专利名称：一种利用二维光子晶体提高c波段led出光效率的方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，具体涉及到C波段LED出光效率，利用时域有限差分算法对二维光子晶体能带结构进行求解，设计出适合于提高C波段LED出光效率的二维光子晶体结构参数。
背景技术：
光纤光栅传感技术是伴随着光导纤维以及光纤通信技术而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为煤质，感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。它有抗电磁干扰(EMI)、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀、可进行分布式测量、便于组网等诸多优点，是近年来国际上发展最快的高科技应用技术。自20世纪70年代以来，光纤光栅传感技术的应用已经逐步从军事领域发展到了电力、石油、石化、交通和建筑等各个工业领域，在公共安全、国防、工农业安全生产、环保等重大安全监测领域也有着重要应用。由于目前用于光纤光栅传感的C波段LED光源的出光效率较低，限制了 LED光源在光纤光栅传感领域进一步的应用。LED出光效率低主要原因是LED有源层的半导体材料折射率比空气的折射率高，光在LED介质与空气的界面会发生全反射，大部分光不仅不能从LED中发射出来，而且被金属触点、基底或有源层吸收，会产生热能或引起电子与空穴的无辐射复合，导致出光效率受到很大的限制。在提高LED出光效率方面，科研人员已经做了多种尝试，如采用倒金字塔形结构、 生长分布式布拉格反射层、制作透明衬底、表面粗糙化的薄膜结构等。虽然它们对出光效率都起到不同程度的改善作用，但效果仍不理想。表面粗化技术通过增加光逃逸角，将光提取率提升至约65%，若再进一步以硅树脂或类似的透明材料封装，光提取率可高达80%。通过封装虽然可以提高光提取效率，但由于LED的亮度与封装材料的折射系数平方成反比， 因此会牺牲掉LED的亮度。本发明解决C波段LED出光效率的问题，以时域有限差分理论为基础建立二维光子晶体结构模型，设计了正方排列以及三角排列的二维光子晶体结构，并利用时域有限差分算法对不同晶格常数、不同占空比的二维光子晶体的能带结构进行求解，设计出用于提高C波段LED出光效率的二维光子晶体的各项参数，总体设计方案流程示意图如图1所示。
发明内容
本发明的目的是解决C波段LED出光效率的问题，通过以时域有限差分理论为基础建立二维光子晶体结构模型，设计了正方排列以及三角排列的二维光子晶体结构，利用时域有限差分算法对不同晶格常数、不同占空比的二维光子晶体的能带结构进行求解，选择最优的光子晶体能带结构，设计出可以提高C波段LED出光效率的二维光子晶体结构参数。—种利用二维光子晶体提高C波段LED出光效率的方法实现，包括以下步骤(1)以时域有限差分算法为基础，构建二维光子晶体结构模型，其中包括正方排列的二维光子晶体结构以及三角排列的二维光子晶体结构，结构如图3、5所示。图3、5中a 为二维光子晶体的晶格常数，r为二维光子晶体的介质柱/空气孔半径，占空比Rp = r/a。(2)基于时域有限差分算法二维光子晶体能带结构的求解，求解了不同晶格常数、 不同占空比的二维光子晶体的能带结构。首先将麦克斯韦微分方程组在直角坐标系下展开，再将其转换为差分方程，进而在时间和空间上逐步求解电场和磁场，计算得到光子晶体的能带结构，我们求解了不同晶格常数、不同占空比的二维光子晶体的能带结构。(3)选取最优能带结构，并根据最优二维光子晶体能带确定用于提高C波段LED出光效率的二维光子晶体参数，选取最优能带的原则为1、二维光子晶体能带带隙宽度足够大，可以用来提高较宽波长范围的出光效率；2、根据能带频率f与可提高出光效率波长λ及二维光子晶体的晶格常数a的关系式f = a/λ，选择最优能带频率，完成最优能带结构设计。通过最优能带结构，可以得到满足于提高C波段LED出光效率的二维光子晶体参数，具体参数包括光子晶体的晶格常数a、占空比Rp以及晶胞半径r。
图1是本发明利用二维光子晶体提高C波段LED出光效率流程示意图；图2是正方排列二维光子晶体晶格矢量结构示意图；图3是正方排列二维光子晶体结构示意图；图4是三角排列二维光子晶体晶格矢量结构示意图；图5是三角排列二维光子晶体结构示意图；图6是正方排列介质柱且a = 500nm、Rp = 0. 3时的光子晶体能带示意图；图7是三角排列空气孔且a = 500nm、Rp = 0. 44时的光子晶体能带示意图；图8是三角排列介质柱且a = 500nm、Rp = 0. 35时的光子晶体能带示意图。
具体实施例方式以下结合技术方案详细叙述本发明的最佳实施例。本发明的目的是解决C波段LED出光效率的问题，通过以时域有限差分理论为基础建立二维光子晶体结构模型，设计了正方排列以及三角排列的二维光子晶体结构，利用时域有限差分算法对不同晶格常数、不同占空比的二维光子晶体的能带结构进行求解，选择最优的光子晶体能带结构，设计出用于提高C波段LED出光效率的二维光子晶体结构参数，它包括如下步骤1、二维光子晶体结构的设计以时域有限差分算法为理论基础，构建二维光子晶体结构模型，其中包括正方排列的二维光子晶体结构以及三角排列的二维光子晶体结构，主要有以下几个步骤(1)基本参数设计，包括全局参数、边界参数以及计算区域的设计，计算区域一般选择光子晶体晶格常数的整数倍，为了能够精确求解出光子晶体的能带结构，边界条件选择周期边界。(2)材料的设计，包括材料的介电常数以及特性设计，且材料的介电常数选取是根据LED的材料决定的。
(3)结构及元件设计，包括光子晶体晶胞的半径及高度设计，光子晶体的高度一般选取 100_200nm。(4)完成正方排列及三角排列二维光子晶体结构的设计。光子晶体阵列的设计要按照光子晶体的晶格矢量来完成，正方排列的光子晶体的晶格矢量如图2所示，其中Ka为指定列方向上的晶格矢量，Kb为指定行方向上的晶格矢量。将Ka和Kb分别向X轴和Y轴投影，且设光子晶体晶格常数为a，则Ka和Kb分别为 + Oey )、(Oex + <)，其中&、&分别为X、Y方向的单位矢量。因此，对于正方排列的二维光子晶体结构，列方向上的晶格矢量Ka 在X方向上的数值为a，Y方向上的数值为0 ；同理可得，行方向上的晶格矢量Kb在X方向上的数值为0，Y方向上的数值为a。再进一步设计行与列的取值范围，即可完成正方排列二维光子晶体阵列的设计。设计得到的正方排列的二维光子晶体结构如图3所示，图中a为二维光子晶体的晶格常数，r为二维光子晶体的介质柱/空气孔半径，占空比Rp = r/a。对于三角排列的二维光子晶体阵列，它的晶格矢量如图4所示，其中Ka为指定列方向上的晶格矢量，Kb为指定行方向上的晶格矢量。将Ka和Kb分别向X轴和Y轴投影，
且设光子晶体晶格常数的值a，则Ka和Kb分别为乙)、(l^ + V^A) ’其中&、&分别
为X、Y方向的单位矢量。因此，对于三角排列的二维光子晶体结构，列方向上的晶格矢量Ka 在X方向上的数值为a，Y方向上的数值为0 ；同理可得，行方向上的晶格矢量Kb在X方向上的数值为a/2，Y方向上的数值为V^fl。再进一步设计行与列的取值范围，即可完成三角排列二维光子晶体阵列的设计。设计得到的三角排列的二维光子晶体结构如图5所示，图中a 为二维光子晶体的晶格常数，r为二维光子晶体的介质柱/空气孔半径，占空比Rp = r/a。2、基于时域有限差分算法二维光子晶体能带的求解利用时域有限差分算法求解二维光子晶体的能带结构，我们首先将麦克斯韦微分方程组在直角坐标系下展开得到
权利要求
1.一种利用二维光子晶体提高C波段LED出光效率的方法实现，包括如下步骤(1)以时域有限差分算法理论为基础，构建了二维光子晶体结构模型，它包括正方排列二维空气孔光子晶体结构、正方排列二维介质柱光子晶体结构、三角排列二维空气孔光子晶体结构以及三角排列二维介质柱光子晶体结构；(2)基于时域有限差分算法的二维光子晶体能带结构的求解，通过对麦克斯韦微分方程组在直角坐标系中进行展开，利用差分方程求解二维光子晶体结构的电磁场分布，得出光子晶体的能带结构；(3)选取最优能带结构，完成二维光子晶体参数的设计，光子晶体参数包括光子晶体的晶格常数a、占空比Rp以及晶胞半径r。
2.根据权利要求1所述的利用二维光子晶体提高C波段LED出光效率的方法，其特征在于以时域有限差分算法为理论基础设计二维光子晶体结构模型，包括以下步骤(1)设计二维光子晶体材料、光子晶体介质柱/空气孔半径、光子晶体的晶格常数以及占空比，完成光子晶体晶胞设计；(2)根据一个光子晶体晶胞，设计二维光子晶体阵列，完成正方排列以及三角排列的二维光子晶体结构设计。
3.根据权利要求1所述的利用二维光子晶体提高C波段LED出光效率的方法，其特征在于利用时域有限差分算法求解二维光子晶体的能带结构，首先我们将麦克斯韦微分方程组在直角坐标系下展开得到
4.根据权利要求1所述的利用二维光子晶体提高C波段LED出光效率的方法，其特征在于根据求解的不同晶格常数不同占空比的二维光子晶体的能带结构，选择适合用于提高C波段LED出光效率的最优能带结构； 选取最优能带的原则为(1)二维光子晶体能带带隙宽度足够大，可以用来提高较宽波长范围的出光效率；(2)根据能带频率f与可提高出光效率波长λ及二维光子晶体的晶格常数a的关系式 f = a/λ，选择最优能带频率，完成最优能带结构设计；根据最优能带结构，可以得到满足于提高C波段LED出光效率的二维光子晶体参数，具体参数包括光子晶体的晶格常数a、占空比Rp以及晶胞半径r。
全文摘要
本发明公开了一种利用二维光子晶体提高C波段LED出光效率的方法，包括(1)以时域有限差分(FDTD)算法理论为基础，构建二维光子晶体结构模型；(2)基于时域有限差分算法的二维光子晶体能带结构的分析；(3)选取最优能带结构，完成二维光子晶体参数的设计。本发明通过利用时域有限差分算法对二维光子晶体模型进行能带求解，设计出用于提高C波段LED出光效率的二维光子晶体的结构及参数。经过模拟计算，本发明给出的光子晶体结构参数可以提高C波段LED的出光效率。
文档编号G06F17/50GK102375914SQ201110372698
公开日2012年3月14日 申请日期2011年11月22日 优先权日2011年11月22日
发明者李鸿强, 柳智慧, 魏可嘉 申请人:天津工业大学