二维光子晶体提高C波段LED出光效率的研究

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二维光子晶体滤波器的研究

二维光子晶体滤波器的研究
二维光子晶体滤波器是一种利用光子晶体结构实现光信号的滤波功能的器件。

光子晶体是一种具有周期性结构的材料，可以在特定的波段范围内形成能隙，使特定波长的光无法通过。

它与电子晶体类似，但其能隙在光学波段，因此被称为光子晶体。

二维光子晶体滤波器的研究是将二维光子晶体与滤波功能相结合，以实现对特定光波的选择性传输。

其基本原理是通过调整光子晶体的周期、折射率和几何结构来实现滤波功能。

具体地说，可以通过改变光子晶体的周期性结构以及材料的折射率来调节光子晶体的能隙位置和宽度，从而选择性地阻止特定波长的光穿过晶体。

在二维光子晶体滤波器的研究中，研究人员可以通过计算和模拟来优化晶体的结构参数，以实现特定波长的滤波效果。

他们还可以利用实验手段来制备具有特定结构的二维光子晶体，并通过光谱测试等方法来验证滤波性能。

研究人员还可以将二维光子晶体滤波器与光学器件相结合，如波导、光纤等，以构建更复杂的光学系统。

二维光子晶体滤波器的研究具有广泛的应用前景。

一方面，它可以用于光通信领域，实现对特定波长的光信号的选择性传输。

它还可以用于光谱分析、光学传感、光电子器件等领域。

与传统的光学滤波器相比，二维光子晶体滤波器具有更高的选择性、更小的尺寸和更大的灵活性，可以实现更复杂的滤波功能。

二维光子晶体滤波器的研究是一项重要且具有前景的研究领域。

通过调控光子晶体的周期性结构和材料的折射率，可以实现对特定波长的选择性传输，从而拓展了光学滤波器的应用范围。

随着科学技术的不断发展，相信二维光子晶体滤波器将在光学领域发挥越来越重要的作用。

二维光子晶体滤波器的研究

二维光子晶体滤波器的研究二维光子晶体滤波器是一种利用光子晶体结构来控制光子传输和光学性质的滤波器，它具有结构紧凑、高效率、可调谐性强等特点，因此在光学通信、传感器、光子集成电路等领域具有广泛的应用前景。

对二维光子晶体滤波器的研究成果将为光学器件的发展提供重要支持，有助于提高光子晶体滤波器的性能和拓展其应用范围。

二维光子晶体是一种具有周期性结构的光子晶体，由周期性排列的微纳米尺度的介质材料构成。

在光学波段，它表现出光子带隙效应，能够控制光子的传输和光学性质。

利用其优异的光学性质，可以设计出各种功能强大的滤波器。

目前，关于二维光子晶体滤波器的研究已经取得了一系列重要进展。

研究人员利用光子晶体结构的周期性和对称性，设计出了多种滤波器结构，如带隙滤波器、缺陷模式滤波器、表面等离激元滤波器等，实现了对不同波长的光信号的高效过滤和调控。

二维光子晶体滤波器在通信、光子集成电路和传感器等领域已经得到了广泛的应用。

现有的研究成果还存在一些问题和挑战，如在制备工艺、材料选择、性能优化等方面还有很大的提升空间。

二、二维光子晶体滤波器的研究内容和方法为了进一步提高二维光子晶体滤波器的性能，并拓展其应用范围，研究人员需要深入探讨以下几个方面的内容和方法：（一）结构设计和优化在二维光子晶体滤波器的研究中，结构设计和优化是一个重要的研究内容。

研究人员需要针对不同应用场景和需求，设计出满足特定功能要求的二维光子晶体滤波器结构，例如可以通过调整介质的周期、形状、大小等参数，来实现对不同波长光子的高效过滤和调控。

通过优化滤波器的结构，可以进一步提高其性能和稳定性。

（二）制备工艺和材料选择制备工艺和材料选择是影响二维光子晶体滤波器性能的重要因素。

研究人员需要探索各种制备工艺，如自组装、离子束刻蚀、溶液浸渍等，来实现对二维光子晶体的精确制备和控制。

在材料选择方面，需要寻找具有优异光学性能和稳定性的材料，以满足滤波器在不同环境和条件下的稳定工作。

二维光子晶体滤波器的研究

二维光子晶体滤波器的研究【摘要】本文研究了二维光子晶体滤波器，首先介绍了研究背景和研究意义。

随后详细解释了二维光子晶体的特点和光子晶体滤波器的原理，探讨了二维光子晶体滤波器的设计和性能优化方法。

最后探讨了该滤波器在各种应用领域中的潜在价值。

结尾总结了研究成果并展望了未来的发展方向。

本研究对光子晶体相关领域具有一定的指导意义，可以为相关研究提供参考和借鉴。

【关键词】二维光子晶体滤波器、研究背景、研究意义、二维光子晶体特点、光子晶体滤波器原理、设计、性能优化、应用领域、研究成果、未来展望1. 引言1.1 研究背景二维光子晶体是一种具有周期性结构的材料，在光学领域有着重要的应用价值。

随着光子晶体材料的研究不断深入，人们发现其在光子学中的潜在应用越来越广泛，其中包括光子晶体滤波器。

光子晶体滤波器是利用光子晶体的周期性结构对特定波长的光进行选择性透射或反射，从而实现光的波长选择性过滤。

目前，二维光子晶体滤波器的研究已经取得了一定的进展，但仍存在一些挑战和待解决的问题。

设计高效的二维光子晶体滤波器和实现其性能优化是当前研究的重点之一。

通过调控光子晶体的结构参数和材料性质，可以实现对光波长的精确调控和优化，从而提高滤波器的性能和应用效率。

二维光子晶体滤波器的研究具有重要的理论和实际意义，可以为光子学领域提供新的思路和方法。

通过深入研究光子晶体滤波器的原理和性能优化，将带来更多的应用领域和发展机遇，推动光子晶体材料在光学领域的广泛应用和进一步发展。

1.2 研究意义二维光子晶体滤波器可以实现对特定波长的光波进行精确的控制和过滤，从而在光信号传输和处理中起到重要作用。

其具有高度选择性的滤波特性，可以筛选出特定波长的光信号，有效地提高光学系统的信噪比和传输效率。

二维光子晶体滤波器具有结构简单、制备方法灵活等优点，可以根据具体需求设计不同波长和带宽的滤波器，为光学器件的性能优化提供了广阔的空间。

其在光学通信、光学成像等领域的广泛应用，对于推动光学技术的发展和应用具有积极意义。

二维光子晶体滤波器的研究

二维光子晶体滤波器的研究1. 二维光子晶体的制备与结构特性二维光子晶体是一种具有周期性结构的光学材料，其平面上的周期性结构可以由周期性的孔洞或柱状结构组成。

在光子晶体中，介电常数的周期性分布会导致特定波长的光在其中传播时发生布拉格衍射，从而产生光子禁带。

二维光子晶体与三维光子晶体相比，具有制备工艺简单、易于加工和尺寸较小的优势，因此在光子晶体滤波器等光学器件中有着广泛的应用前景。

制备二维光子晶体的方法主要包括自组装法、显微加工法和非线性光学加工法等。

自组装法通过表面张力、溶剂挥发、电泳等方法，在材料表面或溶液中自发形成二维光子晶体的周期结构；显微加工法利用光刻、离子束照射等微纳加工技术，直接在材料表面加工出具有周期性结构的光子晶体；非线性光学加工法则是利用激光等能量较高的光束对材料进行非线性光学作用，形成二维光子晶体的结构。

不同的制备方法会导致二维光子晶体在结构上有所差异，从而影响其在滤波器等光学器件中的性能表现。

2. 二维光子晶体滤波器的工作原理二维光子晶体滤波器利用光子晶体的布拉格衍射效应，调控特定波长范围内的光的传播过程，实现对光波长的选择性过滤。

当入射光波长与二维光子晶体的布拉格衍射条件相匹配时，光子晶体会对此波长的光产生全反射或透射，从而实现对光的选择性过滤。

利用这一原理，可以将特定波长范围内的光信号从复杂的光场中分离出来，从而在光通信、光传感等领域有着重要的应用价值。

3. 二维光子晶体滤波器的研究与应用近年来，二维光子晶体滤波器的研究逐渐受到了广泛的关注。

通过调控二维光子晶体的周期结构参数和材料的光学性质，可以实现对滤波器的工作波长范围、透射率和带宽等性能指标的优化。

通过调节二维光子晶体的周期结构参数和材料的折射率，可以实现滤波器的工作波长范围的调控；通过优化二维光子晶体的结构和材料的损耗特性，可以有效地提高滤波器的透射率和带宽。

这些研究成果为二维光子晶体滤波器的应用提供了重要的技术支持。

二维材料光电性能的研究

二维材料光电性能的研究二维材料是近年来在纳米科技领域备受瞩目的一种材料。

它是由原子或分子在垂直于某个平面方向上排列而形成的材料，具有特殊的物理和化学性质。

其中，光电性能是二维材料最受研究者关注的一个重要方面。

本文将探讨二维材料的光电性能以及相关研究，以深入了解这一激动人心的研究领域。

二维材料的光电性质是其作为光电器件材料的重要基础。

一些二维材料具有特殊的光吸收特性，可以在可见光和红外波段实现高效的光吸收，这使得它们广泛应用于太阳能电池、光电探测器等领域。

例如，石墨烯是一种著名的二维材料，具有优异的光电性能。

石墨烯的光电转换效率高，光吸收率达到了2.3%，几乎是其他材料的两倍。

这使得石墨烯在太阳能电池等领域有着巨大的应用潜力。

除了石墨烯，许多其他二维材料也展现出了优异的光电性能。

例如，过渡金属二硫化物(MoS2)是一种具有带隙的半导体，具有很高的光吸收率。

它的光吸收能力与波长有关，对可见光和紫外线辐射敏感，在光电探测器和光伏器件的应用中显示出潜力。

此外，黑磷和硒化硒等二维材料也显示出杰出的光电特性，这些材料在光电转换领域具有广泛的应用前景。

了解和改变二维材料的光电性能是相关研究的核心内容。

研究者采用多种方法来实现对光电性能的调控。

一种常用的方法是通过外界光照改变材料的光电响应。

通过研究二维材料的吸收光谱、荧光光谱等信息，可以了解材料对光的响应机理，并通过光照对材料的电学性能进行调节。

另外，基于二维材料的异质结构也是实现光电性能调控的一种有效途径。

二维材料可以与其他材料形成异质结构，如二维材料与金属纳米颗粒的复合结构。

这样的复合结构在光电转换器件中具有广泛的应用，可以通过调整二维材料和金属纳米颗粒之间的界面能级，实现对光电性能的调节。

此外，研究者还通过改变二维材料的组分和结构来实现对光电性能的调控。

例如，通过掺杂和合金化，可以改变材料的能带结构，从而实现对光电性能的调节。

同时，对二维材料的缺陷工程也是改变材料光电性能的有效手段。

全息技术制作二维光子晶体蓝宝石衬底提高发光二极管外量子效率_.

第58卷第2期2009年2月1000 3290 2009 58(02 0959 05物理学报AC TA PHYSIC A SINICAVol. 58, No. 2, February, 20092009Chin. Phys. Soc.全息技术制作二维光子晶体蓝宝石衬底*提高发光二极管外量子效率林瀚刘守张向苏刘宝林任雪畅(厦门大学物理系, 厦门 361005(2008年5月9日收到; 2008年6月6日收到修改稿为了提高GaN 基发光二极管(LED 的外量子效率, 在蓝宝石衬底制作了二维光子晶体. 衬底上的二维光子晶体结构采用激光全息技术和感应耦合等离子体(ICP 干法刻蚀技术制作, 然后采用金属氧化物化学气相沉积(MOC VD 技术在图形蓝宝石衬底(PSS 上生长2 m 厚的n 型GaN 层, 4层量子阱和200nm 厚的p 型GaN 层, 形成LED 结构. 衬底上制作的二维光子晶体为六角晶格结构, 晶格常数为3 8 m, 刻蚀深度为800nm. LED 器件光强输出测试结果显示, 在PSS 上制作的LED(PSS LED 的发光强度普遍高于蓝宝石平面衬底上的LED, 平均强度提高了100%.在PSS 和蓝宝石平面衬底上GaN 层的(0002 晶面采用X 射线测得的衍射摇摆曲线显示, PSS 上的GaN 晶体质量并没有提高, 表明PSS LED 外量子效率显著提高的原因不是由于内量子效率的提高, 而可能是由于二维光子晶体产生的散射作用导致提取效率的提高所致.关键词:全息, 发光二极管, 图形蓝宝石衬底, 外量子效率PACC :4240M , 7860F, 7850G部分光在界面被反射回来, 形成波导光被困在器件1 引言内部, 经过多次反射最终被半导体吸收, 转化为热能. 这不但造成了能量的大量损耗, 而且由于LED 经常工作在高温状态, 使LED 的使用寿命缩短. 在LED 中制作二维光子晶体结构来提高LED 的外量子效率是近年来的研究重点之一. 目前采取的方法[2, 3]主要有以下三种:一是在p 型Ga N 材料或铟锡[4]氧化物(ITO 层表面制作二维结构来提高器件的光提取效率; 二是在蓝宝石衬底的底面制作类似透[5]镜阵列的结构来提高LED 底面的光提取效率; 三是在蓝宝石衬底制作二维结构, 然后生长GaN 材料[6]制作成LED 器件. 研究表明, 第三种方法同时具[7]有提高内量子效率和提取效率的效果. 在第三种方法中, 衬底图形的制作大多采用半导体工艺的光刻法, 先将图形制作在衬底表面的遮挡层上, 然后用[8][9]干刻法或湿刻法将图形转移到蓝宝石衬底上. 采用光刻曝光的方法必须先制作光刻掩模版, 而一块光刻掩模版只能对应一个周期的结构, 不利于不同周期的衬底结构制作. 此外, 光刻工艺分辨率比较低, 不利于小周期图形的制作.目前, 发光二级管(LED 由于其节能、环保、长寿命的特性引起了人们的广泛关注, 是未来社会所需要的新型照明光源. 其中, GaN 基LED 作为蓝光照明材料, 其优势尤其明显:GaN 基LED 不但可以作为白光LED 的激发光源, 而且可以作为液晶显示的背光源、大幅广告和夜景光源等. 但是, 目前GaN 基LED 因亮度太低还无法广泛应用, 其主要根源是器件的内量子效率和光提取效率很低, 导致外量子效率低. 其很低的内量子效率是由于GaN 材料目前无法找到适配的衬底进行生长, 其与蓝宝石衬底的晶格失配为14%, 所以长成的Ga N 材料缺陷较多, 缺陷密度较大. 当电流注入的时候, 线缺陷吸收了部分电流而不能有效产生载流子, 使注入效率下降. 同时, 产生的载流子在缺陷能级无辐射复合, 而且载流子复合生成的光能容易被缺陷吸收, 产生热量. 光提取效率低主要是由于LED 材料与外界材料的折射率相差很大, 存在界面全反射作用. LED 发射的大*福建省青年人才创新项目(批准号:2007F3099 资助的课题. E xmu. cn[1]960物理学报58卷本研究采用全息技术代替光刻法在蓝宝石衬底上制作二维光子晶体图形. 所采用的全息技术具有光学系统简单、制作过程快速、能用一次曝光制作大面积光子晶体图形等优点. 此外, 还能靠调整光路参数来实现不同周期图形的制作, 具有很强的实用性和很低的结构制作成本. 实验中采用全息曝光加感应耦合等离子体(ICP 刻蚀技术在蓝宝石衬底上制作二维光子晶体结构. 所制作的光子晶体为六角晶格结构, 晶格常数为3 8 m, 在衬底中的刻蚀深度为800nm. 在图形蓝宝石衬底(PSS 上采用金属氧化物化学气相沉积(MOCVD法制作GaN 基蓝光LED 器件. 器件输出测试结果显示, 在PSS 上制作的LED (PSS LED 的发光强度普遍高于蓝宝石平面衬底上的LED, 平均亮度提高了100%.GaN 的(0002 晶面X 射线衍射摇摆曲线显示, 在PSS 上生长的GaN 晶体的质量没有提高. 器件外量子效率提高的原因可能是由于二维结构产生的散射作用导致提取效率的提高.形成二维六角晶格图形. 图形的晶格常数D 取决于三束衍射光相对于系统光轴的夹角 , 可表示为D =3sin arccos 1- 222, (1式中为光栅的一级衍射角. 众所周知, 光栅的衍射角由光栅周期决定, 所以只要控制HOE 上光栅的周期, 即可获得所需晶格常数的二维六角晶格图形. 因此采用图1所示的光学系统, 可以很容易地制作不同周期的二维图形. 此外, HOE 上光栅的面积决定了一次曝光所制作的二维结构的面积, 所以面积为几个平方英寸的二维图形可以用一次曝光获得. 这十分有利于实现工业化的低成本、大批量制作.2 实验图1 在光刻胶上制作二维图形的全息光学系统示意图2 1 蓝宝石图形衬底的制作首先在蓝宝石衬底上用甩胶机涂布一层厚度大约为2 8 m 的美国产AZ500型正性光刻胶, 然后采用图1所示的全息光学系统在光刻胶上曝光, 制作光子晶体图形. 采用的光源是He Cd 激光器发出的波长为442nm 的激光. 激光束经过扩束滤波器扩束后, 再经过准直透镜形成平行光照射在全息光学元件(HOE上. HOE 是由三个两两夹角为120 并具有相同周期的光栅组成, 三个光栅的一级衍射光相互干涉将涂有光刻胶的蓝宝石衬底放在三束光的干涉区域中, 衬底平面与系统光轴相垂直, 衬底的解理面与二维晶格图形的一组晶列方向成30 角. 由于GaN 晶体的解理面与蓝宝石衬底的解理面相差30 , 因此所制作的光子晶体的一组晶列与GaN 晶体的解理面方向相同. 实验中所用的样品为半圆形衬底, 即2英2. 曝光时采用遮挡方直径的蓝宝石衬底片的1式只让一部分衬底受到曝光, 这样可以在同一片衬图2 PSS 的显微照片(结构晶格常数为3 8 m, 刻蚀深度800nm (a PSS 的光学显微镜照片, (b PSS 的A FM 照片2期林瀚等:全息技术制作二维光子晶体蓝宝石衬底提高发光二极管外量子效率961底上制作两种LED(PSS LED 和普通LE D , 方便进行比较. 曝光以后的衬底经过显影, 在光刻胶上产生二维六角光子晶体结构, 晶格常数为3 8 m. 结构晶格格点的位置为空气圆孔, 圆孔穿透整个胶层. 然后对衬底进行ICP 刻蚀, 刻蚀深度为800nm. 图2是PSS 的显微照片, 其中图2(a 是光学显微镜拍摄的, 显示PSS 上的结构均匀; 图2(b 是在15 m 15 m 面积上获取的原子力显微镜(AFM 照片, 显示圆孔壁有倾斜, 圆孔直径随着深度增大而略变小. 2 2 GaN 基LED 的制作采用MOC VD 外延技术在PSS 上制作LED 器件:先生长一层厚度为2 m 的n 型GaN, 再生长4个周期的InGaN GaN 量子阱结构, 最后生长厚度约为200nm 的p 型GaN 层. 外延生长完后,采用通常域为p 电极. 由于在衬底上生长的外延层很薄, 从器件表明仍可以看到制作在衬底上的图形结构. 图4是整个器件的截面示意图.3 实验结果及分析发光强度分布测试表明:在20m A 注入电流下, PSS LED 的发光强度普遍远高于未制作结构区域的普通LED 的发光强度. PSS LED 的最高发光强度为65mcd, 而普通LED 的最高发光强度为50mcd, 最高发光强度相比提高了30%.将芯片中所有PSS LED 的平均亮度(55mcd 与所有普通LED 的平均亮度(27mcd 比较, 可得PSS LE D 的平均亮度提高了100%.分别在样片的PSS 区域和未做结构的区域取一个中等亮度的LED 进行! 发光强度电流∀曲线测试, 得到的结果示于图5. 图中三角形代表衬底未做结构的LED, 圆点代表PSS LED. 图5表明, 在不同的注入电流下, PSS LED 的发光强度都远高于普通LED.图3 制作完成的单个LED 器件的光学显微镜照片两个白色区域分别为两个电极图5 LED 光输出相对注入电流的变化曲线LED 的发光强度提高, 表明LE D 的外量子效率提高了. LED 的外量子效率取决于LED 的内量子效率和光提取效率, 并存在以下关系:! ext =! int ! lee ,(2图4 PSS LED 的截面示意图其中! ext , ! int 和! lee 分别为外量子效率、内量子效率和光提取效率. 从(2 式可知, LED 内量子效率或提取效率的提高都会导致PSS LED 外量子效率的提高. 为了分析本实验获得PSS LED 外量子效率提高的原因, 我们首先检测PSS 上的GaN 晶体质量是否有改变, 如果晶体质量提高了, 则表明内量子效率有提高. 检测方法是采用X 射线双晶衍射仪来获取(的半导体光刻法刻出电极台面, 然后在p 型Ga N 上采用真空镀膜方法制作一层250nm 厚的I TO 层作为电流扩展层, 再制作上p 电极和n 电极, 整个器件就制作完成. 图3是单个LED 的光学显微镜照片,,962物理学报58卷(FWHM , 以了解其位错情况是否有改善.图6是在室温下对GaN 晶体(0002 面测得的X 射线衍射摇摆曲线, 图中实线代表生长在PSS 上的GaN 晶体, 虚线代表生长在平面衬底的Ga N 晶体. 二条曲线显示生长在PSS 上的GaN 晶体的半峰全宽为256arcsec, 而生长在平面衬底上的GaN 晶体的半峰全宽为232arcsec. 两种GaN 晶体的半峰全宽十分接近, 证明生长在PSS 上的GaN 晶体的质量没有提高. 由此可以得出结论, 实验中所获得的PSS LED 外量子效率的提高不太可能是由于内量子效率的提高所致, 而可能是光提取效率的提高所致.值才会对波导光产生衍射. 光栅周期最大值d max 为d max =,n 1sin ∀-n 2(3其中n 1是GaN 的折射率, n 2是蓝宝石衬底的折射率, ∀为波导光入射到界面的角度(∀∃∀TI R , 为光波长. 利用(3 式计算得知, 我们在衬底制作的结构(d =3 m 只对入射角在52 4 %59 之间的波导光起衍射作用. 所以PSS 结构对波导光产生衍射导致提取效率提高的作用不明显.基于以上分析, 本实验获得明显外量子效率提高的原因很可能是由于PSS 中的二维结构对光产生的散射作用, 使原来被! n 型Ga N 衬底∀界面限制的波导光改变了传播角度, 使得其中一部分可以从LED 表面射出, 提高了LED 的提取效率.4 结论本研究在蓝宝石衬底上采用全息技术和ICP 刻蚀法制作了晶格常数为3 8 m 、深度为800nm 的二维六角晶格结构, 并采用MOCVD 法在PSS 上制作了蓝光GaN 基LE D. 输出测试显示, 在20mA 注入电流下, PSS 区域的LED 平均发光强度比普通LED 区图6 在PSS 上生长的GaN 晶体和在无结构衬底上生长的GaN 晶体在(0002 面的X 射线摇摆曲线域的平均发光强度提高了一倍. X 射线衍射分析表明, PSS 上的Ga N 晶体的质量没有提高, 意味着本实验制作的PSS LED 的外量子效率的提高不是由于内量子效率的提高, 而有可能是由于衬底结构对光产生散射, 导致提取效率的提高. 采用全息光学系统可以仅用一次曝光在蓝宝石衬底上制作大面积二维晶格结构, 并可方便地改变晶格常数, 有利于大批量低成本的工业化生产.本实验只在蓝宝石衬底制作了一种二维结构, 寻找更佳的结构周期、深度和形状, 有可能进一步提高LED 的外量子效率.作者感谢厦门三安光电股份有限公司帮助进行衬底ICP 刻蚀、电极制作和输出测试.二维六角晶格结构可以看作是由三组相隔120 的相同光栅构成, 光栅周期d 与晶格常数D 的关系[10]为d =D #sin60 . 本实验中PSS 结构的晶格常数为3 8 m, 所以相当于有三组周期为3 m 的光栅. 对于普通LED, 从有源区发出的光到达! n 型GaN 衬底∀界面时,由于GaN 的折射率(n 1=2 4 大于蓝宝石的折射率(n 2=1 76 , 入射角大于全反射角(∀TIR =52 4 的光在! n 型GaN 衬底∀界面被反射回来, 形成波导光. PSS 上的结构有可能对光产生散射或衍射作用, 从而改变光的传播角度, 使波导光射出LED. 从衍射理论可知, 光栅周期必须小于某一最大[1][2][3]Kang J Y, Huang Q S, Ogawa T 1999Acta Phys . Sin . 481372(i n Chinese [康俊勇、黄启圣、小川智哉1999物理学报481372]Ryu H Y, Lee Y H, Sellin R L, Bimberg D 2001Appl . Phys . L e tt . 793573Li Y, Zheng R S, Feng Y C, Liu S H, Niu H B 2006Chin . Phys . [4][5][6]Lin H, Zhang X S, Liu S, Ren X C 2008Proc . SPIE 6832683203Khiz ar M , Fan Z Y, Kim K H, Lin J Y, Jiang H X 2005Appl . Phys . Lett . 86173504Yamada M , Mitani T, Narukawa Y, Shi oji S, Niki I, Sonobe S, Deguchi K, Sano M, Mukai T 2002J . Appl . Phys . 41L1431Cuong T S, Ki m H G, C H, E K, Cho H K,2期林瀚等:全息技术制作二维光子晶体蓝宝石衬底提高发光二极管外量子效率Kong B H 2007Appl . Phys . Lett . 90131107[9][10]963Lee Y J, Hwang J M , Hs u T C, Hsieh M H, Jou M J, Lee B J, Lu T C, Kuo H C, Wang S C 2006IEEE Photon . Tec hnol . Lett . 181152Zhang X S, Liu S, Ren X C2006Proc . SPIE 6352635230[8]Wang W K, Wuu D S, Lin S H, Han P, Horng R H, Hs u T C, Huo D C, Jou M J, Yu Y H, Lin A 2005IEEE J . Quantum Electron . 411403Enhanced external quantum efficiency of light emitting diodes by fabricating two dimensional photon ic crystal sapphiresubstrate with holographic technique *Lin Han Liu Shou Zhang Xiang Su Liu Bao Lin Ren Xue Chang(Department o f Ph ysics , Xia men U ni ve rsit y , Xia me n 361005, Chin a (Received 9May 2008; revi sed manu scri pt received 6J une 2008AbstractI nvestigation in fabricating two dimensional (2D photonic crystal (PC on sapphire substrates for enhancing external efficienc y of Ga N based light e mitting diodes (LEDs is presented. 2D PC was fabricated on a sapphire substrate using holographic lithography and induc tively c oupled plasma (I CP dry etching. LEDs with 2 m thick n GaN laye r, four pairs of InGaN Ga N quantum well structures and 200nm thick p Ga N la yer were grown on the patterned sapphire substrate (PSS by metal or ganic chemic al vapor deposition (MOCVD. The PC fabricated on PSS has 2D hexagonal lattice pa ttern, with 3 8 m latt ice constant and 800nm depth. LED output measurement sho ws 100%inc rease in the average luminous intensity of PSS LEDs c ompared with tha t of conventioanl LEDs. The measured X ray rocking c urves of (0002 diffrac tion for GaN layers grown on patterned and non pa tterned sapphire substrate s indic ate that the quality of Ga N crystal grown on PSS is not improved, whic h implies that the large enhancement of exte rnal quantum e fficienc y of PSS LED is not c aused by the increase in inte rnal efficiencybut possibly by the inc rease in extraction efficie ncy, which results fro m the scattering of the PSS. Keywords :holography, light emitt ing diodes, patterned sapphire substrate, external quantum efficiency PACC :4240M, 7860F, 7850G*Project supported by the Program of Youth Scienti fic Innovation Talents of Fujian Province, Chi na (Grant No. 2007F3099 . E mail:hanlin@xmu. edu. cn。

二维光子晶体及波导器件的设计及制作研究的开题报告

二维光子晶体及波导器件的设计及制作研究的开题报告一、研究背景近年来，随着信息技术的不断发展，光电子技术也得到了进一步的发展。

光子晶体作为新型的光子学材料，具有多层次结构、能带结构和禁带等特殊性质，在光学传感、光通信、光计算等领域具有广泛的应用前景。

其中二维光子晶体受到了广泛的关注，因为它具有较高的制备难度和优异的光学性能。

二维光子晶体中的波导器件是其中的一个重要的应用。

以二维光子晶体为基底材料制作的波导器件与常规的波导器件相比，具有更好的光学性能，如低损耗、低色散、高灵敏度等，在光路引导、能量传输等方面具有更好的表现。

因此，研究二维光子晶体中的波导器件制备和性能是非常必要和具有重要意义的。

二、研究目的和意义本研究的主要目的是通过设计和制备二维光子晶体及其波导器件，探究其光电学性能和特性，并通过对波导器件性能的改善，进一步提高其在光通信、光计算等领域的应用。

主要意义有：1. 探究二维光子晶体材料的制备工艺和性能，为光通信、光计算等应用领域提供更好的光学材料；2. 研究二维光子晶体中的波导器件性能，为波导器件在光通信、光计算等领域的应用提供技术支持和理论依据；3. 提高我国在光电子技术领域的研究水平和技术实力。

三、研究内容和技术路线本研究的主要内容包括二维光子晶体的制备、波导设计和制备、性能测试等方面。

具体技术路线如下：1. 制备二维光子晶体材料，包括表面辅助制备法、自组装法等；2. 采用有限元法设计并制备二维光子晶体中的波导器件，包括基于点缺陷的波导、基于线缺陷的波导等；3. 对波导器件进行性能测试，包括频率响应、传输特性、色散特性等，分析波导器件在应用中的适用性和优越性；4. 结合MEEP（一种Maxwell's Equations Solver），分析波导的结构特性以及波导中的传输性能和损耗。

四、研究进度安排本研究计划分三个阶段进行，具体进度安排如下：第一阶段（6个月）：研究二维光子晶体的制备方法和表面晶体制备法；第二阶段（8个月）：根据有限元法设计二维光子晶体中的波导器件，并采用自己搭建的光子晶体器件装备制备波导器件；第三阶段（10个月）：测试波导器件的性能，并结合MEEP分析波导的结构特性以及波导中的传输性能和损耗。

光子晶体提高GaN基LED出光效率的研究进展

光子晶体是一种折射率在光波长的尺度上成周期分布的结构材料, 它不仅能用来大幅度提高 LED 的出光效率, 而且还能很好地控制器件的空间发光分布, 用于投影显示器、背光模组及汽车头灯等对光强分布有特殊需求的光源。本文对近年来不同光子晶体结构及其制备方法进行了总结, 对提高 LED 取光效率的物理机理进行了阐述, 并结合一些实例对几种新型光子晶体发光二级管进行了分析和讨论。
LI Tianbao, LIAN G Jian, XU Bingshe
( College of Mater ials Science and Engineer ing, Taiyuan Univer sity of Technology, Taiyua n 030024, CHN)
Abstr act: P hotonic cr yst als ( PCs) have at t ract ed much at t ent ion during t he last decade as a solut ion t o overcome t he low extr act ion efficiency of as2grown light2emit t ing diodes ( LEDs) . In this review, t he underlying physics mechanism for enhancing the extr act ion efficiency of GaN2 based LEDs by using t he PCs str ucture is descr ibed. Based on analyzing t he par amet ers of different st ruct ur es, lat tice const ants and highness of various PCs, several novel PC LEDs are int roduced and progresses obt ained in t hese decades are present ed.

二维光子晶体滤波器的研究

二维光子晶体滤波器的研究
二维光子晶体滤波器是指光子晶体结构在两个维度上形成周期性的排列。

与一维光子
晶体相比，二维光子晶体滤波器的滤波效果更加优越。

二维光子晶体滤波器的结构多样化，可以根据不同的应用需求进行设计。

研究表明，二维光子晶体滤波器的性能与其结构参数密切相关。

通过调整光子晶体的
晶格常数、材料折射率和孔洞形状等参数，可以实现对不同波长的光的选择性传输。

采用
不同的制备工艺，如光刻、干蚀刻等也能对光子晶体滤波器的性能进行调控。

目前，研究人员在二维光子晶体滤波器的设计和制备方面取得了一系列的突破。

一些
研究通过设计具有“L形”结构的二维光子晶体滤波器，实现了对特定频率的光的高度选
择性传输。

另一些研究则通过制备具有独特孔洞形状的二维光子晶体滤波器，获得了更加
优异的滤波性能。

除了滤波性能的研究，二维光子晶体滤波器的耦合效应也是一个重要的研究方向。

在
光子晶体中，不同波长的光在传输过程中可能发生耦合，导致滤波器的性能受到影响。

研
究人员需要进一步探索如何通过调控光子晶体的结构，减弱耦合效应，提高滤波器的性
能。

二维光子晶体滤波器的研究具有重要的理论和实际意义。

随着技术的不断进步，相信
二维光子晶体滤波器在光通信、光子集成电路等领域将得到更加广泛的应用。

二维光子晶体滤波器的研究

二维光子晶体滤波器的研究二维光子晶体滤波器是一种应用于光信号处理领域的新型光学器件。

它利用二维光子晶体的周期性结构和特殊的光学性质，对光信号进行选择性地筛选和调控，实现滤波功能。

近年来，二维光子晶体滤波器在通信、传感和光谱分析等领域得到了广泛的研究和应用。

二维光子晶体是一种具有周期性结构的材料，通常由周期排列的微米级或纳米级的球形颗粒构成。

它们的周期性结构可以引导和调控光的传播行为，产生一些特殊的光学效应。

二维光子晶体的周期性结构可以用来解决传统光学器件中存在的一些问题，例如：传统的光学滤波器存在着色散问题，无法同时实现高效率和高分辨率的滤波效果。

而二维光子晶体滤波器由于其周期性结构和光学性质的特殊性，可以有效地解决这些问题。

二维光子晶体滤波器的工作原理主要基于二维光子晶体中的布拉格散射。

当入射光与二维光子晶体中的周期结构发生相互作用时，会发生布拉格散射现象。

根据入射光的波长和二维光子晶体的周期，可以选择性地引导和调控光的传播，使特定波长的光被滤波器选择性地反射或透射。

二维光子晶体滤波器在光通信、生物传感和光学传感领域等方面具有广泛的应用前景。

利用二维光子晶体滤波器可以有效地抑制光信号中的杂散光和噪声，提高光传输的质量和效率；可以用于生物材料的光谱分析和检测，实现快速、高灵敏度的生物传感器；还可以用于设计新型的光学传感器和光学器件，实现更高级和更复杂的功能。

二维光子晶体滤波器是一种非常有潜力的光学器件，具有广泛的研究和应用前景。

随着材料科学和光学技术的不断发展，相信二维光子晶体滤波器将会在光信号处理领域发挥越来越重要的作用。

利用光子晶体提高InP基LED出光效率

第27卷　第5期2006年5月半　导　体　学　报C HIN ES E J OU RNAL O F S EM ICOND U C TO RSVol.27　No.5May ,20063国家高技术研究发展计划(批准号:2003AA 311020)和国家自然科学基金(批准号:60345008,60377011)资助项目通信作者.Email :duwei @se 2005208222收到,2005210211定稿Ζ2006中国电子学会利用光子晶体提高InP 基L ED 出光效率3杜　伟许兴胜　孙增辉　鲁　琳　高俊华　赵致民　王春霞　陈弘达(中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点联合实验室,北京　100083)摘要: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SiO 2做掩模两种方法.结果表明,不使用SiO 2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SiO 2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L ED 的出光效率,与未制作光子晶体结构的L ED 相比,光子晶体结构L ED 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.关键词:光子晶体;电子束曝光;反应离子束刻蚀;L ED 出光效率PACC :4270Q中图分类号:TN 248.4 文献标识码:A 文章编号:025324177(2006)05209212051　引言半导体发光二极管(L ED )在显示、照明和通信等领域有着广泛的应用前景.但在通常的发光器件中由于内全反射产生的传输模而导致出光效率受到很大的限制,近年来提出了很多改善L ED 出光效率的方法,如表面粗糙化、谐振腔法等,采用这些方法都观察到了不同程度的出光效率的提高.由于光子晶体中存在类似于半导体中的电子禁带的光子禁带,因此有望成为新一代的光半导体,近年来成为人们的研究热点[1].由于光子晶体中光子禁带的存在,使得某些特定频率的光子不能通过,这种特性可以用来实现多种具有优异特性的光电子器件,如光子晶体激光器、光子晶体大角度弯曲波导[2]等.最近Fa n 等人从理论上计算出可以利用光子晶体提高L ED 的出光效率.本文主要研究利用光子晶体的带隙结构提高L ED 的出光效率.利用时域有限差分法从理论上分析了晶格常数的改变对禁带位置变化的影响以及相应的对L ED 出光效率的影响,利用半导体工艺的方法制备出了光子晶体结构,从实验上验证了光子晶体提高L ED 出光效率的效果.2　光子晶体结构的理论分析和实验制作211　能带结构分析FD TD 方法主要用来计算时域上电磁波在光子晶体内部的传播和散射,通过分析同一时刻不同位置的电磁场分布情况,以及不同时刻同一位置的电磁场分布情况,实现了分析光子晶体内部电磁场传播过程的目的.利用FD TD 方法不仅能够分析光子晶体的能带结构,更可以获得同一时刻不同位置或者不同时刻同一位置电磁场分布情况[3].我们利用二维FD TD 方法获得了光子晶体的能带结构,同时也分析了改变晶格常数时光子晶体能带位置的变化情况.图1所示为a =600nm ,r/a =013时的二维无限大光子晶体T E 模的光子晶体能带结构图,从图中可以发现归一化频率范围为0121～0128的光子禁带,在此频率范围内光子态密度为零.计算还发现在TM 偏振模式的能带结构中没有出现禁带.图1　二维无限大光子晶体中TE 模的光子能带结构图Fig.1　2D infinite p hot onic crystal ba nd st ructure (TEmode )半　导　体　学　报第27卷2.2　光子晶体的微加工半导体材料上光子晶体结构的制作有多种方法,但与半导体工艺相兼容的加工工艺在实现光电子集成上具有优势.由于微加工技术的提高,使得像光子晶体这样微细结构的器件制作越来越精确.目前有多种加工光子晶体的方法,我们主要采用了利用电子束曝光(elect ron bea m lit hograp hy,EBL)生成图形,利用反应离子束刻蚀(R I E)转移图形的方法.首先尝试了仅采用PM MA胶做掩模,以直接将图形由胶转移到I n P材料上的方法制作光子晶体结构.利用EBL定义光子晶体图形.为了增大刻蚀工艺中掩模版与材料的选择性,显影后在高温环境中烘烤晶片2h以上,以使PM M A掩模更加坚硬.利用RI E系统直接刻蚀I n P材料.刻蚀中采用C H4 +H2+A r混合气体,刻蚀完成后的图形如图2所示.由图可见,由于PM MA掩模版的选择性较差,导致刻蚀之后的图形已经变形.按照理论设计和EBL定义的图形是在材料上形成空气孔的结构,刻蚀后的结果为锥形的材料柱,说明刻蚀过程中的侧蚀较为严重,使相邻的孔互相连通,形成了锥形的柱状结构.即使如此,该工艺下刻蚀得到的图形的均匀性仍然保持良好,由此也说明了通过优化工艺,提高掩模的选择性,能够得到需要的图形.图3所示为在以上工艺基础上增加SiO2做掩模,利用半导体微加工工艺制作光子晶体的典型步骤.图2　仅用PMMA做掩模,利用RI E直接刻蚀In P后的A FM照片　(a)RI E直接刻蚀In P后A FM观察到的二维图;(b)RI E直接刻蚀InP后A FM观察到的三维图Fig.2　A FM i mage of only use PMMA as mask　(a)2D A FM i mage of result af ter RI E;(b)3D A FM i mage of result af ter RIE图3　基于微加工工艺的光子晶体制作主要步骤Fig.3　Main p rocesses of f abrication of p hot onic crystal 首先采用P ECV D技术在材料上淀积SiO2,淀积温度300℃,薄膜厚度180n m;清洗后利用匀胶机在SiO2上涂覆200n m厚的PM MA胶;然后利用电子束曝光技术在PM M A胶上定义图形;曝光后,将芯片置入显影液中显影10s;取出清洗,然后放入恒温烤箱中150℃烘烤坚膜30mi n.利用反应离子刻蚀设备(RI E型号:M PI2500)将图形由PM MA中转移入SiO2,刻蚀过程中采用C F4+O2混合气体,氧229第5期杜　伟等:　利用光子晶体提高InP 基L ED 出光效率气体积百分比为5%.刻蚀前首先将反应室抽真空,然后充入混合气体,气体流量为80sccm ,保持气压113332Pa ,打开射频电源,射频功率设置为150W ,开始刻蚀过程.刻蚀后未去除PM MA ,利用原子力显微镜(A FM )观察到的图形示于图4.图形转入SiO 2层之后,即可利用SiO 2层作为新的掩模版刻蚀I n P 层.图4　RI E 刻蚀SiO 2后的正方晶格的光子晶体结构A FM 照片Fig.4　A FM image of result af ter RI E by using PM 2MA a nd SiO 2as mask图形转移到SiO 2中后,利用RI E 系统直接刻蚀I n P 材料.刻蚀中采用C H 4+H 2+A r 混合气体.刻蚀完成后的图形如图5所示.由图可见,增加SiO 2掩模后,利用RI E 刻蚀,在合适的工艺参数下可以制作出良好的光子晶体图形.图5　用SiO 2做掩模利用RI E 刻蚀InP 后的光子晶体图形Fig.5　Phot onic crystal image of result af ter RI E by using SiO 2as mask3　测试与分析由于目前实现的光子晶体L ED 大部分为基于光致发光的结构,测试方法和手段也集中于如何实现L ED 的激光泵浦.由于光子晶体L ED 中的微腔结构面积只有几十平方微米,甚至几平方微米,因此如何获得小的泵浦光斑,并把光斑对准微腔区域而不照射到其他区域(防止非辐射复合产生的热量引起器件的大幅度升温而导致器件性能下降),对光路的设计提出了很高的要求.在实验中采用的测试系统的基本结构如图6所示.利用该测试系统完成了光子晶体L ED 的PL 谱测试.按照光路的顺序,光子晶体有源器件的激光泵浦和信号检测系统主要包含如下结构和部件:如图6所示,从一个激光器(波长532m m ,功率100m W )出射的泵浦光束,被一个介质膜反射镜反射,进入下一个反射镜,在该反射镜,泵浦激光光束与从可见光源发射而来的可见光一起经过下一个部分反射镜后被显微物镜聚焦到光子晶体试样的表面,聚焦后的光斑最小可达5μm ×5μm 左右.光子晶体试样中被泵浦光激发出来的荧光或者激光光束被显微物镜收集后成为平行光传输,经过多个反射镜后可以被收集进入光谱分析仪进行分析,光谱分析仪产生的信号经过锁相放大后进入微机进行信号处理,得出器件的发射光谱.为了将泵浦光源的聚焦光斑对准试样的微腔缺陷区域,采用了增加可见光束对器件进行照明,并利用可见光宽带反射镜将被试样表面反射出的可见光耦合到CCD 观测系统中,从而观察试样的表面结构.图6　光子晶体激光器激光泵浦微区测试系统光路示意图Fig.6　Test system of photonic crystal laser by laser pump图7所示分别为固定r/a =013,不同晶格常数a =525,550,600nm 时光子晶体结构对L ED 出光效率的提高结果.图中的三条曲线分别对应在相同的激光泵浦测试条件下,泵浦光斑对准完整光子晶体区域和对准未做任何工艺区域(即InP/In GaAsP 量子阱外延片)的PL 谱.从图中的测试结果可以发现,相同测试条件下,不同区域的出光功率不同,即出光效率不同.在波长1400～1600nm 的范围内,含有光子晶体区域的出光功率明显高于未制作光子晶体结构的区域,可见光子晶体结构的引入可以明显提高发光器件的出光效率.由于光子晶体结构的光子带隙与光子频率有关,因此光子晶体结构对器件效率的提高也与器件的发光波长有关,不同波长下的发光效率提高不同.此现象可在图中发现,出光效329半　导　体　学　报第27卷率提高最明显的区域为波长1400～1600nm附近,波长越短,出光效率的提高越明显.例如在图7(a)中,当波长位于1600nm附近时,器件的出光效率提高为10%左右,随着波长的减小,出光效率随之增大,当波长位于1550nm时出光效率的提高为26%;波长为1450nm时,提高幅度为90%;当波长位于1400nm附近时,出光效率的提高可达60%以上,由此可见出光效率提高的峰值在波长为1450nm附近.根据理论分析,光子晶体结构的引入除了能够引入光子禁带,使部分频率的自发发射光被抑制,提高器件的内部效率外,当器件发光频率位于光子晶体禁带之上,即辐射模区域时,由于光子晶体的作用,可使在平板结构的发光器件中属于传输模的部分模式转化为光子晶体发光器件中的辐射模,从而使更多的光模辐射到空气中,此即光子晶体提高发光器件出光效率的基本原理[4].图7　光子晶体结构参数对L ED出光效率的提高效果图(r/a=013)　(a)a=525nm;(b)a=550nm;(c)a=600nm Fig.7　Images of photonic crystal enhances extraction efficiency in L ED(r/a=013)　(a)a=525nm;(b)a= 550nm;(c)a=600nm 图7(b)所示为晶格常数a=550nm,r/a=013时,光子晶体结构提高发光器件出光效率的情况.与图7(a)所示的结果类似,光子晶体结构L ED的出光效率相对未做该工艺的器件有了明显提高.当器件的发光波长位于1600nm附近时,出光效率的提高幅度约为33%;当发光波长位于1550nm附近时,出光效率的提高幅度约为38%;当1450nm时则对应约100%的提高幅度;1400nm时为93%.当晶格常数增大到a=600nm时,出光效率提高比率继续增大,如图(c)所示.这主要是由于光子晶体结构参数的改变所引起的.根据光子晶体能带结构的特点,当晶格常数增大时,禁带位置发生红移,移向更低的频率,即长波长方向,则有利于使实验中设计的In2 GaAsP量子阱结构发光器件的发光波长处于能带中的泄漏模区域,从而使更多的传输模转化为泄漏模,提高出光效率[5].4　结论利用EBL在PMMA胶上曝光可以生成良好的光子晶体结构图形.在不作特殊的固化处理时,若仅采用PMMA胶做掩模,刻蚀中的侧蚀严重,会破坏图形的完整性.增加SiO2掩模后,利用RIE刻蚀,在合适的工艺参数下可以制作出良好的光子晶体图形.光子晶体结构可以明显提高L ED的出光效率,而且出光效率的提高效果与光子晶体的晶格常数有关.一定范围内,随着晶格常数的增大,出光效率的提高随之增大.随着研究工作的不断深入,光子晶体有望应用于高效率L ED的制作中.参考文献[1]　Yablonovitch E.Inhibited Spontaneous emission in solid2state physics and electronics.Phys Rev Lett,1987,58:2059 [2]　Susumu N,Mit suru Y,Masahiro I,et al.Polarization modecontrol of two dimensional photonic crystal laser by unitcell structure design.Science,2001,293:1123[3]　Ge Debiao.Finite difference time domain met hod in electro2magnetic wave.Xi’an:Xidian University Press,2002(inChinese)[葛德彪.电磁波的时域有限差分法.西安:西安电子科技大学出版社,2002][4]　Fan S H,Villeneuve P R,Joannopoulos J D,et al.High ex2t raction efficiency of spontaneous emission from slabs ofphotonic crystal.Phys Rev Lett,1997,78(17):3294[5]　Ryu H Y,Hwang J K,Lee Y J,et al.Enhancement of lightextraction from two dimensional photonic crystal slabst ructures.IEEE J Sel Topics Quantum Electron,2002,8(2):231429第5期杜　伟等:　利用光子晶体提高InP基L ED出光效率529 Enhancement of Light Extraction of L ED by Photonic Crystal Structures3Du Wei ,Xu Xingsheng,Sun Zenghui,L u Lin,Gao J unhua,Zhao Zhimin,Wang Chunxia,and Chen Hongda(S tate Key L aboratory of I ntegrated Optoelect ronics,I nstit ute of S emiconductors,Chinese A cadem y of Sciences,Bei j i ng　100083,China) Abstract:The band st ructure of a2D infinite p hot onic crystal is calculated using t he FD TD met hod.Slab p hot onic crystals wit h InP are f abricated.Two f abrication met hods———one using only PMMA as mask a nd one using PMMA a nd SiO2as masks are used.The results show t hat t he first met hod ca nnot yield an accurate p atter n t ransf er,w hile t he ot her met hod ca n.The ext raction efficie ncy in a n L ED is enha nced successf ully by use of t he p hot onic crystal.The light ext raction efficie ncy of t he L ED wit h t he p hot onic crystal st ructure is twice as high as t hat of t he unp rocessed sample under t he sa me testing conditions. Along wit h t he increase of lattice consta nt,t he ext raction efficie ncy also increases.K ey w ords:p hot onic crystal;elect ron beam lit hograp hy;RI E;L ED ext raction efficie ncyPACC:4270QArticle ID:025324177(2006)05209212053Project supp orted by t he National High Technology Research a nd Develop ment Progra m of China(No.2003AA311020)a nd t he National Nat ural Science Foundation of China(N os.60345008,60377011)Corresp onding aut hor.Email:duwei@se 　Received22August2005,revised ma nuscript received11Oct ober2005Ζ2006Chinese Institute of Elect ronics。

二维光子晶体在光通信中的应用研究

二维光子晶体在光通信中的应用研究
二维光子晶体是一种具有周期性结构的材料，其具有光子带隙和光子禁带等特性，因此在光通信中具有广泛的应用前景。

首先，二维光子晶体可以用于制造高效的光纤耦合器。

光纤耦合器是将光信号从一根光纤传输到另一根光纤的重要器件，而二维光子晶体可以通过调节其周期性结构来实现对光的控制，从而实现高效的光纤耦合。

其次，二维光子晶体还可以用于制造高效的光滤波器。

光滤波器是将特定波长的光信号从复杂的光信号中分离出来的重要器件，而二维光子晶体可以通过调节其周期性结构来实现对特定波长的光信号的选择性反射或透射，从而实现高效的光滤波。

此外，二维光子晶体还可以用于制造高效的光调制器。

光调制器是将光信号进行调制的重要器件，而二维光子晶体可以通过调节其周期性结构来实现对光信号的调制，从而实现高效的光调制。

最后，二维光子晶体还可以用于制造高效的光放大器。

光放大器是将光信号进行放大的重要器件，而二维光子晶体可以通过调节其周期性结构来实现对光信号的放大，从而实现高效的光放大。

总之，二维光子晶体在光通信中具有广泛的应用前景，可以用于制造高效的光纤耦合器、光滤波器、光调制器和光放大器等器件，从而实现光通信的高速、高效、高质量传输。

二维光子晶体微腔特性分析及应用研究

二维光子晶体微腔特性分析及应用探究引言二维光子晶体微腔作为一种具有高品质因子和小体积的纳米光学结构，在光子学领域引起了广泛的关注。

其特殊的光学性质使其在信息传输、能量调控等方面具有广泛的应用潜力。

本文将对二维光子晶体微腔的特性进行分析，并重点探讨其在光通信、激光器、传感器和光子计算等应用领域的探究进展。

一、二维光子晶体微腔的特性分析1. 光子晶体微腔的基本原理光子晶体微腔是一种由周期性的折射率分布构成的微观空间。

通过光子晶体材料的周期性结构，可以实现光的各种互相作用。

其特性主要通过光子带隙效应和光子波导效应来实现。

2. 光子晶体微腔的光学性质二维光子晶体微腔具有高品质因子、小模式体积和强光与物质互相作用等特点。

其中，品质因子是描述光场在腔内衰减的速率与光场在腔内往来的速度之比。

高品质因子使得光子晶体微腔能够实现高效率的光传输和能量储存。

此外，与传统光腔比较，其体积更小，从而具有更高的集成度和更快的响应速度。

3. 光子晶体微腔的调控方法为了实现对光子晶体微腔的调控，可以通过改变晶格常数、折射率和腔体尺寸来调整光子晶体微腔的特性。

例如，在微纳加工过程中改变结构形貌、控制材料选择或在微腔中注入局域化缺陷等方法，都能够有效地调控光子晶体微腔的性能。

二、光子晶体微腔在光通信领域的应用探究1. 光子晶体微腔的主动调控技术光通信中需要实现光源的拉伸、调整光频率和脉冲的压缩等功能。

利用电子注入、光子注入和热效应等主动调控技术，可以实现对光子晶体微腔中光场的精确控制。

通过控制注入的电流、电压或光强度，可以实现光的放大、调频和脉冲的压缩等功能。

2. 光子晶体微腔在光通信器件中的应用光子晶体微腔可以用于光通信器件的构建，如微激光器和光调制器等。

其小体积和高品质因子使其具备高效率、高速度和低功耗的特点。

此外，光子晶体微腔还能够实现光波分复用、信号调制和指定光路传输等功能，为光通信领域的进步提供了新的方向。

三、光子晶体微腔在其他应用领域的探究进展1. 光子晶体微腔在激光器中的应用利用光子晶体微腔构建激光器可以实现窄线宽、高转化效率和高阈值特性等。

《2024年二维光子晶体生物传感器光谱特性分析》范文

《二维光子晶体生物传感器光谱特性分析》篇一一、引言随着现代生物技术的飞速发展，生物传感器在医疗诊断、环境监测、药物研发等领域发挥着越来越重要的作用。

其中，二维光子晶体生物传感器以其独特的光学特性和高灵敏度，逐渐成为研究的热点。

本文旨在深入分析二维光子晶体生物传感器的光谱特性，为相关领域的研究和应用提供理论支持。

二、二维光子晶体生物传感器概述二维光子晶体生物传感器是一种利用光子晶体结构特性的新型生物传感器。

光子晶体是一种具有周期性折射率变化的材料，其特殊的结构可以控制光的传播，使得在特定频率范围内的光能够在晶体内部产生共振。

将这种光子晶体结构与生物传感器相结合，可以实现对生物分子的高灵敏度检测。

三、光谱特性分析（一）共振效应二维光子晶体生物传感器的光谱特性中最显著的是共振效应。

当光照射在光子晶体上时，若光的频率与晶体内部分子的振动频率相匹配，就会产生强烈的共振现象。

这种共振效应可以显著增强光的吸收和散射，从而提高传感器的灵敏度。

（二）高分辨率由于光子晶体的周期性结构对光的传播具有强烈的控制作用，因此二维光子晶体生物传感器具有高分辨率的特性。

这种高分辨率使得传感器能够精确地检测生物分子的种类和浓度，为生物分析提供了有力工具。

（三）快速响应二维光子晶体生物传感器的光谱特性还包括快速响应。

由于共振效应的存在，传感器能够在极短的时间内对光信号做出响应，从而实现快速检测。

这种快速响应的特性使得传感器在实时监测和快速反应方面具有优势。

四、实验方法与结果分析（一）实验方法本实验采用不同的光源和不同浓度的生物分子样品对二维光子晶体生物传感器进行测试。

通过改变光源的波长和强度，以及调整样品的浓度，观察传感器的光谱响应变化。

同时，利用光谱分析仪记录实验过程中的光谱数据。

（二）结果分析根据实验数据，我们分析了二维光子晶体生物传感器的光谱特性。

结果表明，传感器在特定波长下对生物分子的检测具有高灵敏度和高分辨率。

此外，我们还发现传感器的响应速度与光源的强度和波长密切相关，通过优化光源条件可以进一步提高传感器的性能。

利用二维光子晶体提升LED出光能量的研究

利用二维光子晶体提升LED出光能量的研究光子晶体由于拥有丰富的物理内涵和广阔的应用前景而受到科技工作者的广泛关注。

光子晶体的主要特征是具有光子带隙,频率落在带隙范围内的电磁波是不允许通过的。

利用这一特征,光子晶体在现实中有许多的应用,例如,可以设计激光二极管和光波导器件,甚至还可以设计光滤波器、光开关。

近年来,光子晶体基于带隙的存在,用于发光二极管后可以大大提高LED的出光效率再次成为研究热点。

因而,研究光子晶体的能带理论是非常有意义的。

本文主要研究了两方面的内容：(1)二维光子晶体的完全带隙；(2)二维平板光子晶体用于提升GaN基绿光LED出光能量的研究。

首先,在二维正方晶格光子晶体中,我们提出一种二维椭圆空气穴正方晶格光子晶体结构,通过调节椭圆的方位、长短轴之比以及填充率,获得了较优化的完全带隙值,当系统填充率为F=0.608时,最大完全带隙宽度为0.0332。

与之前通过降低晶格对称性寻找完全带隙的方法相比,这种排列没有改变晶格的C4v对称性,在晶格保持较高对称性的情况下获得了与以往晶格对称性较低情况下相当的完全带隙宽度值,为光子晶体完全带隙的设计以及光子器件的应用提供了理论指导。

然后,我们利用三维时域有限差分(FDTD)法,完全匹配层(PML)边界条件,数值模拟了三种模型GaN基蓝光发光二极管(LED)的出光能量。

第一种是普通GaN 基蓝光LED结构,第二种是含有完整光子晶体的GaN基蓝光LED结构,第三种是含有中心缺陷粗柱状的光子晶体GaN基蓝光LED结构。

计算结果发现,含有完整光子晶体LED的出光能量没有提高,而含有中心缺陷粗柱状的光子晶体GaN基蓝光LED结构则能够大大提高LED的出光能量。

根据模拟计算的结果,我们从理论上给出了光子晶体GaN基蓝光LED的参数设计原则。

本文的研究有助于深入理解光子晶体的能带结构,更好地实现光子晶体在提高发光二极管出光效率方面的应用。

二维光子晶体滤波器的研究

二维光子晶体滤波器的研究二维光子晶体是一种具有周期性结构的材料，它可以通过控制光子的传播和散射来实现光子波的过滤和调制。

在这样的二维光子晶体中，光子的行为受到晶格结构的影响，因此可以构建出一种新型的滤波器，它能够实现对特定波长范围内的光子进行选择性过滤。

这种二维光子晶体滤波器在光学通信、传感器技术和光子器件中有着广泛的应用前景。

通过对二维光子晶体滤波器的研究，可以深入了解其结构与性能之间的关系，有助于优化滤波器的性能和功能。

还可以探索其在实际应用中的潜在价值和可能的改进方向。

本文将从二维光子晶体滤波器的基本原理、研究现状和未来发展等方面展开探讨，希望能够为相关研究提供一些启发和参考。

一、二维光子晶体滤波器的基本原理目前，二维光子晶体滤波器的研究已经取得了一系列重要进展。

在实验方面，研究人员已经成功制备了多种基于二维光子晶体的滤波器，并在光学通信、传感器技术和光子器件等领域进行了应用研究。

这些二维光子晶体滤波器不仅具有良好的滤波特性，还拥有较宽的工作波长范围和较高的透射效率，显示出了巨大的应用潜力。

在理论方面，研究人员也进行了大量的模拟和数值计算工作，从理论上对二维光子晶体滤波器的结构设计、性能优化和工作机理进行了深入研究。

通过理论模型的建立和计算分析，可以更好地理解二维光子晶体滤波器的工作原理和物理机制，为其进一步改进和应用提供理论指导和支撑。

随着光子晶体材料的制备技术和表征手段的不断改进，二维光子晶体滤波器的研究和应用将迎来更加广阔的发展空间。

未来，研究人员可以从以下几个方面探索二维光子晶体滤波器的未来发展方向。

可以进一步优化二维光子晶体的结构设计和制备工艺，以实现更加精密和效率的滤波性能。

可以拓展二维光子晶体滤波器的应用领域，如在光学成像、光子逻辑和光子集成电路等方面进行应用探索。

还可以将二维光子晶体滤波器与其他光子器件和纳米材料相结合，实现集成化和功能化的光子器件系统。