得垂直结构Micro-LED芯片的n-GaN层表面沉积介质膜。
(10)在步骤(9)所得结构经切割后，得到LED芯片。
所述步骤(1)中，衬底为宝石、硅、碳化硅、氮化镓中的一种；MQW层是由InGaN层和GaN层交替循环组成；u-GaN层、n-GaN层、MQW层和p-GaN层的制备方法为MOCVD生长。
所述步骤(2)中，导电层的材料为氧化铟锡(ITO)，制备方法为电子束蒸发法。
所述步骤(3)中，光栅层的材料为Al，制备方法为激光直写。
所述步骤(4)中，衬底的去除方法为激光剥离。
所述步骤(5)中，设计腔长是指腔长为波长的整数倍。
所述步骤(6)中，刻蚀后，导电层的宽度是大于u-GaN层、n-GaN层、MQW层和p-GaN层，两侧漏出部分为芯片台面且两侧台面等宽。
所述步骤(7)中，钝化层为SiO2，制备方法为化学沉积法。
所述步骤(8)中，欧姆接触金属为Au，制备方法为电子束蒸发法。
所述步骤(9)中，介质膜为SiO2、Si3N4、TiO2中的一种或多种，制备方法为PECVD沉积。
液晶盒从上至下包括，透明电极，液晶材料，透明电极；透明电极与液晶材料接触的一侧上含有一层取向剂层；透明电极之间通过点边框胶连接形成盒体，盒体内填充液晶材料；两个透明电极之间安装控制电路。
所述的液晶盒的制备方法，包括以下步骤：
2-1：对透明电极材料进行清洗；接着将取向剂旋涂在透明电极的一侧，旋涂后放在加热台上进行固化；使两个透明电极涂有取向剂一侧相对，点边框胶，制备得到液晶空盒；
2-2：将步骤2-1中的液晶空盒放入偏振紫外曝光机中曝光，利用取向剂受紫外光照射后发生的顺反异构反应，进而使得取向剂按照设计方向排列。
2-3：向液晶空盒中灌装液晶，完成封盒；并在两个透明电极之间安装控制电路；即得液晶盒。
所述步骤2-1中，透明电极材料为氧化铟锡(ITO)，制备方法为电子束蒸发法；取向剂为偶氮光控取向剂(SD1)，使用匀胶机进行旋涂，转速800转/s旋涂10s、转速3000转/s旋涂40s，旋涂后放在100℃加热台加热10分钟固化。
所述步骤2-2中，液晶空盒完成点边框胶后，需要测量盒厚度是否满足要求，其目的是使液晶层厚度满足要求；液晶层的厚度要根据液晶材料的折射率以及待调控的光波长计算，使光程差为半波长。
所述步骤2-3中，所述的液晶盒上，需要在两个透明电极之间安装控制电路。当控制电路施加电压大小不同时，液晶分子偏转不同，进而使得光经过液晶后产生的相位延迟不同。施加电压的大小需要上述液晶材料的形变自由能密度、展取、扭曲和弯曲系数具体模拟计算。
本发明的有益效果：
一、本发明所述LED能够直接出射线偏振光。普通LED由于其自发辐射性，其发光不具有相干性，偏振方向不一。通过在导电层的金属光栅和n-GaN层的介质膜之间形成垂直方向的谐振微腔结构，使其发光光谱变窄，减少侧壁出光，提高正面出光。同时因为光栅有偏振选择出光性，所以经过此结构选择后，本发明所述LED出射光为线偏振光。
二、本发明所述液晶盒与普通液晶显示器不同，结构上更简单，厚度更小。普通液晶盒要在入射和出射两侧分别设置偏光片，对入射和出射的光进行偏振筛选；而本发明所述液晶盒不需要设置偏振片。普通液晶盒要在盒内侧设置液晶导向膜，引导液晶分子按序排列；本发明所述液晶盒涂有取向剂，采用紫外曝光的方法引导液晶分子排列。本发明所述液晶层采用旋涂固化工艺，可以精确控制液晶层厚度。
三、本发明可以通过调控施加在液晶盒上电压的大小，来控制液晶分子在电场下的偏转角度，进而改变入射的线偏振光在液晶层内传播产生的光程差，最后使得出射光的偏振模式发生对应改变。电压大小与出射光偏振模式为一一对应关系，使出射光偏振调控更为准确。
四、本发明可以大大提高可见光通信的通信能力。当前可见光通信的调制方式多为直接调制，通过改变LED的驱动电流来调制信息；本发明虽然可以通过改变LED的驱动电流来调制信息，但更为重要的是，本发明利用液晶盒来间接调制光的偏振，并可以利用光的偏振来调制更多信息，进而提高通信能力。
附图说明
图1为本发明提供的LED制备方法中步骤(1)对应的结构示意图；
图2为本发明提供的LED制备方法中步骤(2)对应的结构示意图；
图3为本发明提供的LED制备方法中步骤(3)对应的结构示意图；
图4为本发明提供的LED制备方法中步骤(4)对应的结构示意图；
图5为本发明提供的LED制备方法中步骤(5)对应的结构示意图；
图6为本发明提供的LED制备方法中步骤(6)对应的结构示意图；
图7为本发明提供的LED制备方法中步骤(7)对应的结构示意图；
图8为本发明提供的LED制备方法中步骤(8)对应的结构示意图；
图9为本发明提供的LED制备方法中步骤(9)对应的结构示意图；
图10为本发明中的液晶盒在不加电场时对应的示意图；
图11为本发明中的液晶盒在加电场时对应的示意图；
图12为本发明所述利用液晶间接调制LED出光偏振方法的整体示意图；
图13为本发明所述利用液晶间接调制LED出光偏振方法的光学示意图；
绘图标记说明；
1、衬底；2、u-GaN层；3、n-GaN层；4、MQW(量子阱)层；5、p-GaN层；6、ITO导电层；7、光栅层；8、钝化层；9、欧姆接触金属；10、介质膜层；11、透明电极；12、取向剂；13、边框胶；14、液晶层；15、控制电路电压。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
本发明这种用于可见光通信的间接调制LED出光偏振模式的结构如图12所示，包括有LED光源，液晶盒和控制电路三个部分。其制备方法为：先单独制备LED光源和液晶盒，再将两者进行组装。
LED光源由16个LED芯片按4×4矩形阵列排列而成，光源尺寸为1.4×1.4mm2。屏幕尺寸稍大于光源尺寸，为1.5×1.5mm2。
LED芯片的具体结构如9所示，从上到下，依次为介质膜层10、n-GaN层3、MQW层4、p-GaN层5、ITO导电层6和光栅层7；其中各层宽度关系为：ITO导导电层6宽度和光栅7宽度相等，n-GaN层3、MQW层4、p-GaN层5的宽度相等，p-GaN层5宽度小于ITO导电层6，介质膜层10宽度小于n-GaN层3；ITO导电层6两端会漏出台面，n-GaN层3、MQW层4、p-GaN层5会漏出两个整齐的侧壁；n-GaN层3上也会漏出两个台面；在ITO导电层6和n-GaN层3漏出的台面，以及n-GaN层3、MQW层4、p-GaN层5侧壁上有一层钝化层8；在一侧的钝化层8上设有欧姆接触金属层9，欧姆接触金属9顶部会有部分与n-GaN层3漏出的台面接触。
所述的液晶盒的结构如图10所示，液晶盒从上至下包括，透明电极11，液晶层14，透明电极11；透明电极与液晶层接触的一侧上含有一层取向剂层12；透明电极11之间通过点边框胶13连接形成盒体，盒体内填充液晶材料；两个透明电极11之间安装控制电路15。
LED光源的制备方法包括以下步骤：
(1)先在(0001)面平面蓝宝石(衬底1)通过MOCVD依次生长u-GaN层2(厚度为5μm)、n-GaN层3(厚度为5μm)、[InGaN(2nm)/GaN(10nm)]8MQW(量子阱)层4(厚度为96nm)、p-GaN层5(厚度为100nm)，得到LED外延材料，其发光波长由MQW(量子阱)层4中的In组分决定，本实例中发光波长为532nm。步骤(1)的获得LED外延材料的结构如图1所示。
(2)用电子束蒸发方法在p-GaN层5制作导电层6，其中，沉积温度为220℃，导电层为ITO，导电层6的厚度为280nm。本步骤后得到的结构如图2所示。
(3)在步骤(2)所得导电层6上利用激光直写、沉积制备光栅层7。具体为使用激光直写曝光出图案，沉积Al层，然后剥离，其Al层7厚度为150nm。本步骤后得到的结构如图3所示。
(4)用HF酸蚀刻去除步骤(4)所得结构的Si(衬底1)。本步骤后得到的结构如图4所示。
(5)用干法刻蚀(ICP)刻蚀完全u-GaN层2，刻蚀部分n-GaN层3至375nm，刻蚀条件为：ICP功率500W、RF功率150W、Cl2/BCl3分别为40sccm和5sccm，刻蚀时间650s，刻蚀深度一共为9.3μm。本步骤后得到的结构如图5所示。
(6)利用干法刻蚀(ICP)刻蚀出芯片台面至反射镜电极层6。刻蚀条件为：ICP功率500W、RF功率50W、Cl2/BCl3分别为40sccm和5sccm、旋涂4μm厚的AZ4620型光刻胶、刻蚀时间150s、刻蚀深度约为600nm。本步骤后得到的结构如图6所示。
(7)利用气相沉积(PECVD)于n-GaN层3和芯片侧壁沉积一层SiO2钝化层8，其中SiO2厚度约为225nm。本步骤后得到的结构如图7所示，可以看出钝化层8的形状为直角Z字型
(8)用电子束蒸发方法在步骤(7)所得结构n-GaN层3和钝化层8上制备欧姆接触金属9。其中，沉积温度为20℃，欧姆接触金属为Cr/Al/Ti/Au。本步骤后得到的结构如图8所示。
(9)在步骤(8)所得的结构的n-GaN层3表面沉积四层SiO2/Si3N4介质膜层10，其中SiO2厚度为78nm，Si3N4厚度为56nm，介质膜反射率约为85％，其结构如图9所示，切割后即为LED芯片。
将16个LED芯片，按4×4矩形阵列排列后得到光源。光源尺寸为1.4×1.4mm2。
液晶盒的制备包括以下步骤：
(1)选择液晶材料，本实例中采用E7液晶。
(2)根据液晶材料和LED光源波长计算液晶层厚度。根据权力要求书中说明的，LED出射线偏振光偏振方向与液晶光轴夹角45°或135°，故该线偏振光可以在液晶光轴方向和垂直液晶光轴方向分解为两个振幅相等，相位相同，偏振方向垂直的光。分解后的光经过液晶层后可以表示为：
令τ＝wt,
(相位差)，则可得到出射光轨迹方程：
当σ＝0时，出射光仍为线偏振光，且与入射光相同；当
时，出射光为椭圆偏振；当
时，出射光为圆偏振。
因此，要使出射光可以在线偏振、椭圆偏振、圆偏振之间调节，则液晶层对入射光的相位延迟最高至少为
本实例中采用E7液晶，其参数为：K11＝11.7pN,K22＝8.8pN,K33＝19.5pN,εP＝19.5,ε⊥＝5.1,ne＝1.7429,n0＝1.5198；由此液晶参数及相位延迟要求可以计算出液晶层厚度在3um时满足要求。
(3)将透明电极11使用超声波清洗仪器清洗透明电极30分钟，然后使用丙酮和无水酒精清洗30分钟，清洗完成后烘干，最后转入紫外臭氧清洗仪清洗25分钟。
(4)将取向剂12滴在透明电极表面，在匀胶机上进行旋涂。用800转每秒预旋转10秒后，在用3000转每秒转40秒。将旋涂完成的玻璃片放在100摄氏度热台上加热10分钟固化。
(5)制备液晶空盒。将两个透明电极上含有取向剂13涂层的一层向内，使用3um的间隔子来控制盒厚，并用边框胶13封盒。封盒后，利用液晶参数综合测试仪来测试液晶盒的盒厚是否满足要求，使液晶层厚度为3um。
(6)使用偏振紫外曝光机对液晶空盒曝光10分钟。
(7)灌装E7液晶，得到液晶层14，完成封盒。
此时，LED光源和液晶盒均制备完毕，使LED出射光偏振方向与液晶光轴夹角45°或135°，并将两者组装。
最终获得的一种用于可见光通信的间接调制LED出光偏振模式的装置。
该装置利用液晶间接调制LED出光偏振方法的整体示意图和光学示意图分别如图12和13所示，其原理是：在LED光源上加载直流电源后，电子与空穴在LED芯片量子阱层(MQW层)复合发光，产生的光经过LED芯片内部结构谐振、反射后，以线偏振光的形式出射；LED芯片出射的线偏振光经过液晶盒后，光的相位发生0～π/2的相位延迟，相位发生改变，从而使得从液晶盒另一端出射的光的偏振模式发生改变；相位改变量由控制端施加在液晶盒上的电压决定。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种间接调制出光偏振模式的LED，其特征在于，包括LED光源和液晶盒，液晶盒位于LED光源的上方且液晶光轴与LED出射线偏振光方向夹角为45°或135°；所述的LED光源由若干个LED芯片排列组合组成；
在LED光源上加载直流电源后，电子与空穴在LED芯片量子阱层(MQW层)复合发光，产生的光经过LED芯片内部结构谐振、反射后，以线偏振光的形式出射；LED芯片出射的线偏振光经过液晶盒后，光的相位发生0～π/2的相位延迟，相位发生改变，从而使得从液晶盒另一端出射的光的偏振模式发生改变；相位改变量由控制端施加在液晶盒上的电压决定。
2.根据权利要求1所述的间接调制出光偏振模式的LED，其特征在于，所述的LED芯片从上到下，依次为介质膜层、n-GaN层、MQW层、p-GaN层、ITO导电层和光栅层；其中各层宽度关系为：ITO导导电层宽度和光栅宽度相等，n-GaN层、MQW层、p-GaN层的宽度相等，p-GaN层宽度小于ITO导电层，介质膜层宽度小于n-GaN层；ITO导电层两端会漏出台面，n-GaN层、MQW层、p-GaN层会漏出两个整齐的侧壁；n-GaN层上也会漏出两个台面；在ITO导电层和n-GaN层漏出的台面，以及n-GaN层、MQW层、p-GaN层侧壁上有一层钝化层；在一侧的钝化层上设有欧姆接触金属层，欧姆接触金属顶部会有部分与n-GaN层漏出的台面接触。
3.根据权利要求2所述的间接调制出光偏振模式的LED，其特征在于，所述的LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)在衬底上依次生长u-GaN层、n-GaN层、MQW层和p-GaN层，得到LED外延材料；
(2)在步骤(1)中所述p-GaN层表面制备导电层；
(3)在步骤(2)所得导电层制备光栅；
(4)去除步骤(3)所得结构的衬底；
(5)用干法刻蚀去除步骤(4)所得结构的u-GaN层以及部分n-GaN层至设计腔长；
(6)将步骤(5)所得结构刻蚀出芯片台面至导电层；
(7)在步骤(6)所得芯片台面的上表面，n-GaN层、MQW层、p-GaN的侧壁制备钝化层，在n-GaN层上表面除介质膜位置的两侧也制备钝化层，制备好的钝化层的形状呈直角的Z字型；
(8)在步骤(7)所得结构的一侧的钝化层上制备欧姆接触金属，欧姆接触金属上部有部分与n-GaN层上表面相接触；
(9)在步骤(8)所得垂直结构Micro-LED芯片的n-GaN层表面沉积介质膜；
(10)在步骤(9)所得结构经切割后，得到LED芯片。
4.根据权利要求3所述的间接调制出光偏振模式的LED，其特征在于，所述步骤(1)中，衬底为宝石、硅、碳化硅、氮化镓中的一种；MQW层是由InGaN层和GaN层交替循环组成；u-GaN层、n-GaN层、MQW层和p-GaN层的制备方法为MOCVD生长；所述步骤(2)中，导电层的材料为氧化铟锡(ITO)，制备方法为电子束蒸发法；所述步骤(3)中，光栅层的材料为Al，制备方法为激光直写；所述步骤(4)中，衬底的去除方法为激光剥离。
5.根据权利要求3所述的间接调制出光偏振模式的LED，其特征在于，所述步骤(5)中，设计腔长是指腔长为波长的整数倍；所述步骤(6)中，刻蚀后，导电层的宽度是大于u-GaN层、n-GaN层、MQW层和p-GaN层，两侧漏出部分为芯片台面且两侧台面等宽；所述步骤(7)中，钝化层为SiO2，制备方法为化学沉积法；所述步骤(8)中，欧姆接触金属为Au，制备方法为电子束蒸发法；所述步骤(9)中，介质膜为SiO2、Si3N4、TiO2中的一种或多种，制备方法为PECVD沉积。
6.根据权利要求1所述的间接调制出光偏振模式的LED，其特征在于，液晶盒从上至下包括，透明电极，液晶材料，透明电极；透明电极与液晶材料接触的一侧上含有一层取向剂层；透明电极之间通过点边框胶连接形成盒体，盒体内填充液晶材料；两个透明电极之间安装控制电路。
7.根据权利要求6所述的间接调制出光偏振模式的LED，其特征在于，所述的液晶盒的制备方法，包括以下步骤：
2-1：对透明电极材料进行清洗；接着将取向剂旋涂在透明电极的一侧，旋涂后放在加热台上进行固化；使两个透明电极涂有取向剂一侧相对，点边框胶，制备得到液晶空盒；
2-2：将步骤2-1中的液晶空盒放入偏振紫外曝光机中曝光，利用取向剂受紫外光照射后发生的顺反异构反应，进而使得取向剂按照设计方向排列；
2-3：向液晶空盒中灌装液晶，完成封盒；并在两个透明电极之间安装控制电路；即得液晶盒。
8.根据权利要求7述的间接调制出光偏振模式的LED，其特征在于，所述步骤2-1中，透明电极材料为氧化铟锡(ITO)，制备方法为电子束蒸发法；取向剂为偶氮光控取向剂(SD1)，使用匀胶机进行旋涂，转速800转/s旋涂10s、转速3000转/s旋涂40s，旋涂后放在100℃加热台加热10分钟固化。
9.根据权利要求7所述的间接调制出光偏振模式的LED，其特征在于，所述步骤2-2中，液晶空盒完成点边框胶后，需要测量盒厚度是否满足要求，其目的是使液晶层厚度满足要求；液晶层的厚度要根据液晶材料的折射率以及待调控的光波长计算，使光程差为半波长。
10.根据权利要求7的间接调制出光偏振模式的LED，其特征在于，所述步骤2-3中，所述的液晶盒上，需要在两个透明电极之间安装控制电路；当控制电路施加电压大小不同时，液晶分子偏转不同，进而使得光经过液晶后产生的相位延迟不同；施加电压的大小需要上述液晶材料的形变自由能密度、展取、扭曲和弯曲系数具体模拟计算。
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