[发明专利]一种利用二维光子晶体提高C波段LED出光效率的方法

说明书

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。

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。

附图说明

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；