Inverse-Designed Metasurfaces Optimize Brightness and Directivity of Micron-Scale Phosphor-Converted Micro-LED Pixels

像素 亮度 物理 光学 宽带 指向性 纳米光子学 计算机科学 钥匙(锁) 缩放比例 干扰(通信) 光发射 截断(统计) 反向 光电子学 自发辐射 带宽(计算) 衍射 超材料 二极管 背光
作者
Debapriya Pal,Toni Beth Lopez,A. Femius Koenderink
出处
期刊:ACS Photonics [American Chemical Society]
卷期号:13 (6): 1652-1664 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.5c02644
摘要

Metasurface-based phosphor-converted micro-light emitting diodes (micro-LEDs), powered by nanophotonic designs, are rapidly emerging as a key enabler for next-generation near-eye displays─offering compact, energy-efficient, high-brightness emission with built-in directionality without relying on bulky external optics. However, scaling periodic metasurface designs to sub-5 μm footprints─crucial for AR/VR applications─remains a fundamental challenge, as truncation of large-area periodic structures severely degrades optical performance. We introduce a fast inverse design framework that integrates a genetic evolutionary algorithm with a multiple-scattering Green-function solver to optimize scatterer arrangements within a compact 2.5 × 2.5 μm 2 pixel footprint. Our optimized designs boost total emission by 25% and forward-directed brightness by 43%, while also enabling programmable control over angular emission profiles, including beaming into application-specific arbitrary solid angles─compared to truncated periodic references. These improvements arise from tailored multiple-scattering interference enabled by structure-factor engineering that extends beyond the single-scattering regime. This computational approach establishes a general strategy for efficient control of incoherent light emission in ultracompact metasurfaces and paves the way toward high-brightness micro-LED pixels with densities exceeding 10 4 pixels per inch (PPI) resolution, meeting the stringent demands of future display technologies.
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