光子晶体结构参数的随机扰动对光子晶体LED出光效率的研究

利用光子晶体(PC)的光子禁带和光栅衍射效应可以提高发光二极管(LED)的出光效率,扩大LED的应用范围。在GaN基蓝光LED的GaN层上引入二维正方排列圆柱形PC,采用时域有限差分方法研究光子晶体的几何参数的随机扰动对LED出光效率的影响,利用禁带理论分析了其机理。     

表面为二维光子晶体结构的AlGaInP系发光二极管的研究

近年来,GaN基光子晶体发光二极管(light emitting diode,LED)的研究已经取得了一定的进展,利用光子晶体的光子带隙效应和光栅衍射原理,在LED上制作光子晶体结构将会提高出光效率.本文为了提高AlGaInP系LED的光提取效率,分析了常规LED光提取效率受到限制的原因,将光子晶体结构引入了AlGaInP系LED的器件结构设计,通过理论分析与实验验证,结果显示:光子晶体结构对于提高AlGaInP系LED的光提取效率同样起到了明显的效果,引入光子晶体后,LED的输出光强比常规结构LED平均 关键词： AlGaInP系LED 光子晶体 光提取效率 光强     

利用介质光子晶体提高红光发光二极管的光通量的研究

本文利用光子晶体的光栅衍射原理, 在发光二极管(light emitting diode, LED)上制作了光子晶体结构以提高出光效率. 在红光LED器件中引入了SiO₂层的介质光子晶体结构, 并进行了相应的理论分析和实验验证. 结果表明: 介质光子晶体结构对于提高红光LED器件的光提取效率有显著效果, 引入介质光子晶体后, 红光LED的光通量比普通LED增加了26%.     

光子晶体几何结构设计对LED出光效率影响的研究

利用禁带理论、等效介质理论分析了增透机理,研究了一种参数设计方法.采用FDTD方法计算了表面覆盖ITO层的六角排列圆形光子晶体出光效率.计算该结构参数的光子晶体的LED出光效率,结果表明加入ITO层的光子晶体能提高GaN基蓝光LED出光效率2倍,该参数设计思路也为光子晶体设计提供了参考依据.     

表面微腔光子晶体LED的光提取特性EI北大核心CSCD

提出并研究了一种基于表面微腔光子晶体的发光二极管(LED),利用多个谐振腔出射光之间的相干耦合作用产生束流准直效应,从而在提高光提取效率的同时,也改善了出射光的空间指向性。通过对表面光子晶体LED结构进行优化设计,使得表面微腔光子晶体LED的光提取效率较完整光子晶体LED提高了77.3%,而较普通平板LED提高了1.8倍以上。同时,微腔光子晶体LED相对普通平板LED和完整光子晶体LED来说具有更加明显的远场能量汇聚效应,让出射光具有更好的空间指向性。     

用于短波段发光二极管的二维光子晶体禁带研究

运用平面波展开法(PWE),针对光子晶体在短波长段发光二极管(LED)领域上的应用,主要选择高频禁带模式,研究了4种具有较大应用潜力的二维光子晶体结构,包括正方空气柱结构、三角空气柱结构、正方介质柱结构和三角介质柱结构。在不同晶格常数、占空比(AFF)、柱半径和晶格常数比下,分析了TE模式和TM模式光子禁带的变化。数据分析表明,光子禁带中心波长随AFF增加而变小。相比于其他结构,正方介质柱结构更适于短波段光子晶体LED来提高其出光效率,三角介质柱结构和三角空气柱结构适合用于构造短波段偏振光LED。     

基于正方和六角排列结构光子晶体对发光二极管出光效率的研究

采用时域有限差分（finite-difference time-domain, FDTD）方法计算正方和六角排列圆形光子晶体的能带结构,研究了光子晶体占空比对能带的影响,找到一组获得带隙个数最多的二维光子晶体的几何结构参数;采用FDTD方法计算具有该参数的光子晶体的发光二极管（LED）出光效率,模拟表明该结构参数的正方和六角排列圆形光子晶体提高了GaN基蓝光LED出光效率5—6倍,六角排列优于正方排列;利用禁带理论、等效介质理论分析了增透机理. 关键词： 光子晶体 能带 出光效率 发光二极管     

二维光子晶体提高C波段LED出光效率的研究

片上集成光源是未来光电子系统中光源发展的主要趋势,LED光源作为片上集成光源的主要缺点是其出光效率低,二维光子晶体是提高LED出光效率的有效手段。本工作设计了C波段LED的基本结构及参数,并采用时域有限差分法计算了不同阵列不同占空比的二维光子晶体能带结构,利用禁带理论选取提高C波段LED出光效率的最优二维光子晶体结构参数,结果表明三角排列空气孔二维光子晶体晶格常数a=500 nm且占空比R_p=0.44的光子晶体结构最优。     

一维超声光子晶体禁带结构分析

超声波在介质中传播时可以引起介质的折射率发生周期变化,当光波垂直于超声波的传播方向时,这种介质可以被用来作为光栅使用,称为超声光栅。当光波沿超声波的传播方向通过这种介质时,它还可以用作一维光子晶体,并称其为一维超声光子晶体(1D-USPC)。利用平面波法证明了一维超声光子晶体具有一般一维周期层叠结构光子晶体的禁带特征。同时这种光子禁带是可以通过超声波的波长和振幅来改变的,这就为控制光的行为方面提供另一种新的方法。     

表面微腔光子晶体LED的光提取特性

提出并研究了一种基于表面微腔光子晶体的发光二极管(LED),利用多个谐振腔出射光之间的相干耦合作用产生束流准直效应,从而在提高光提取效率的同时,也改善了出射光的空间指向性。通过对表面光子晶体LED结构进行优化设计,使得表面微腔光子晶体LED的光提取效率较完整光子晶体LED提高了77.3%,而较普通平板LED提高了1.8倍以上。同时,微腔光子晶体LED相对普通平板LED和完整光子晶体LED来说具有更加明显的远场能量汇聚效应,让出射光具有更好的空间指向性。     

Enhancement of extraction efficiency by metallic photonic crystal embedding in light-emitting diode

The bandgap effect of photonic crystals (PCs) and the effect of grating diffraction can be used to improve the extraction efficiency of light from the light-emitting diode (LED). The transmission of light at certain wavelength through periodic sub-wavelength hole arrays in metal films is extraordinary, surface plasmon (SP) effects effectively. In this letter, silver metallic photonic crystals with square lattice of cylinder unit cells are fabricated in GaN layer of GaN-based blue LED. We use the finite-difference time-domain (FDTD) method to investigate the optical transmission, the results show that the light extraction efficiency is enhanced by more than four times. Then we use the surface plasmon dispersion relation to analyze the mechanism of antireflection.     

双层光子晶体氮化镓蓝光发光二极管结构优化的研究

为了提升氮化镓(GaN)蓝光发光二极管(LED)光提取效率, 设计了双层光子晶体LED模型. 提出等效折射率近似方法, 简化求解了结构中的介质波导模式分布. 从而对模型中顶层光子晶体刻蚀深度d, 嵌入式光子晶体厚度T及其距有源层距离D等结构参数进行了优化. 同时利用时域有限差分方法对优化结果进行了验证. 相比其他仿真方法, 模式分析极大地减少了对LED建模优化的计算复杂度, 同时从理论上阐明了不同结构参数变化引起LED光提取效率改变的原因. 研究发现, 当顶层光子晶体满足d ≈ λ / n_PhCs 时, 结构内大部分高阶导模尚未被截断但源区能量向低阶导模的转化被有效抑制, 光提取效率给出极大值. 嵌入式光子晶体的引入将激发覆盖层模式, 当满足100 nm≤ T ≤ 300 nm且100 nm≤ D ≤ 200 nm 时, 覆盖层模式可以从有源层获得较大能量并有效地与顶层光子晶体耦合, 极大地提升了光提取效率. 本文优化结果使得LED光提取效率提升了4倍, 对高性能GaN蓝光LED的设计制造具有重要意义.     

微纳光学在LED芯片中应用研究的综述

LED以其高效节能、体积小、寿命长等优点被认为是最有可能进入普通照明领域的一种新型固态光源,但LED芯片的光提取效率仍较低。综述了LED外延片表面的各种基于微纳光学结构的加工技术,如通过在LED芯片表面上加工粗糙微结构、LED芯片表面双层微结构、二维光子晶体结构、双光栅结构等。介绍了通过各种加工技术对LED芯片微纳光学结构的加工提高了芯片的外量子效率,从而提高了LED的出光效率。     

基于Bragg反射面结构的衍射光栅设计与研究

基于Bragg反射光栅是一维光子晶体的一种特例结构,本文提出利用一维光子晶体带隙理论进行Bragg反射光栅设计.通过光学仿真软件OptiFDTD对Bragg反射光栅的宽度及倾斜角度误差的仿真分析,发现Bragg光栅齿刻槽宽度变化在10%范围、倾斜角度10°以内不会引起Bragg光栅衍射效率的明显变化,说明Bragg反射光栅具有较高的工艺误差容限;根据一维光子晶体带隙理论,设计了一种罗兰圆结构的Bragg衍射双光栅结构模型,实现了两个频段之间的衍射分光,优化分析结果表明:当第一套光栅中Bragg周期层数为6、第二套光栅Bragg周期层数为10时,两频段波长的衍射效率均可以达到70%左右,明显高于传统深刻蚀的衍射光栅.基于本设计的波分复用器是一种尺寸小、衍射效率高的新型EDG波分复用器,为未来高效密集型EDG波分复用器发展提供了一种新的设计思路.     

无序光子晶体提高GaN基蓝光发光二极管光提取效率的研究

亚波长尺度光子晶体结构可有效提升发光二极管(LED)的光提取效率(LEE),然而在制造过程中会存在缺陷或无序.利用时域有限差分法对理想方形光子晶体结构进行了优化,在此基础上对三种无序光子晶体结构进行了仿真,研究了光子晶体结构参数的无序变化对GaN基蓝光LED LEE的影响.结果表明,光子晶体空气孔位置和半径的无序变化使优化的80 nm光子晶体LED的LEE下降,而可使非优化的60nm光子晶体LED的LEE增加;当光子晶体空气孔位置和半径的无序变化量从0到士20 nm之间变化时,LEE最大会产生53.8％的浮动;光子晶体刻蚀深度的无序变化对LEE影响较小,一般可以忽略,研究结果为高性能蓝光光子晶体LED的设计制作提供了重要的理论参考.     

高双折射光子晶体光纤中均匀布拉格光栅的特性

研究了具有高双折射的光子晶体光纤(HB PCF)中均匀布拉格光栅(FBG)的光谱特性。利用紧凑的超格子模型,对光子晶体光纤的传输特性进行分析,研究正向传输和反向传输的模式之间的耦合规律,从而研究写入光子晶体光纤中的均匀布拉格光栅的特性。首先给出具有C6v对称性的零双折射光子晶体光纤中光纤布拉格光栅的布拉格波长λB随光纤结构参量的变化规律;然后分析一种高双折射光子晶体光纤中的光纤布拉格光栅的光谱特性,高双折射使两个不同偏振态的反射峰分开较大;最后分析了一种常用的双模双折射光子晶体光纤中光纤布拉格光栅的光谱特性,LP01模和LPe11模的两个偏振态对应的反射谱都由于高双折射而分开。     

一维衍射光栅和一维光子晶体组成的硅薄膜太阳能电池背反射器

设计了一种由一维衍射光栅和一维光子晶体组成的用于薄膜硅太阳能电池的背反射器,采用勒让德多项式展开法对一维光子晶体和三角形光栅结构进行了参数优化,并对400~1 200 nm入射电磁波的反射率进行了模拟计算。结果表明:在高反射率的一维光子晶体作用下,利用衍射光栅可以得到大倾角的反射光,有效地延长光子在电池吸收体的传播路径,使其得到充分吸收。衍射光栅加光子晶体结构的背反射器可以大幅提高电池的捕光能力,提高太阳能电池的转化效率。     

柚子型光子晶体光纤啁啾光栅的反射谱特性

利用有限元法和传输矩阵法,对柚子型结构的光子晶体光纤啁啾光栅的反射谱进行了理论分析。得到了啁啾光栅参数和光纤参数对光子晶体光纤啁啾光栅反射谱的影响规律。结果表明随着啁啾系数和折变量的增加,光栅反射谱呈规律变化,当啁啾系数增大到一定程度时几个反射峰会连到一起,形成一个大的反射带宽。光纤的内包层直径和纤芯直径的改变能够影响各反射峰之间的间距。同时研究了切趾变迹对光子晶体光纤啁啾光栅反射谱的影响,研究表明,所用切趾函数会同时对多个峰进行切趾,每个峰的切趾效果都很好。对反射谱波动较大的几个峰相连的啁啾光栅经过柯西切趾后反射谱曲线平滑,适合于实际应用。