專利名稱：一種利用二維光子晶體提高c波段led出光效率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到C波段LED出光效率，利用時(shí)域有限差分算法對(duì)二維光子晶體能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解，設(shè)計(jì)出適合于提高C波段LED出光效率的二維光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)。
背景技術(shù)：
光纖光柵傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維以及光纖通信技術(shù)而迅速發(fā)展起來(lái)的一種以光為載體，光纖為煤質(zhì)，感知和傳輸外界信號(hào)(被測(cè)量)的新型傳感技術(shù)。它有抗電磁干擾(EMI)、靈敏度高、安全可靠、耐腐蝕、可進(jìn)行分布式測(cè)量、便于組網(wǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)國(guó)際上發(fā)展最快的高科技應(yīng)用技術(shù)。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)逐步從軍事領(lǐng)域發(fā)展到了電力、石油、石化、交通和建筑等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，在公共安全、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)、環(huán)保等重大安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也有著重要應(yīng)用。由于目前用于光纖光柵傳感的C波段LED光源的出光效率較低，限制了 LED光源在光纖光柵傳感領(lǐng)域進(jìn)一步的應(yīng)用。LED出光效率低主要原因是LED有源層的半導(dǎo)體材料折射率比空氣的折射率高，光在LED介質(zhì)與空氣的界面會(huì)發(fā)生全反射，大部分光不僅不能從LED中發(fā)射出來(lái)，而且被金屬觸點(diǎn)、基底或有源層吸收，會(huì)產(chǎn)生熱能或引起電子與空穴的無(wú)輻射復(fù)合，導(dǎo)致出光效率受到很大的限制。在提高LED出光效率方面，科研人員已經(jīng)做了多種嘗試，如采用倒金字塔形結(jié)構(gòu)、 生長(zhǎng)分布式布拉格反射層、制作透明襯底、表面粗糙化的薄膜結(jié)構(gòu)等。雖然它們對(duì)出光效率都起到不同程度的改善作用，但效果仍不理想。表面粗化技術(shù)通過增加光逃逸角，將光提取率提升至約65%，若再進(jìn)一步以硅樹脂或類似的透明材料封裝，光提取率可高達(dá)80%。通過封裝雖然可以提高光提取效率，但由于LED的亮度與封裝材料的折射系數(shù)平方成反比， 因此會(huì)犧牲掉LED的亮度。本發(fā)明解決C波段LED出光效率的問題，以時(shí)域有限差分理論為基礎(chǔ)建立二維光子晶體結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)了正方排列以及三角排列的二維光子晶體結(jié)構(gòu)，并利用時(shí)域有限差分算法對(duì)不同晶格常數(shù)、不同占空比的二維光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解，設(shè)計(jì)出用于提高C波段LED出光效率的二維光子晶體的各項(xiàng)參數(shù)，總體設(shè)計(jì)方案流程示意圖如圖1所示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決C波段LED出光效率的問題，通過以時(shí)域有限差分理論為基礎(chǔ)建立二維光子晶體結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)了正方排列以及三角排列的二維光子晶體結(jié)構(gòu)，利用時(shí)域有限差分算法對(duì)不同晶格常數(shù)、不同占空比的二維光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解，選擇最優(yōu)的光子晶體能帶結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出可以提高C波段LED出光效率的二維光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)?！N利用二維光子晶體提高C波段LED出光效率的方法實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟(1)以時(shí)域有限差分算法為基礎(chǔ)，構(gòu)建二維光子晶體結(jié)構(gòu)模型，其中包括正方排列的二維光子晶體結(jié)構(gòu)以及三角排列的二維光子晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖3、5所示。圖3、5中a 為二維光子晶體的晶格常數(shù)，r為二維光子晶體的介質(zhì)柱/空氣孔半徑，占空比Rp = r/a。(2)基于時(shí)域有限差分算法二維光子晶體能帶結(jié)構(gòu)的求解，求解了不同晶格常數(shù)、 不同占空比的二維光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)。首先將麥克斯韋微分方程組在直角坐標(biāo)系下展開，再將其轉(zhuǎn)換為差分方程，進(jìn)而在時(shí)間和空間上逐步求解電場(chǎng)和磁場(chǎng)，計(jì)算得到光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，我們求解了不同晶格常數(shù)、不同占空比的二維光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)。(3)選取最優(yōu)能帶結(jié)構(gòu)，并根據(jù)最優(yōu)二維光子晶體能帶確定用于提高C波段LED出光效率的二維光子晶體參數(shù)，選取最優(yōu)能帶的原則為1、二維光子晶體能帶帶隙寬度足夠大，可以用來(lái)提高較寬波長(zhǎng)范圍的出光效率；2、根據(jù)能帶頻率f與可提高出光效率波長(zhǎng)λ及二維光子晶體的晶格常數(shù)a的關(guān)系式f = a/λ，選擇最優(yōu)能帶頻率，完成最優(yōu)能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過最優(yōu)能帶結(jié)構(gòu)，可以得到滿足于提高C波段LED出光效率的二維光子晶體參數(shù)，具體參數(shù)包括光子晶體的晶格常數(shù)a、占空比Rp以及晶胞半徑r。


圖1是本發(fā)明利用二維光子晶體提高C波段LED出光效率流程示意圖；圖2是正方排列二維光子晶體晶格矢量結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是正方排列二維光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是三角排列二維光子晶體晶格矢量結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是三角排列二維光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是正方排列介質(zhì)柱且a = 500nm、Rp = 0. 3時(shí)的光子晶體能帶示意圖；圖7是三角排列空氣孔且a = 500nm、Rp = 0. 44時(shí)的光子晶體能帶示意圖；圖8是三角排列介質(zhì)柱且a = 500nm、Rp = 0. 35時(shí)的光子晶體能帶示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案詳細(xì)敘述本發(fā)明的最佳實(shí)施例。本發(fā)明的目的是解決C波段LED出光效率的問題，通過以時(shí)域有限差分理論為基礎(chǔ)建立二維光子晶體結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)了正方排列以及三角排列的二維光子晶體結(jié)構(gòu)，利用時(shí)域有限差分算法對(duì)不同晶格常數(shù)、不同占空比的二維光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解，選擇最優(yōu)的光子晶體能帶結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出用于提高C波段LED出光效率的二維光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，它包括如下步驟1、二維光子晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以時(shí)域有限差分算法為理論基礎(chǔ)，構(gòu)建二維光子晶體結(jié)構(gòu)模型，其中包括正方排列的二維光子晶體結(jié)構(gòu)以及三角排列的二維光子晶體結(jié)構(gòu)，主要有以下幾個(gè)步驟(1)基本參數(shù)設(shè)計(jì)，包括全局參數(shù)、邊界參數(shù)以及計(jì)算區(qū)域的設(shè)計(jì)，計(jì)算區(qū)域一般選擇光子晶體晶格常數(shù)的整數(shù)倍，為了能夠精確求解出光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，邊界條件選擇周期邊界。(2)材料的設(shè)計(jì)，包括材料的介電常數(shù)以及特性設(shè)計(jì)，且材料的介電常數(shù)選取是根據(jù)LED的材料決定的。
(3)結(jié)構(gòu)及元件設(shè)計(jì)，包括光子晶體晶胞的半徑及高度設(shè)計(jì)，光子晶體的高度一般選取 100_200nm。(4)完成正方排列及三角排列二維光子晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。光子晶體陣列的設(shè)計(jì)要按照光子晶體的晶格矢量來(lái)完成，正方排列的光子晶體的晶格矢量如圖2所示，其中Ka為指定列方向上的晶格矢量，Kb為指定行方向上的晶格矢量。將Ka和Kb分別向X軸和Y軸投影，且設(shè)光子晶體晶格常數(shù)為a，則Ka和Kb分別為 + Oey )、(Oex + <)，其中&、&分別為X、Y方向的單位矢量。因此，對(duì)于正方排列的二維光子晶體結(jié)構(gòu)，列方向上的晶格矢量Ka 在X方向上的數(shù)值為a，Y方向上的數(shù)值為0 ；同理可得，行方向上的晶格矢量Kb在X方向上的數(shù)值為0，Y方向上的數(shù)值為a。再進(jìn)一步設(shè)計(jì)行與列的取值范圍，即可完成正方排列二維光子晶體陣列的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)得到的正方排列的二維光子晶體結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中a為二維光子晶體的晶格常數(shù)，r為二維光子晶體的介質(zhì)柱/空氣孔半徑，占空比Rp = r/a。對(duì)于三角排列的二維光子晶體陣列，它的晶格矢量如圖4所示，其中Ka為指定列方向上的晶格矢量，Kb為指定行方向上的晶格矢量。將Ka和Kb分別向X軸和Y軸投影，
且設(shè)光子晶體晶格常數(shù)的值a，則Ka和Kb分別為乙)、(l^ + V^A) ’其中&、&分別
為X、Y方向的單位矢量。因此，對(duì)于三角排列的二維光子晶體結(jié)構(gòu)，列方向上的晶格矢量Ka 在X方向上的數(shù)值為a，Y方向上的數(shù)值為0 ；同理可得，行方向上的晶格矢量Kb在X方向上的數(shù)值為a/2，Y方向上的數(shù)值為V^fl。再進(jìn)一步設(shè)計(jì)行與列的取值范圍，即可完成三角排列二維光子晶體陣列的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)得到的三角排列的二維光子晶體結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖中a 為二維光子晶體的晶格常數(shù)，r為二維光子晶體的介質(zhì)柱/空氣孔半徑，占空比Rp = r/a。2、基于時(shí)域有限差分算法二維光子晶體能帶的求解利用時(shí)域有限差分算法求解二維光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，我們首先將麥克斯韋微分方程組在直角坐標(biāo)系下展開得到
權(quán)利要求
1.一種利用二維光子晶體提高C波段LED出光效率的方法實(shí)現(xiàn)，包括如下步驟(1)以時(shí)域有限差分算法理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了二維光子晶體結(jié)構(gòu)模型，它包括正方排列二維空氣孔光子晶體結(jié)構(gòu)、正方排列二維介質(zhì)柱光子晶體結(jié)構(gòu)、三角排列二維空氣孔光子晶體結(jié)構(gòu)以及三角排列二維介質(zhì)柱光子晶體結(jié)構(gòu)；(2)基于時(shí)域有限差分算法的二維光子晶體能帶結(jié)構(gòu)的求解，通過對(duì)麥克斯韋微分方程組在直角坐標(biāo)系中進(jìn)行展開，利用差分方程求解二維光子晶體結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)分布，得出光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)；(3)選取最優(yōu)能帶結(jié)構(gòu)，完成二維光子晶體參數(shù)的設(shè)計(jì)，光子晶體參數(shù)包括光子晶體的晶格常數(shù)a、占空比Rp以及晶胞半徑r。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用二維光子晶體提高C波段LED出光效率的方法，其特征在于以時(shí)域有限差分算法為理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)二維光子晶體結(jié)構(gòu)模型，包括以下步驟(1)設(shè)計(jì)二維光子晶體材料、光子晶體介質(zhì)柱/空氣孔半徑、光子晶體的晶格常數(shù)以及占空比，完成光子晶體晶胞設(shè)計(jì)；(2)根據(jù)一個(gè)光子晶體晶胞，設(shè)計(jì)二維光子晶體陣列，完成正方排列以及三角排列的二維光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用二維光子晶體提高C波段LED出光效率的方法，其特征在于利用時(shí)域有限差分算法求解二維光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，首先我們將麥克斯韋微分方程組在直角坐標(biāo)系下展開得到
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用二維光子晶體提高C波段LED出光效率的方法，其特征在于根據(jù)求解的不同晶格常數(shù)不同占空比的二維光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，選擇適合用于提高C波段LED出光效率的最優(yōu)能帶結(jié)構(gòu)； 選取最優(yōu)能帶的原則為(1)二維光子晶體能帶帶隙寬度足夠大，可以用來(lái)提高較寬波長(zhǎng)范圍的出光效率；(2)根據(jù)能帶頻率f與可提高出光效率波長(zhǎng)λ及二維光子晶體的晶格常數(shù)a的關(guān)系式 f = a/λ，選擇最優(yōu)能帶頻率，完成最優(yōu)能帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；根據(jù)最優(yōu)能帶結(jié)構(gòu)，可以得到滿足于提高C波段LED出光效率的二維光子晶體參數(shù)，具體參數(shù)包括光子晶體的晶格常數(shù)a、占空比Rp以及晶胞半徑r。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用二維光子晶體提高C波段LED出光效率的方法，包括(1)以時(shí)域有限差分(FDTD)算法理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建二維光子晶體結(jié)構(gòu)模型；(2)基于時(shí)域有限差分算法的二維光子晶體能帶結(jié)構(gòu)的分析；(3)選取最優(yōu)能帶結(jié)構(gòu)，完成二維光子晶體參數(shù)的設(shè)計(jì)。本發(fā)明通過利用時(shí)域有限差分算法對(duì)二維光子晶體模型進(jìn)行能帶求解，設(shè)計(jì)出用于提高C波段LED出光效率的二維光子晶體的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。經(jīng)過模擬計(jì)算，本發(fā)明給出的光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)可以提高C波段LED的出光效率。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102375914SQ201110372698
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者李鴻強(qiáng), 柳智慧, 魏可嘉 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)