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.     

光子晶体发光二极管光抽取效率及远场辐射特性的数值研究

运用三维时域有限差分法,研究了完美/缺陷光子晶体特定参量的改变对发光二极管光抽取效率影响,得出优化参量.基于近场远场转换,进一步分析了两种不同类型的缺陷引入及其周边空气孔半径的改变对光子晶体发光二极管远场辐射特性的影响.数值研究的结果表明,通过引入缺陷以及减小缺陷周围空气孔半径能够同时提高光子晶体发光二极管的光抽取效率和远场辐射方向性.     

光子晶体发光二极管光抽取效率及远场辐射特性的数值研究

运用三维时域有限差分法,研究了完美/缺陷光子晶体特定参量的改变对发光二极管光抽取效率影响,得出优化参量.基于近场远场转换,进一步分析了两种不同类型的缺陷引入及其周边空气孔半径的改变对光子晶体发光二极管远场辐射特性的影响.数值研究的结果表明,通过引入缺陷以及减小缺陷周围空气孔半径能够同时提高光子晶体发光二极管的光抽取效率和远场辐射方向性.     

半径位置微扰对形状不同的空气孔结构二维光子晶体波导透射的影响

分析了不同空气孔形状的光子晶体受位置和半径微扰对于透射的影响,包括圆形,方形与椭圆形.仿真结果发现及形状相同微扰程度下,通过比较透射平坦带宽部分的分析得到透射率对位置微扰更加敏感.慢光区域正方形空气孔对于位置微扰表现较好,圆形空气孔对于半径微扰更稳健.由于不同形状的空气孔光子晶体波导结构有各自的优势,因此研究微扰对透射...     

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。     

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     

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。     

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%.     

半径位置微扰对于不同光子晶体波导结构的影响

本文理论上分析了不同程度的位置半径微扰分别对于二维三角晶格不同空气孔形状的光子晶体波导结构透射率性能的影响。主要关注三个区域,低频带隙边缘,高频带隙边缘以及导模交叉点;三种空气孔形状,圆形,方形,椭圆形。仿真结果显示微扰对于交叉点影响最为严重。随着微扰程度变大,高低频边缘平坦的透射率区域逐渐变窄。相同形状相同微扰程度下,透射率对位置微扰更加敏感。不同形状比较发现,慢光区域正方空气孔对于位置微扰更稳健,圆形空气孔对于半径微扰更稳健。这对于光子晶体制作和实验过程中不可避免的位置和半径的随机微扰具有理论指导意义。     

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。     

Two-color light-emitting diodes with polarization-sensitive high extraction efficiency based on graphene

In the present study, graphene photonic crystals are employed to enhance the light extraction efficiency(LEE) of two-color, red and blue, light-emitting diode(LED). The transmission characteristics of one-dimensional(1D) Fibonacci graphene photonic crystal LED(FGPC-LED) are investigated by using the transfer matrix method and the scaling study is presented. We analyzed the influence of period, thickness, and permittivity in the structure to enhance the LEE. The transmission spectrum of 1D FGPC has been optimized in detail. In addition, the effects of the angle of incidence and the state of polarization are investigated. As the main result, we found the optimum values of relevant parameters to enhance the extraction of red and blue light from an LED as well as provide perfect omnidirectional and high peak transmission filters for the TE and TM modes.     

纳米半球微镜阵列结构对GaN基LED光提取效率的影响

为了分析表面纳米半球微镜结构对GaN基发光二极管（LED)光提取效率的影响,利用时域有限差分法(FDTD)分别对GaN、ZnO、SiO2、聚苯乙烯组成的半球微镜结构进行了分析和比较,同时用模式分析方法从理论上对FDTD计算结果进行了进一步验证。研究发现,在亚波长范围,折射率较小的材料不利于导模与表面结构层的耦合,不会对光提取效率的提高产生明显影响。相比之下,折射率较大的材料会使更多的模式耦合到半球微镜阵列层,更有利于光提取效率的提高;当材料选定,纳米半球半径增加时,光提取效率也逐渐增加,优化后半径为600 nm的半球微镜阵列结构GaN基LED,其光提取效率比没有结构的普通平板LED增强5.66倍,在以上波导材料结构中最为优化。在此基础上,通过等效折射率的计算得到半球微镜结构的等效折射率模型,并利用非对称平板模式分析的办法对以上得到的结论进行了分析和验证。这些结果对实际的高性能GaN基LED的设计与优化具有重要意义。     

Design and analysis of a wideband photonic crystal waveguide with low group-velocity and low dispersion

The slow light propagation in a line waveguide in the two-dimensional triangular photonic crystal has been numerically studied, based on which a wideband photonic crystal waveguide with low group-velocity and low dispersion is proposed. The numerical simulation analysis shows that it is possible to maximize the group index and minimize the group-velocity dispersion in wide bandwidth by increasing the radius of the basic air hole and changing the position of the first two rows of air holes in photonic crysta...     

Surface spherical crown arrays structure increases GaN-based LED efficiency

To increase the light extraction efficiency of GaN-based light-emitting diode (LED) with nano-spherical hexagonal arrays, the finite-difference time-domain method was used to optimize the structure parameters such as radius and height of GaN, $\text{ SiO}_{2}$ and ZnO spherical crown. The light extraction efficiency (LEE) of the GaN spherical crown hexagonal arrays with a radius of 473 nm and a height of 250 nm over the LED surface exhibited 5.7 times the enhancement compared with that of the planar LED, and better than the LEE of the same type of structures with other parameters.     

GaN基薄膜LED倒装芯片表面结构设计及光萃取效率研究

利用FDTD方法研究具有表面微纳结构氮化镓基倒装薄膜LED芯片的光萃取效率。通过优化表面结构并研究了器件的光萃取效率随p-Ga N层厚的变化。研究发现,具有表面光子晶体和六棱锥结构的器件的光萃取效率最大值比无表面微结构器件分别提高了56%和97%。尽管两种表面结构都能有效提高器件的光萃取效率,然而采用光子晶体的方案对p-Ga N厚度和腔长要求极为苛刻。采用六棱锥结构则不仅可以获得更高的光萃取效率,并且还将大大降低实验上材料外延生长及器件制备的难度。     

GaN基蓝光LED中光子晶体对提取效率及发光偏振态的影响

为了提高氮化镓基蓝光发光二极管的发光提取效率,在其电流扩展层上生长光子晶体.讨论了光子晶体结构周期、刻蚀深度和占空比参数与提取效率的关系,并采用时域有限差分法进行模拟计算.结果表明在晶格周期为300nm、占空比为60%和刻蚀深度为200nm的条件下,生长光子晶体结构后,氮化镓基蓝光发光二极管的提取效率提升了27.93%.研究了激励源在光子晶体晶格周期内位置变化对提取效率的影响,拟合得到更符合实际物理意义的氮化镓基蓝光发光二极管发光提取效率函数.利用等效折射率理论和法布里-珀罗薄膜干涉模型解释了氮化镓基蓝光发光二极管中TE模和TM模偏振之间提取效率的差异,数值仿真得到最大差异值为1.442倍,从而获得高偏振对比度光源.用该结构参数制备的发光二极管器件应用于液晶显示背光源,可提高液晶显示的能耗效率.     

顶端ZnO纳米结构对GaN基LED光提取效率的影响

为了提高GaN基蓝光LED的光提取效率,本文建立了LED顶面分别铺设ZnO纳米柱和纳米锥结构的两种模型,利用时域有限差分法对两种模型进行仿真并对结果进行了比较.仿真结果表明,ZnO纳米结构的各项几何结构参量(包括排列周期P、高度L、宽度W以及斜率k等),对LED顶端光提取效率影响显著.仿真分别得到了两种结构的最佳模型,通过比较,LED顶面纳米柱和纳米锥结构对光提取效率的提高效果相近,其最佳提取效率分别增强至无任何结构时的2.5倍和2.3倍.同时,通过对各项参量扫描获得的对光提取效率的变化曲线进行了分析,并给出了相应相应的理论解释.这些模型优化和理论分析对实际的高性能GaN基LED的设计制造有着指导意义.     

Wideband and low dispersion slow light in slotted photonic crystal waveguide

We present a procedure to generate wideband and low dispersion slow light in slotted photonic crystal waveguide. By shifting the first and second rows of air holes of slotted photonic crystal waveguide, the bandwidth of slow light can be increased, with small group velocity dispersion. Using 2D plane wave expansion method, we numerically demonstrate slow light with the nearly constant group indices of 23, 42, and 54 over 17.6 nm, 6.7 nm and 3.3 nm bandwidth, respectively. The maximal normalized delay-bandwidth product is 0.26. From the fabrication's point of review, shifting the position of holes is easier to be controlled technically than changing the diameters of air holes. In addition, our simulations suggest this design is tolerant to deviation for positions of the first two rows of air holes. Therefore, the proposed approach decreases the dependence on the fabrication accuracy.