日前，日本国立信息通信技术研究所未来信息通信技术研究所所长井上伸一郎博士领导的研究小组，通过利用纳米光学结构技术控制光分布角，成功开发出世界上第一款具有极高指向性的无光学器件深紫外LED。

据了解，新开发的深紫外LED证明，通过将纳米光学结构技术与微型LED结构相结合，无需使用光学透镜，就能精确控制发射深紫外光的配光角度，并将其准直为光束形状。该结构还能有效提高深紫外LED的光提取效率，事实证明，它不仅能控制光分布角度，还能显著提高光输出（约1.5倍）。

根据介绍深紫外LED有望用于灭活漂浮在空气中的气溶胶病毒，也可用作不受阳光背景噪声影响的光无线通信光源等。这一成果有望在不使用高成本透镜或光学元件的情况下，仅在需要的地方高效照射高强度深紫外光，抑制深紫外光的不必要扩散，降低对人体的照射风险等，并大幅提高深紫外LED的安全性、效率和生产率。

图1此次开发的“高指向性”深度紫外线LED原理图

该研究小组一直在积极推动深紫外LED的研究和开发，并努力实现其应用。深紫外LED对病毒和细菌具有高度灭活效果，有望成为控制接触和气溶胶传播感染的创新工具。此外，使用波长不超过280纳米的深紫外LED的光无线通信技术，由于可以避免太阳背景噪声的影响，有望极大地扩展高速光无线通信在室外环境中的适用性。

图2本研究中展示的"高指向性"深紫外LED的示意图，该LED能够将光辐射准直成光束形状。

在实际应用这种深紫外LED进行表面和空间灭菌以及自由空间光通信时，需要采用技术，只在需要照射的地方选择性地照射深紫外光，以确保人体和其他人的安全。一般来说，发光二极管发出的光会向各个方向漫射，因此，到目前为止，光的分布角度都是通过外部安装的透镜和光学元件来控制的。然而，对于深紫外LED来说，深紫外光会被普通光学玻璃透镜吸收，因此有必要使用在深紫外区域具有高透明度的高纯度合成石英透镜。这导致整个系统的成本极高。

图3制作的AlN相型菲涅尔区板结构(a)整体光学显微照片(b)中心的扫描电子显微照片(c)最外围和(d)截面图

考虑到未来使用深紫外LED进行消毒和通信应用的普及，有必要创造一种技术，这种技术可以通过单个深紫外LED芯片控制光的分布角度，而无需使用高成本的透镜或光学元件，并能仅用安全、高强度的深紫外光有效照射需要照射的区域。

图4制作的深紫外LED的光分布特性测量结果(a)具有平面发光表面的传统深紫外LED的光分布特性(光分布特性接近朗伯分布，即光在各个方向的扩散几乎相等）(b)新开发的深紫外LED的配光特性，该LED的光输出表面具有相位型菲涅尔区板结构(a)具有准直光束形状的极高方向性配光特性（配光角度的半最大全宽(FWHM)：10°或更小）

在这项研究中，研究小组利用纳米光学结构技术成功开发出了一种无需光学器件即可控制配光角度的深紫外LED（见图1）。通过将氮化铝（AlN）发光表面上形成的纳米阶相位型菲涅尔区板结构与氮化铝镓（AlGaN）微型LED结构相结合（见图2和图3），无需使用光学透镜即可控制光辐射，从而实现光束形状（光分布角的半最大全宽（FWHM）：<10 nm）的控制。(FWHM):<10°）（见图4）。研究还发现，这种结构还能有效提高深紫外LED的光提取效率，实现对光分布角的控制，并显著提高其光输出（约为1.5倍）（见图5）。

图5所开发的深紫外LED的光输出与注入电流密度的关系（发光表面为平面的传统深紫外LED与发光表面为相位型菲涅尔区板结构的新开发深紫外LED的比较），以及与传统深紫外LED相比，新开发深紫外LED的光提取效率的提高率。

这一成果在世界上首次证明，深紫外LED的光分布角通常会向各个方向扩散，而无需使用高成本的透镜或光学元件，即可将其控制在一个极窄的角度。这项技术有望拓宽利用深紫外LED的光学系统的应用范围，从消毒到医疗、传感、环境、光学处理和太阳能盲区光无线通信应用等广泛领域，并显著提高其安全性、效率和生产率。