CN116626920B - 一种与发光二极管集成的超表面偏振调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及偏振调制器技术领域，具体涉及一种与发光二极管集成的超表面偏振调制器。底部集成有发光二极管外延片，偏振调制器由超表面结构组成，超表面结构由单元晶胞周期性排列而成，单元晶胞包括第一金属微纳结构层、第二金属微纳结构层和电介质隔离层，每个单元晶胞的第一金属微纳结构层均包括沿单元晶胞长度方向排列的一段或多段第一矩形金属块，第二金属微纳结构层均包括沿特定方向排列的多段第二矩形金属块，第一矩形金属块与沿特定方向排列的第二矩形金属块之间具有相对夹角。其具有较好的透过率和消光比，且具有更高的偏振转换度和较低的能量损耗。
Description
技术领域
本发明涉及偏振调制器技术领域，具体涉及一种与发光二极管集成的超表面偏振调制器。
背景技术
偏振是电磁波的一个重要特性，往往电磁波的传播也伴随着信息的传递，偏振对电磁波的信息传递非常重要。在自然界中，光波通常是无偏振的，电场振动方向是随机分布。但在许多应用中，需要将光波的偏振状态控制在特定的方向上，以实现一些特定的功能。在光学通信中常需要对光信号进行调制和解调，以提高光通信的速度和可靠性。传统的对光信号偏振度的调制方法主要是运用在晶体、聚合物中实现双折射、全内反射等特性实现对出射光偏振度的改变。同时，这种方法主要是用于大尺寸的分立器件，不利于集成化，并且这一类材料在高频段的电磁响应很低，不能满足通信、成像等领域日益迫切的需求。因此，为了提高对光信号的调制能力，实现器件的小型化、集成化，就需要改变传统的思路，设计新型的偏振光调制器。
近年来，超材料越来越受到人们的关注，超材料是一类具有特殊性质的人工合成材料，具有负折射率、负介电常数等光学性质。超表面可视为二维超材料，可用于实现偏振片功能。与传统的偏振片相比，基于超表面制备的偏振片具有厚度薄、便于集成、可针对不同波长灵活设计等优点。为超薄、节能偏振调制器的设计提供了新思路。
公布号为CN 115373160 A的中国专利申请公开了一种基于超材料结构的偏振光调制器及其制备方法，其上层金属光栅竖直排列，下层金属光栅与上层金属光栅呈45°，通过该结构实现了器件的小型化、集成化，且在降低能量损耗上具有一定的效果。但该结构的透过率和消光比较弱，且在降低能量损耗上仍然有进一步优化的空间。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种与发光二极管集成的超表面偏振调制器，其具有较好的透过率和消光比，且具有更高的偏振转换度和较低的能量损耗。
本发明提供的一种与发光二极管集成的超表面偏振调制器，该偏振调制器底部集成有发光二极管外延片，所述偏振调制器由超表面结构组成，所述超表面结构由单元晶胞周期性排列而成，所述单元晶胞包括第一金属微纳结构层、第二金属微纳结构层和位于所述第一金属微纳结构层与第二金属微纳结构层之间的电介质隔离层，每个单元晶胞的所述第一金属微纳结构层均包括沿单元晶胞长度方向排列的一段或多段第一矩形金属块，第二金属微纳结构层均包括沿特定方向排列的多段第二矩形金属块，所述第一矩形金属块与沿特定方向排列的所述第二矩形金属块之间具有相对夹角。
较为优选的，所述相对夹角为30°~60°，所述特定方向为满足所述相对夹角的方向。
较为优选的，所述第一矩形金属块的长边方向与所述单元晶胞的长度方向一致，当每个单元晶胞的所述第一金属微纳结构层包括多段第一矩形金属块时，多段所述第一矩形金属块之间均存在间隔，且多段所述第一矩形金属块的短边相互对应并对齐设置。
较为优选的，多段所述第二矩形金属块的长边方向与所述特定方向一致，多段所述第二矩形金属块之间均存在间隔，多段所述第二矩形金属块的短边相对设置，且相对设置的短边之间部分错位。
较为优选的，所述第一金属微纳结构层的几何中心与第二金属微纳结构层的几何中心重合。
较为优选的，所述第二金属微纳结构层表面还设有钝化层，所述第一金属微纳结构层和第二金属微纳结构层采用铝制成，所述电介质隔离层和钝化层采用氧化铝制成。
较为优选的，每个单元晶胞的所述第一金属微纳结构层包括一段第一矩形金属块，第二金属微纳结构层包括两段第二矩形金属块，所述第一矩形金属块与第二矩形金属块满足a<b，c<d，且D1、D2、D3小于LED发光的中心波长λ，c、d、a、b、L1、L2小于晶胞单元的周期长度P，其中，a为第二矩形金属块的宽度，b为第二矩形金属块的长度，c为第一矩形金属块的宽度，d为第一矩形金属块的长度，L1为两段第二矩形金属块之间的间隔，L2为两段第二矩形金属块的短边错位长度，D1为第一金属微纳结构层的厚度，D2为第二金属微纳结构层的厚度，D3为电介质隔离层的厚度。
较为优选的，所述a为85nm，b为200nm，c为150nm，d为360nm，P为410nm，D1、D2为170nm，D3为130nm，L1=25×cos（45°）nm，L2=25×cos（45°）nm，λ为455nm-480nm。
较为优选的，每个单元晶胞的所述第一金属微纳结构层包括两段第一矩形金属块，第二金属微纳结构层包括两段第二矩形金属块，所述第一矩形金属块与第二矩形金属块满足a<b，c<d，且D1、D2、D3小于LED发光的中心波长λ，c、d、a、b、L1、L2、L3小于晶胞单元的周期长度P，其中，a为第二矩形金属块的宽度，b为第二矩形金属块的长度，c为第一矩形金属块的宽度，d为第一矩形金属块的长度，L1为两段第二矩形金属块之间的间隔，L2为两段第二矩形金属块的短边错位长度，L3为两段第一矩形金属块之间的间隔，D1为第一金属微纳结构层的厚度，D2为第二金属微纳结构层的厚度，D3为电介质隔离层的厚度。
较为优选的，所述a为85nm，b为200nm，c为160nm，d为150nm，P为404nm，D1、D2为170nm，D3为130nm，L1=25×cos（45°）nm，L2=25×cos（45°）nm，L3为10nm，λ为455nm-480nm。
本发明的有益效果为：
1、该偏振调制器在底部集成有发光二极管外延片，实现了超高偏振度的偏振光出射。第一金属微纳结构层包括一段或多段第一矩形金属块，第二金属微纳结构层包括多段第二矩形金属块，通过以上结构，极大提高了金属微纳结构层的透过率和消光比。本结构具有结构简单、厚度薄，便于集成，节约能源，可针对不同波长灵活设计等优点。本发明实现了在可见光波段线偏振光的偏振转换，并且突破了传统50%能量损失的瓶颈，能量的透过率达到50%以上。
2、第一矩形金属块沿单元晶胞长度方向排列，第二矩形金属块沿特定方向排列，且第一矩形金属块与沿特定方向排列的所述第二矩形金属块之间具有相对夹角，实现了更高的偏振转换度和较低的能量损耗。当该夹角为30°~60°之间时，其对于提高偏振转换度和降低能量损耗具有最优的效果。
3、超表面结构与空气接触处有一层钝化层，可有效保护器件结构，防止器件（尤其是超表面结构）长期暴露在空气中被氧化。
4、对金属微纳结构所处层中的空缺部分采用无损耗电介质材料进行填充，电介质隔离层也采用无损电介质材料，可大大减少对出射电磁波的吸收，降低损耗。
附图说明
图1为本发明第一实施例的立体结构示意图；
图2为本发明第一实施例的分解结构示意图；
图3为本发明第一实施例单元晶胞结构示意图；
图4为本发明第一实施例单元晶胞俯视图；
图5为本发明第一实施例的超表面偏振调制器对入射光偏振调制输出效果图；
图6为本发明第一实施例的超表面偏振调制器对入射光偏振转换率示意图；
图7为本发明第一实施例的超表面偏振调制器的能量透过率示意图；
图8为本发明第二实施例的立体结构示意图；
图9为本发明第二实施例的分解结构示意图；
图10为本发明第二实施例单元晶胞结构示意图；
图11为本发明第二实施例单元晶胞俯视图；
图12为本发明第二实施例的超表面偏振调制器对入射光偏振调制输出效果图；
图13为本发明第二实施例的超表面偏振调制器对入射光偏振转换率示意图；
图14为本发明第二实施例的超表面偏振调制器的能量透过率示意图。
图中：1-第一金属微纳结构层，101-第一矩形金属块，2-第二金属微纳结构层，201-第二矩形金属块，3-电介质隔离层，4-钝化层，5-偏振调制器，6-发光二极管外延片
实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。“多个”表示“两个或两个以上”。
一种与发光二极管集成的超表面偏振调制器，可用于发光器件的发射端，目的是实现超高偏振度的偏振光出射。该偏振调制器5底部集成有发光二极管外延片6，所述偏振调制器5由超表面结构组成，所述超表面结构由单元晶胞周期性排列而成，所述单元晶胞包括第一金属微纳结构层1、第二金属微纳结构层2和位于所述第一金属微纳结构层1与第二金属微纳结构层2之间的电介质隔离层3，每个单元晶胞的所述第一金属微纳结构层1均包括沿单元晶胞长度方向排列的一段或多段第一矩形金属块101，第二金属微纳结构层2均包括沿特定方向排列的多段第二矩形金属块201，所述第一矩形金属块101与沿特定方向排列的所述第二矩形金属块201之间具有相对夹角。超表面偏振调制器利用对称性破缺手性结构作为超表面结构。
第二金属微纳结构层2表面（即超表面偏振调制器的外表面）还设有钝化层4做保护作用。
第一金属微纳结构层1的几何中心与第二金属微纳结构层2的几何中心重合。超表面偏振调制器上层金属微纳结构和下层金属微纳结构的几何中心（O′和O）相对位置可以是任意的，当二者几何中心重合时效果最佳。
第一金属微纳结构层1和第二金属微纳结构层2采用铝制成，所述电介质隔离层3和钝化层4采用氧化铝制成。三层材料组成超表面结构，通过共振、选频，对蓝光段的出射光实现偏振转换和共振增强，大大提升了光源的偏振特性。相比于其他通过外界晶体材料等分立元件实现偏振度的提升，本发明的方法尺寸小可用于光源表面，有利于大规模集成和生产。
超表面偏振调制器每个金属微纳结构层的和电介质隔离层的厚度与LED发光波长、出射光偏振度密切相关。超表面偏振调制器的每个矩形金属块的宽度和长度与LED发光波长、出射光偏振度密切相关。超表面偏振调制器的两层矩形金属块的夹角与LED发光波长、出射光偏振度密切相关。对超表面偏振调制器来说，假如每个“单元晶胞”中的金属层由多段矩形金属块组成，那么相邻两段的间距也与LED发光波长、出射光偏振度密切相关。
本发明的偏振光调制器结构的电磁波调制机理是：
电磁波先入射到超表面结构中，当电磁波与金属表面相遇时，会引发金属表面的自由电子、声子与光子的相互作用，产生出射光和反射光偏振态的相互转化或改变。通过对微纳结构的设计，将某种线偏振光的能量全部转变或部分转变为与之正交的线偏振光，同时保持后一种线偏振光的高效出射，从而达到选择性偏振转换、高偏振出射的效果。更详细的理论描述如下：
假设我们的电磁波是一个沿z轴正方向入射的平面波，那么我们可以将它的电场强度描述为：
（1）
其中，角频率为ω，波矢为k，x和y方向的复振幅分别为Ix、Iy。
透射电磁波的电场描述为：
（2）
其中，入射电磁波和投射电磁波可以分解成具有平行于x、y方向的两个偏振极化波。
此处利用琼斯矩阵T作为传输矩阵来描述入射波和透射波的复振幅关系，对于向前传播的入射波和透射波的传输矩阵记为Tf：
===Tf （3）
其中A、B、C、D为电磁波穿过超表面结构时的四个传播分量Txx、Txy、Tyx、Tyy，通过对
超表面微纳结构的设计，可以调制四个分量的输出特性。（Txx=|Exout/Exin|，Txy= |Exout/Eyin
|，Tyx= |Eyout/Exin|，Tyy= |Eyout/Eyin|）。以0、1分别代表各分量被超表面阻挡和透射，本发明
中以增强Y偏振极化波分量、抑制X偏振极化波分量为目的，保证出射光为单一的Y偏振极化
波。因此，本发明对应的传输矩阵应为。最终，通过对超表面微纳结构的设计，可改变
传输矩阵的表达，实现相关偏振特性调制能力。
不同对称性破缺手性结构的传输矩阵是不同的，我们可以根据我们结构的功能需要设计不同对称性破缺的手性结构来实现我们的目标传输矩阵。一些常见对称性破缺手性结构的传输矩阵形式如下：
以光传播的方向为轴满足C2对称性的手性结构传输矩阵为：
Tf= （4）
以光传播的方向为轴满足C3对称性的手性结构传输矩阵为：
Tf= （5）
以光传播的方向为轴满足C4对称性的手性结构传输矩阵为：
Tf= （6）
相对于x-z平面是镜像对称的手性结构传输矩阵为（其中光的传播方向是z方向）：
Tf= （7）
相对于x-z平面是镜像对称的手性结构传输矩阵为（其中光的传播方向是z方向）：
Tf= （8）
通过选择设计不同的对称性破缺手性结构，便可得到我们想要偏振的转换器。
实施例一
图1~4示出了本申请提供的一种工作波长在455nm-480nm蓝光波段的与发光二极管集成的超表面偏振调制器第一个实施例的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
一种与发光二极管集成的超表面偏振调制器，该偏振调制器5底部集成有发光二极管外延片6，所述偏振调制器5由超表面结构组成，所述超表面结构由单元晶胞周期性排列而成，所述单元晶胞包括第一金属微纳结构层1、第二金属微纳结构层2和位于所述第一金属微纳结构层1与第二金属微纳结构层2之间的电介质隔离层3，每个单元晶胞的所述第一金属微纳结构层1均包括沿单元晶胞长度方向排列的一段第一矩形金属块101，第二金属微纳结构层2均包括沿特定方向排列的两段第二矩形金属块201，所述第一矩形金属块101与沿特定方向排列的所述第二矩形金属块201之间具有相对夹角。所述相对夹角为30°~60°，所述特定方向为满足所述相对夹角的方向，本实施例的相对夹角优选45°。
在本发明中对超表面结构的设计是利用对称性破缺的手性结构作为超表面结构单元，不同的手性结构具有不同的传输特性，可以根据我们的偏振转换需要将金属微纳结构设计成任意的形状。在该实施例中，以较为简单的两段矩形金属块和一段矩形金属块结构为例。通过该方法，将LED发出的某种线偏振光调制成另一种所需的线偏振光，能有效地改善光源的偏振特性。相对于传统的分立器件，本实施例的偏振光调制器尺寸小（尺寸面积与源区面积等同），厚度小于工作波长，方便制备和集成小型化应用。
在一个实施例中，所述第一矩形金属块101的长边方向与所述单元晶胞的长度方向一致，每个单元晶胞的所述第一金属微纳结构层1包括一段第一矩形金属块101。两段所述第二矩形金属块201的长边方向与所述特定方向一致，两段所述第二矩形金属块201之间均存在间隔，两段所述第二矩形金属块201的短边相对设置，且相对设置的短边之间部分错位，错位长度为L2。
在一个实施例中，每个单元晶胞的所述第一金属微纳结构层1包括一段第一矩形金属块101，第二金属微纳结构层2包括两段第二矩形金属块201，所述第一矩形金属块101与第二矩形金属块201满足a<b，c<d，且D1、D2、D3小于LED发光的中心波长λ，c、d、a、b、L1、L2小于晶胞单元的周期长度P（P接近LED发光的中心波长λ），其中，a为第二矩形金属块201的宽度，b为第二矩形金属块201的长度，c为第一矩形金属块101的宽度，d为第一矩形金属块101的长度，L1为两段第二矩形金属块201之间的间隔，L2为两段第二矩形金属块201的短边错位长度，D1为第一金属微纳结构层1的厚度，D2为第二金属微纳结构层2的厚度，D3为电介质隔离层3的厚度。
在一个实施例中，所述a为85nm，b为200nm，c为150nm，d为360nm，P为410nm，D1、D2为170 nm，D3为130nm，L1=25×cos45°nm，L2=25×cos45°nm，λ为455nm-480nm，钝化层厚度为30nm。
利用时域有限差分法，本实施例仿真了对应结构对偏振光源的偏振调制作用，如图5所示，传输矩阵各分量归一化强度分布可看出，在465nm处，出射光为Y偏振光的两分量Tyx（即Eyx）、Tyy（即Eyy）强度高于另两个分量，表明X偏振分量主要转换为Y偏振出射，Y偏振分量仍保持高透射强度，只有很少部分转换为X偏振输出；交叉偏振透过率为0.6-0.7。如图6中可见，在蓝光波段，X偏振入射光的偏振转换率能达到 0.8-0.95；Y偏振入射光的偏振转换效率在0.4左右以下。其中，PCRy表示y偏振光入射的偏振转换率，也就是透射光中x偏振光能量大小占透射光总能量的比值；PCRx表示x偏振光入射的偏振转换率，也就是透射光中y偏振光能量大小占透射光总能量的比值。如图7中可见，ty表示在y偏振方向上的能量透过率。在波长为465nm左右处能量透过率达到最大，约为62%，突破了传统的50%能量损失瓶颈。其中，ty表示在y偏振方向上的能量透过率。
实施例二
图5~8示出了本申请提供的一种工作波长在455nm-480nm蓝光波段的与发光二极管集成的超表面偏振调制器第二个实施例的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
一种与发光二极管集成的超表面偏振调制器，该偏振调制器5底部集成有发光二极管外延片6，所述偏振调制器5由超表面结构组成，所述超表面结构由单元晶胞周期性排列而成，所述单元晶胞包括第一金属微纳结构层1、第二金属微纳结构层2和位于所述第一金属微纳结构层1与第二金属微纳结构层2之间的电介质隔离层3，每个单元晶胞的所述第一金属微纳结构层1均包括沿单元晶胞长度方向排列的两段第一矩形金属块101，第二金属微纳结构层2均包括沿特定方向排列的两段第二矩形金属块201，所述第一矩形金属块101与沿特定方向排列的所述第二矩形金属块201之间具有相对夹角。所述相对夹角为30°~60°，所述特定方向为满足所述相对夹角的方向，本实施例的相对夹角优选45°。
在本发明中对超表面结构的设计是利用对称性破缺的手性结构作为超表面结构单元，不同的手性结构具有不同的传输特性，可以根据我们的偏振转换需要将金属微纳结构设计成任意的形状。在该实施例中，以较为简单的两段矩形金属块和一段矩形金属块结构为例。通过该方法，将LED发出的某种线偏振光调制成另一种所需的线偏振光，能有效地改善光源的偏振特性。相对于传统的分立器件，本实施例的偏振光调制器尺寸小（尺寸面积与源区面积等同），厚度小于工作波长，方便制备和集成小型化应用。
在一个实施例中，所述第一矩形金属块101的长边方向与所述单元晶胞的长度方向一致，每个单元晶胞的所述第一金属微纳结构层1包括两段段第一矩形金属块101。两段所述第一矩形金属块之间存在间隔，且两段所述第一矩形金属块的短边相互对应并对齐设置。两段所述第二矩形金属块201的长边方向与所述特定方向一致，两段所述第二矩形金属块201之间均存在间隔，两段所述第二矩形金属块201的短边相对设置，且相对设置的短边之间部分错位，错位长度为L2。
在一个实施例中，每个单元晶胞的所述第一金属微纳结构层1包括两段第一矩形金属块101，第二金属微纳结构层2包括两段第二矩形金属块201，所述第一矩形金属块101与第二矩形金属块201满足a<b，c<d，且D1、D2、D3小于LED发光的中心波长λ，c、d、a、b、L1、L2小于晶胞单元的周期长度P，其中，a为第二矩形金属块201的宽度，b为第二矩形金属块201的长度，c为第一矩形金属块101的宽度，d为第一矩形金属块101的长度，L1为两段第二矩形金属块201之间的间隔，L2为两段第二矩形金属块201的短边错位长度，L3为两段第一矩形金属块101之间的间隔，D1为第一金属微纳结构层1的厚度，D2为第二金属微纳结构层2的厚度，D3为电介质隔离层3的厚度。
在一个实施例中，所述a为85nm，b为200nm，c为160nm，d为150nm，P为404nm，D1、D2为170 nm，D3为130nm，L1=25×cos45°nm，L2=25×cos45°nm，L3为10nm，λ为455nm-480nm，钝化层厚度为30nm。
如图12中所示，传输矩阵各分量归一化强度分布可看出，在465nm左右处，出射光为Y偏振光的两分量Tyx（即Eyx）、Tyy（即Eyy）强度高于另两个分量，表明X偏振分量主要转换为Y偏振出射，Y偏振分量仍保持高透射强度，只有很少部分转换为X偏振输出；交叉偏振透过率为0.6-0.7。如图13图中可见，在蓝光波段，X偏振入射光的偏振转换率能达到 0.7-0.9；Y偏振入射光的偏振转换效率在0.4左右以下。其中，PCRy表示y偏振光入射的偏振转换率，也就是透射光中x偏振光能量大小占透射光总能量的比值；PCRx表示x偏振光入射的偏振转换率，也就是透射光中y偏振光能量大小占透射光总能量的比值。如图14中可见，在波长为450nm左右处能量透过率达到最大，约为67%，在波长为465nm处能量透过率约为61%，均突破了传统的50%能量损失瓶颈。其中，ty表示在y偏振方向上的能量透过率。说明本发明的器件具有较好的非对称偏振转换功能和能量传输效率。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种与发光二极管集成的超表面偏振调制器，其特征在于：该偏振调制器(5)底部集成有发光二极管外延片(6)，所述偏振调制器(5)由超表面结构组成，所述超表面结构由单元晶胞周期性排列而成，所述单元晶胞包括第一金属微纳结构层(1)、第二金属微纳结构层(2)和位于所述第一金属微纳结构层(1)与第二金属微纳结构层(2)之间的电介质隔离层(3)，每个单元晶胞的所述第一金属微纳结构层(1)均包括沿单元晶胞长度方向排列的一段或多段第一矩形金属块(101)，第二金属微纳结构层(2)均包括沿特定方向排列的多段第二矩形金属块(201)，所述第一矩形金属块(101)与沿特定方向排列的所述第二矩形金属块(201)之间具有相对夹角，每个单元晶胞的周期长度P为410nm，LED发光的中心波长λ为455nm-480nm。
2.根据权利要求1所述的与发光二极管集成的超表面偏振调制器，其特征在于：所述相对夹角为30°～60°，所述特定方向为满足所述相对夹角的方向。
3.根据权利要求1所述的与发光二极管集成的超表面偏振调制器，其特征在于：所述第一矩形金属块(101)的长边方向与所述单元晶胞的长度方向一致，当每个单元晶胞的所述第一金属微纳结构层(1)包括多段第一矩形金属块(101)时，多段所述第一矩形金属块(101)之间均存在间隔，且多段所述第一矩形金属块(101)的短边相互对应并对齐设置。
4.根据权利要求1所述的与发光二极管集成的超表面偏振调制器，其特征在于：多段所述第二矩形金属块(201)的长边方向与所述特定方向一致，多段所述第二矩形金属块(201)之间均存在间隔，多段所述第二矩形金属块(201)的短边相对设置，且相对设置的短边之间部分错位。
5.根据权利要求1所述的与发光二极管集成的超表面偏振调制器，其特征在于：所述第一金属微纳结构层(1)的几何中心与第二金属微纳结构层(2)的几何中心重合。
6.根据权利要求1所述的与发光二极管集成的超表面偏振调制器，其特征在于：所述第二金属微纳结构层(2)表面还设有钝化层(4)，所述第一金属微纳结构层(1)和第二金属微纳结构层(2)采用铝制成，所述电介质隔离层(3)和钝化层(4)采用氧化铝制成。
7.根据权利要求1所述的与发光二极管集成的超表面偏振调制器，其特征在于：每个单元晶胞的所述第一金属微纳结构层(1)包括一段第一矩形金属块(101)，第二金属微纳结构层(2)包括两段第二矩形金属块(201)，所述第一矩形金属块(101)与第二矩形金属块(201)满足a<b，c<d，且D1、D2、D3小于LED发光的中心波长λ，c、d、a、b、L1、L2小于晶胞单元的周期长度P，其中，a为第二矩形金属块(201)的宽度，b为第二矩形金属块(201)的长度，c为第一矩形金属块(101)的宽度，d为第一矩形金属块(101)的长度，L1为两段第二矩形金属块(201)之间的间隔，L2为两段第二矩形金属块(201)的短边错位长度，D1为第一金属微纳结构层(1)的厚度，D2为第二金属微纳结构层(2)的厚度，D3为电介质隔离层(3)的厚度。
8.根据权利要求7所述的与发光二极管集成的超表面偏振调制器，其特征在于：所述a为85nm，b为200nm，c为150nm，d为360nm，P为410nm，D1、D2为170nm，D3为130nm，L1＝25×cos(45°)nm，L2＝25×cos(45°)nm，λ为455nm-480nm。
9.一种与发光二极管集成的超表面偏振调制器，其特征在于：该偏振调制器(5)底部集成有发光二极管外延片(6)，所述偏振调制器(5)由超表面结构组成，所述超表面结构由单元晶胞周期性排列而成，所述单元晶胞包括第一金属微纳结构层(1)、第二金属微纳结构层(2)和位于所述第一金属微纳结构层(1)与第二金属微纳结构层(2)之间的电介质隔离层(3)，每个单元晶胞的所述第一金属微纳结构层(1)均包括沿单元晶胞长度方向排列的一段或多段第一矩形金属块(101)，第二金属微纳结构层(2)均包括沿特定方向排列的多段第二矩形金属块(201)，所述第一矩形金属块(101)与沿特定方向排列的所述第二矩形金属块(201)之间具有相对夹角，每个单元晶胞的所述第一金属微纳结构层(1)包括两段第一矩形金属块(101)，第二金属微纳结构层(2)包括两段第二矩形金属块(201)，所述第一矩形金属块(101)与第二矩形金属块(201)满足a<b，c<d，且D1、D2、D3小于LED发光的中心波长λ，c、d、a、b、L1、L2、L3小于晶胞单元的周期长度P，其中，a为第二矩形金属块(201)的宽度，b为第二矩形金属块(201)的长度，c为第一矩形金属块(101)的宽度，d为第一矩形金属块(101)的长度，L1为两段第二矩形金属块(201)之间的间隔，L2为两段第二矩形金属块(201)的短边错位长度，L3为两段第一矩形金属块(101)之间的间隔，D1为第一金属微纳结构层(1)的厚度，D2为第二金属微纳结构层(2)的厚度，D3为电介质隔离层(3)的厚度，每个单元晶胞的周期长度P为404nm，LED发光的中心波长λ为455nm-480nm。
10.根据权利要求9所述的与发光二极管集成的超表面偏振调制器，其特征在于：所述a为85nm，b为200nm，c为160nm，d为150nm，D1、D2为170nm，D3为130nm，L1＝25×cos(45°)nm，L2＝25×cos(45°)nm，L3为10nm。
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