光子晶体提高GaN基LED出光效率的研究进展

光子晶体作为有效提高LED出光效率的手段之一,在过去的十多年受到了广泛的关注.简述了光子晶体提高LED出光效率的物理原理.从GaN基LED不同光子晶体的结构、晶格常数和高度等参数的影响出发,通过几种新型光子晶体发光二级管的介绍,总结了近年来利用光子晶体提高LED出光效率所取得的研究进展.     

Fabrication of Efficient Light-Emitting Diodes With a Self-Assembled Photonic Crystal Array of Polystyrene Nanoparticles

A low-cost method of fabricating large photonic crystal arrays of hexagonal posts without the use of lithography is described, along with an application of enhancing light extraction efficiency in semiconductor light-emitting diodes (LEDs). Polystyrene spheres are deposited onto a wafer surface and then processed to achieve control over photonic crystal lattice properties in a method suitable for fast and repeatable patterning. The spheres serve as an etch mask to extend the photonic crystal formed into the semiconductor surface. This technique is applied to LEDs to increase the top surface light extraction, and 51% wall plug enhancement is demonstrated in deep junction liquid phase epitaxially grown LEDs with absorbing substrates, though is adaptable to any substrate and photonic crystal dimensions.     

Enhancing extraction efficiency from GaN-based LED by using an omni-directional reflector and photonic crystal

To enhance the light extraction efficiency of traditional light-emitting diodes（LEDs） by reducing the total internal reflection,an omni-directional reflector（ODR） and photonic crystal are adopted in the paper.The structures of photonic crystal and the ODR are designed by diffraction theory and finite difference time domain（FDTD） method.The photonic crystal is employed in the p-GaN layer and the ODR composed of TiO2/SiO2 is designed between the active region and substrate.The simulation results indicate that the light extraction of LEDs can be enhanced by 11.6 times,and the external quantum efficiency of LEDs will be effectively improved.     

金属光栅提高蓝光LED提取效率的研究

为了提高发光二极管(LED)的光提取效率，并比较不同光栅形状对LED光提取效率的影响，采用严格耦合波法优化了与矩形、等腰三角形、等腰梯形光栅分别集成的倒装LED，使它们出光面透射率达到最优，随后使用有限时域差分法模拟计算它们的光提取效率。经过模拟计算和理论分析可得3种不同结构LED最优光栅参量(光栅占空比f、光栅周期p、光栅厚度h)和过渡层厚度d分别是:f=0.35, p=150nm, h=80nm, d=190nm; f=0.45, p=175nm, h=80nm, d=190nm; f=0.7, p=150nm, h=80nm, d=190nm。结果表明，3种最优的LED结构在波长0.4μm~0.5μm范围内，矩形光栅倒装LED和等腰三角形光栅倒装LED出光面透射率相同，等腰梯形光栅倒装LED出光面透射率最低; 由于光透射率最低，导致等腰梯形光栅倒装LED光提取效率较低，最高仅为58.07%，但是由于等腰三角形光栅倒装LED特殊的光栅形状加上高的光透射率，其光提取效率可以达到77.75%。此研究可以为制备高光提取效率LED提供理论方法指导。     

高出光率GaN基光子晶体LED的研究进展

在LED上制作光子晶体结构将会提高LED的出光效率,这使得LED应用范围更广.主要从不同的光子晶体加工工艺出发,总结近年来GaN基光子晶体LED的研究进展,介绍新的工艺和实验结果.通过比较发现,利用光子晶体的光子禁带效应和光栅衍射原理,都能够提高LED的出光效率,但需要和光子晶体的结构参数以及相应的加工工艺相结合,使出光效率和光场能流密度有大幅度的提高,从而实现LED出光效率的提高,使LED取代白炽灯等光源应用于生活照明成为可能.     

利用光子晶体提高InP基LED出光效率

应用FDTD方法计算了二维无限大光子晶体的能带结构,并制备出了InP基二维平板结构的光子晶体器件.在制备过程中尝试了仅用PMMA做掩模以及PMMA和SiO2做掩模两种方法.结果表明,不使用SiO2做掩模的情况下,由于PMMA胶选择性较差,在刻蚀过程中难以保证图形的准确转移.而增加SiO2掩模后,获得了图形质量良好的光子晶体结构.成功实现了利用光子晶体结构增强LED的出光效率,与未制作光子晶体结构的LED相比,光子晶体结构LED的出光效率可在原来基础上提高1倍以上.并且随着晶格常数的增加,出光效率进一步提高.     

基于亚波长光栅理论的二维光子晶体的禁带特性研究

本文根据光子晶体自身的结构特点,提出适合于二维光子晶体的光栅组模型,从而利用光栅的矢量衍射理论来分析光子晶体的禁带结构。采用该方法,本文讨论了几类典型的二维光子晶体的禁带特性。     

Theoretical Investigation of the Radiation Pattern From LEDs Incorporating Shallow Photonic Crystals

A theoretical approach based on coupled-mode theory is presented in order to determine the radiation pattern of LEDs incorporating a shallow photonic crystal. From this, a fundamental limit for the directionality of the diffraction of a single guided mode is given. Additionally, the Fabry-Perot resonances are shown to have significant impact on the directionality of diffracted light. For a realistic green-emitting InGaN LED in thin-film configuration the optimum reciprocal lattice vector is derived in terms of absolute diffracted intensity and directionality within a limited acceptance angle. The latter can be as high as 1.8 times the directionality of a Lambertian emitter. Furthermore, the spontaneous emission distribution between guided modes heavily influences the diffracted intensity.     

六棱柱单元周期纳米结构OLED光提取效率研究

有机发光二极管（0LED）的发光效率很大程度上受到器件中高折射率材料（ITO／有机物）对导波光能量的制约。通过使用时域有限差分（FDTD）法，对在OLED中的氧化铟与氧化锡复合透明阳极ITO结构上覆盖3种基本结构的三角排列SiNx六棱柱柱状光子晶体平板（PCS）的OLED结构进行了数值模拟，并对提高束缚于高折射率材料中的光提取效率效果进行了分析，给出了优化的几何参数及最合理的基本结构，为高性能OLED结构的设计提供设计依据。     

GaN基蓝光LED单偏振输出及高光提取效率的实现

为了提高倒装发光二极管（LED）光提取效率的同时实现单偏振光输出，建立了正装、倒装和集成金属亚波长光栅倒装LED 3种模型，采用RSOFT软件进行仿真对比及器件优化，并进行了理论分析和模拟验证。结果表明，倒装LED虽然可以提高光提取效率但对P-GaN层厚非常敏感，无法单偏振光输出；集成了金属亚波长光栅的倒装LED可以不受P-GaN层厚影响，实现单偏振光输出，但要输出稳定偏振光，受光栅参量和介质过渡层厚度影响非常显著；优化后的结构可以实现57.63%的光提取效率，偏振消光比达到25.8dB。该研究对制造高性能蓝光LED具有一定的指导作用。     

倾斜耦合的光栅耦合器研究进展

近年来,片上光子集成技术备受关注并飞速发展,但在光纤与芯片、芯片与芯片上实现高效、高可靠性的光耦合仍是难题。光栅因其制作简单,位置灵活,对准容差大及可实现片上测试等一系列优点而备受研究者的关注。目前在绝缘体上硅(SOI)平台和绝缘体上铌酸锂(LNOI)平台上已开发出大量的光栅耦合器件,并获得较高的耦合效率和大带宽。该文主要介绍光栅耦合器的工作原理和主要性能指标,阐述了均匀光栅、倾斜光栅、闪耀光栅和切趾光栅耦合的特点及现阶段进展,并对具有代表性的一维光栅性能指标进行了比较。结果表明,分布式布喇格反射镜和金属反射镜可有效地提升光栅耦合效率。此外,该文还介绍了基于LNOI平台的几种光栅耦合器,其可帮助研究者们梳理光栅耦合器的发展历程、研究现状及各耦合器的特点,为未来研究提供一定的参考。     

介电常数对比和填充率对光子晶体中光子禁带和局域态的调节

用有限时域差分法(FDTD)和Padé近似分析了二维光子晶体的能带结构和缺陷引起的局域态.针对介电常数对比和填充率对完整光子晶体中光子禁带以及缺陷态的影响作了研究.计算了不同缺陷的光子晶体模式的振荡频率和质量因子.数值模拟的结果表明通过改变介电参数对比和填充率可以实现对光子禁带的位置、宽度、数目以及对缺陷态的调整.     

双掺Mg：Fe：LN晶体中构造光子晶格的实验研究

为了提高光子晶格的衍射效率,加快晶格写入时间,尝试在掺Fe浓度相同的双掺Mg：Fe：LN晶体（ Fe：0.03 wt.%, Mg：2.0 mol）和Fe：LN晶体（ Fe：0.03 wt.%）中分别用λ为488 nm半导体激光器和532 nm Nd：YGA固体激光器写入一维光子晶格,对比研究了两晶体内光子晶格最大衍射效率η和时间t的关系。实验结果表明,在双掺Mg：Fe：LN晶体内写入光子晶格时间比Fe：LN晶体所需时间短、衍射效率高。     

Optical lattice transformation from 2D to 3D by holographic interference

The optical lattice transformation from 2 dimensions（2D） to 3 dimensions（3D） by holographic interference is studied.The 2D optical lattices can be formed by 3 noncoplanar beams,and in this paper by adding another three beams,a 3D interference lattice structure is obtained.The added beams and the original ones are mirror symmetry（by using a reflective mirror）.The simulation results show that the lattices become ellipsoids from 2D columns,which are periodic in the z direction.The calculations and numerical simulations provide a useful theoretical guide for fabricating 3D photonic crystals（PCs）.     

体布拉格光栅光谱滤波器特性研究

高透过率、窄光谱带宽、高抑制比的滤波器件是提升光学系统光谱纯度的核心部件，也是近年来新型光学器件领域研究的热门方向。传统的滤波器件不能够同时满足透过率、光谱带宽以及带外抑制的要求，而文中研究的体光栅作为一种新型的光栅，衍射效率大于90%，光谱带宽在100 pm左右，并且拥有一定的角度滤波特性。依据耦合波理论，理论仿真了各个光栅参数（光栅厚度、折射率调制度、光栅周期、光栅倾角）对光栅衍射效率及光谱带宽的影响，定量地给出了参数影响的大小，为体光栅的设计提供了理论指导。设计了体光栅测试系统，通过实验验证了体光栅的衍射效率、光谱带宽、角度选择性，实验结果与理论较为符合，为体光栅的实际应用提供了实验数据支持。     

二维聚合物分散液晶光子晶体的制备与研究

为了改善现有聚合物分散液晶(PDLC)光子晶体(PC)的制备方法和电光特性,利用532nm激光干涉条纹引发聚合物和液晶的混合物相分离,采用全息两次不等时曝光的方法,即第1次曝光完成后,将样品沿基板中心法线旋转60°进行第2次曝光,制备得到电可调谐的二维三角格子的PDLC-PC。实验结果表明,两次曝光的时间对聚合物和液晶的相分离程度影响很大,用偏光显微镜观察优化条件下制备得的二维PDLC-PC发现,聚合物和液晶在二维空间上呈规则的三角格子周期性分布。用波长为633nm的He-Ne激光器探测得到在未施加电压时不同晶格常数的PDLC-PC的衍射图样,并根据一级衍射的电光变化曲线,可以看到,其衍射效率可以利用电场进行有效的调节。     

原子介质中的近共振增益光栅

研究了一种N型四能级原子结构中的近共振增益光栅(NRGG)效应。结果表明,当耦合场的失谐值为0,探测场和调制场的失谐值接近于0时,利用调制场和耦合场可以调控探测场的增益和相位,使得探测场的能量和高阶衍射效率都得到显著提高。在这个过程中,调制场强度存在阈值。获得了具有增益高、衍射能力强和阈值可控的光栅,该光栅在全光开关、全光逻辑门和全光调制等应用中将会发挥较大的作用。     

辨向激光光栅测振仪的研究

文中讨论激光多普勒技术的双相检测辨向方法,计算了单周期矩形相位光栅的衍射光强分布,比较了光栅常数相同的矩形相位光栅和振幅光栅的衍射效率。实验研究了一种利用双相检测法辨向的、以单周期矩形相位光栅作光束结合器的激光光栅测振仪系统。介绍了仪器的工作原理和信号处理方法,给出部分实验结果,实验结果与理论分析相吻合。     

基于纳米球镜光刻的选区生长的光子晶体提高InGaN LED光提取效率的研究

We report a new method for the fabrication of two-dimensional photonic crystal(PhC) hole arrays to improve the light extraction of GaN-based light-emitting diodes(LEDs).The PhC structures were realized using nanospherical-lens photolithography and the selective-area epitaxy method,which ensured the electrical properties of the LEDs through leaving the p-GaN damage-free.At a current of 350 mA,the light output power of LEDs with PhC hole arrays of 450 nm and 600 nm in diameter with the same lattice period of 900 nm were enhanced by 49.3% and 72.2%,respectively,compared to LEDs without a PhC.Furthermore,the LEDs with PhC hole structures showed an obviously smaller divergent angle compared with conventional LEDs,which is consistent with the results of finite-difference time-domain simulation.     

无衍射分立光子晶格

在加压光折变掺铈铌酸锶钡(SBN)晶体中观察了由无衍射分立光束所产生的光子晶格。重点实验观察了三束光干涉和六束光干涉两种情况下所产生的光子晶格,并利用远场衍射图、布里渊区光谱图和傅里叶空间频谱图比较了这两种光子晶格的相同点和区别,并且进行了理论分析。结果表明由三束光干涉产生的光子晶格更均匀稳定。另外,又分别模拟了由四光束干涉、五光束干涉、七光束干涉、八光束干涉、九光束干涉和十光束干涉这几种情况下所获得的光子晶格的传输图。