專利名稱：包括光子晶體的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用在白熾燈中的包括光子晶體的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)。更具 體地說，本發(fā)明涉及包括被無源光子晶體結(jié)構(gòu)圍繞的有源輻射發(fā)射器 的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)，所述無源光子晶體結(jié)構(gòu)對于光譜的可見區(qū)內(nèi)的電磁 輻射的波長是透明的。
背景技術(shù)：
在常規(guī)的白熾燈中，燈絲設(shè)置在兩個電接觸之間，并且電流在所 述接觸之間流過燈絲。燈絲材料的電阻在燈絲中產(chǎn)生熱。白熾燈中典
型的燈絲工作在大約2500 K和大約3000 K之間。加熱的燈絲發(fā)射在 波長范圍內(nèi)的電磁輻射，其一些在電磁波譜的可見區(qū)之內(nèi)。在給定溫 度下常規(guī)燈絲的發(fā)射率可以由用于黑體輻射的普朗克(Planck)方程 式逼近。
常規(guī)白熾燈盡管提供高質(zhì)量、廉價的照明，但是效率極低。提供 到燈絲的能量的僅大約5%到10%轉(zhuǎn)換成在光譜的可見區(qū)內(nèi)的波長 (即大約380 nm到大約780 nm)的電磁輻射。大量的能量轉(zhuǎn)換成在 光譜的紅外區(qū)中(即在大約780 nm到大約3000 nm之間)的輻射， 并且被消耗為熱。
從由托馬斯愛迪生首先發(fā)明白熾燈的時間開始，已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng) 多的研究來發(fā)現(xiàn)新的方法、材料、和結(jié)構(gòu)以增加在光譜的可見區(qū)中發(fā) 射的電磁輻射的量，并且最小化在可見區(qū)以外發(fā)射的輻射的量，由此 改善燈的效率。
鎢自從其首先在1911年用作白熾燈絲以來由于其發(fā)射特性而繼 續(xù)作為精選材料。真正的黑體實際上并不存在。然而，材料的輻射特 性可以通過包括材料的發(fā)射率的因子或變量而被描述成用于黑體輻
射的普朗克方程式。發(fā)射率是材料的光譜輻射率(即每單位面積每單 位波長的發(fā)射功率)與真正黑體的理論光譜輻射率的比率。對于給定 材料的發(fā)射率不是恒定的，并且可以隨波長、觀察角度、和材料的溫 度而變化。鴒的發(fā)射率隨波長變化，并且在電磁波譜的可見區(qū)中比在紅外區(qū)中高(即，它在可見區(qū)中輻射比真正的黑體更多的電磁輻射)， 這使它成為用在白熾燈中的精選材料。
其他針對提高白熾燈的效率的發(fā)明包括將燈絲盤繞成線團(tuán)狀結(jié) 構(gòu)，并且利用卣素氣體填充該燈的燈泡。此外，對可見區(qū)中的輻射透
以將由燈絲發(fā)射的紅外s輻射反射回?zé)艚z本身上，由此進(jìn)一;加熱該燈 絲。
近來，已經(jīng)研究了使用光子晶體作為白熾發(fā)射器。光子晶體是包 括周期性散布在整個結(jié)構(gòu)中的具有不同介電常數(shù)的至少兩種材料的 結(jié)構(gòu)。當(dāng)光子晶體被加熱時，該光子晶體不能連續(xù)地發(fā)射在波長范圍 內(nèi)的輻射，正如經(jīng)典黑體那樣。光子晶體可以在特定波長強(qiáng)烈地發(fā) 射，而如果其是經(jīng)典黑體如果完全在該晶體被預(yù)期發(fā)射的波長范圍內(nèi) 則僅微弱地發(fā)射。
盡管白熾燈的效率隨時間已經(jīng)改善，但是仍存在被發(fā)射作為在光 譜的可見區(qū)以外的電磁輻射的相當(dāng)大量的能量。這種能量被消耗并且 促進(jìn)了常規(guī)白熾燈的低效率。

發(fā)明內(nèi)容
在多個實施例中，本發(fā)明包括輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)，其包括有源輻射發(fā) 射器和圍繞該發(fā)射器的無源光子晶體結(jié)構(gòu)。該無源光子晶體結(jié)構(gòu)對于 在電磁波譜的可見區(qū)內(nèi)的電磁輻射的波長是透明的。本發(fā)明還包括包 含這里公開的根據(jù)本發(fā)明的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的白熾燈。
從對以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述的考慮，本發(fā)明的特征、優(yōu)點、和 替換方面將對本領(lǐng)域技術(shù)人員變得明顯。


盡管該說明書以特別指出并清楚地要求什么被認(rèn)為是本發(fā)明的 權(quán)利要求來結(jié)束，但是當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時從以下本發(fā)明的描述可以更
容易地確定本發(fā)明的優(yōu)點，其中
圖l是在各種溫度下作為波長的函數(shù)的黑體的光譜輻射率的曲線
圖2是包括示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的白熾燈的透視圖；圖3A是可以用在圖2的白熾燈中的示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的截面
圖3B是不具有中間材料層的圖3A的示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的截面
圖4是包括有源光子晶體發(fā)射器的可以用在圖2的白熾燈中的示 例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的截面圖5是包括有源光子晶體發(fā)射器的可以用在圖2的白熾燈中的示 例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的截面圖6是包括示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的白熾燈的透視圖7A是示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的透視圖7B是沿其中的剖面線7B-7B的圖7A的示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的 截面圖7C是沿其中的剖面線7C-7C的圖7A的示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的 截面圖8A是示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的透視圖8B是沿其中的剖面線8B-8B的圖8A的示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的 截面圖8C是沿其中的剖面線8C-8C的圖8A的示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的 截面圖9是作為波長的函數(shù)的根據(jù)本發(fā)明的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的逼近光譜 輻射率的示例性曲線圖；以及
圖10是作為波長的函數(shù)的有源光子晶體發(fā)射器的逼近光譜輻射 率的示例性曲線圖。
具體實施例方式
在多個實施例中，本發(fā)明包括用在白熾燈中的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)，和 包括這類結(jié)構(gòu)的白熾燈。這里公開的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)包括被無源光子晶 體結(jié)構(gòu)圍繞的有源輻射發(fā)射器，所述無源光子晶體結(jié)構(gòu)對于在電磁波 譜的可見區(qū)內(nèi)的電磁輻射的波長是透明的。
這里公開的本發(fā)明的示例性實施例減少了從白熾燈發(fā)射的作為 在光譜的可見區(qū)以外的電磁輻射被消耗的能量的量。
示例性白熾燈IOO在圖2中示出，其包括玻璃燈泡102、常規(guī)導(dǎo)電螺紋基座104、與螺紋基座104電連通的電接觸106、和在電接觸 106之間延伸的示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)110。應(yīng)當(dāng)注意，可替換地，白 熾燈100可以按照白熾燈的任何其他已知設(shè)計來配置。
示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)110的截面示意圖在圖3A中示出。該輻射 發(fā)射結(jié)構(gòu)110包括有源輻射發(fā)射器111。該有源輻射發(fā)射器111可以 包括由例如鴒、鴒合金、碳、或任何其他材料形成的常規(guī)細(xì)長燈絲， 所述任何其他材料在被加熱時將發(fā)射在光譜的可見區(qū)中的輻射，并且 在該材料的升高的工作溫度下還將顯示出結(jié)構(gòu)完整性。
輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)110還包括圓周地圍繞有源輻射發(fā)射器111的無源 光子晶體結(jié)構(gòu)114，其用作紅外反射器。
光子晶體通過將具有第一介電常數(shù)的材料周期性地散布在具有 第二不同介電常數(shù)的基質(zhì)內(nèi)以便沿通過該結(jié)構(gòu)的方向顯示出介電周
期性來形成。 一維光子晶體是僅沿一個方向顯示出介電周期性的三維 結(jié)構(gòu)。布拉格(Bragg)鏡(分布布拉格反射器)是已知的一維光子 晶體的實例。布拉格鏡的交替薄層具有不同的介電常數(shù)。多個薄層的 組合形成了沿垂直于這些薄層的平面的方向顯示出介電周期性的三 維結(jié)構(gòu)。沿平行于這些層的平面的方向沒有顯示出周期性。
二維光子晶體可以通過將具有第一介電常數(shù)的第一材料的棒、 柱、或纖維周期性地散布在具有第二不同介電常數(shù)的基質(zhì)內(nèi)來形成。 二維光子晶體可以沿垂直于所述棒、柱、或纖維的縱軸的方向顯示出 介電周期性，但是沿平行于所述縱軸的方向不顯示介電周期性。
最后，三維光子晶體可以通過將具有第一介電常數(shù)的第一材料的 小球體或其他空間限定區(qū)域周期性地散布在具有第二不同介電常數(shù) 的第二材料的基質(zhì)內(nèi)來形成。三維光子晶體可以沿晶體內(nèi)的所有方向
顯示出介電周期性。
由于離開周期性電介質(zhì)界面的入射輻射的布拉格散射，光子晶體 結(jié)構(gòu)可以顯示出光子帶隙-一種波長范圍，對于該波長范圍禁止輻射 存在于結(jié)構(gòu)的內(nèi)部中。換句話說，存在當(dāng)輻射沿晶體顯示介電周期性 的方向入射到其上時可以被該晶體反射的輻射的波長范圍。
時域有限差分法可用于對包括晶體的特征尺寸和在所述特征內(nèi) 的相應(yīng)介電常數(shù)的計算網(wǎng)絡(luò)求解全矢量時間相關(guān)麥克斯韋方程以確 定什么樣的波長可以被禁止存在于任何給定晶體的內(nèi)部中。輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)110的無源光子晶體結(jié)構(gòu)114可以包括二維光子晶 體結(jié)構(gòu)，其通過提供通過基質(zhì)116平行于有源輻射發(fā)射器111的縱軸 延伸的細(xì)長無源纖維115來形成。無源纖維115可以由例如諸如碳、 碳化硅、硅石、氧化鋁、二氧化鈦、或任何其他可以被形成為細(xì)長燈 絲的介電材料形成?？商鎿Q地，無源纖維115可以由例如諸如銀、金、
鵠、銅之類的金屬、任何其他金屬或金屬合金形成。包括金屬材料的 光子晶體結(jié)構(gòu)可以顯示出比由介電材料形成的那些寬的帶隙。然而，
相對于由介電材料形成的晶體結(jié)構(gòu)，金屬晶體結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致提高的可 見輻射衰減。無源纖維115可以具有在大約0. 05微米和大約8微米 之間的直徑?；|(zhì)116可以包括例如空氣、硅石、碳化硅、氮化硅、 氧化鋁、或任何其他具有不同于無源纖維115的材料的介電常數(shù)的介 電常數(shù)并在所需的工作溫度下顯示出結(jié)構(gòu)完整性的材料。無源纖維 115周期性地散布在整個基質(zhì)116中并且可以彼此相隔在大約0.05 和大約8微米之間的平均距離。
中間材料層117可以設(shè)置在有源輻射發(fā)射器lll和無源光子晶體 結(jié)構(gòu)114之間，如圖3A所示。中間材料層117應(yīng)當(dāng)是電絕緣的并且 對于在光譜的可見區(qū)內(nèi)的電磁輻射的波長是透明的。中間材料層117 可以由例如硅石或任何其他適當(dāng)?shù)牟牧闲纬?。可替換地，中間材料層 117可以被省略并且無源光子晶體結(jié)構(gòu)114與有源輻射發(fā)射器111的 外表面直接相鄰地設(shè)置，如圖3B所示。
參考圖3A，無源光子晶體結(jié)構(gòu)114可以沿平行于圖中示出的橫截 面的平面的方向顯示出介電周期性。無源光子晶體結(jié)構(gòu)114可以對于 在光譜的可見區(qū)內(nèi)的電磁輻射的波長是透明的。然而，無源光子晶體 結(jié)構(gòu)114可以顯示出在可見區(qū)以外的波長范圍內(nèi)的光子帶隙，例如在 紅外區(qū)中。例如，無源光子晶體結(jié)構(gòu)114可以顯示出在大約700 nm 和大約10000 nm之間的光子帶隙。
有源輻射發(fā)射器111可以通過將白熾燈100連接到電源并通過該 有源輻射發(fā)射器111傳送電流而被加熱。有源輻射發(fā)射器111的電阻 將產(chǎn)生熱。在有源輻射發(fā)射器111變熱時(例如，大約大于1500 K)，
它將發(fā)射在包括光譜的可見區(qū)中的那些的波長范圍內(nèi)的輻射。然而， 該輻射的大部分在光譜的可見區(qū)以外的波長處發(fā)射， 一般在紅外區(qū) 中。例如，當(dāng)有源輻射發(fā)射器111處于2500 K的溫度時，它可以發(fā)射近似如由圖1中的線所示的對應(yīng)于2500 K的輻射，其示出在波長 范圍內(nèi)的黑體的理論發(fā)射功率。
由有源輻射發(fā)射器111發(fā)射的在無源光子晶體結(jié)構(gòu)114的光子帶 隙內(nèi)的波長(即在大約700 nm和大約10000 nm之間)的電磁輻射可 以由此被內(nèi)部反射。紅外輻射118被示為內(nèi)部反射并且可見輻射119 被示為透射通過圖3A中的無源光子晶體結(jié)構(gòu)114。反射的紅外輻射 118可以被有源輻射發(fā)射器111吸收，由此進(jìn)一步加熱有源輻射發(fā)射 器111并且有助于在光譜的可見區(qū)內(nèi)的電磁輻射的發(fā)射。所得到的輻 射發(fā)射結(jié)構(gòu)110的逼近光譜發(fā)射率的示例性曲線圖作為整體在圖9中 示出。
無源光子晶體結(jié)構(gòu)114可以包括多個同心管狀區(qū)(未示出)，每 個管狀區(qū)包括在其間具有不同直徑和不同間隔的無源纖維115。在這 種結(jié)構(gòu)中，每個區(qū)可以顯示出不同于其他區(qū)的帶隙的跨越波長范圍的 光子帶隙。通過包括多個區(qū)，該多個區(qū)的帶隙可以重疊，由此加寬了 無源光子晶體結(jié)構(gòu)114的有效帶隙并改善了輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)110的效 率。
示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)120的截面示意圖在圖4中示出，其可以用 在圖2的示例性白熾燈100中。輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)120可以包括有源光子 晶體發(fā)射器121和圍繞該有源光子晶體發(fā)射器121的無源光子晶體結(jié) 構(gòu)114 (先前關(guān)于輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)110所描述的)。輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)120 還可以包括中間材料層117(先前關(guān)于輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)IIO所描述的)。
有源光子晶體發(fā)射器121可以包括通過提供通過基質(zhì)123延伸的 細(xì)長有源纖維122形成的二維光子晶體結(jié)構(gòu)。有源纖維122可以由例 如鎢、鎢合金、碳、碳化硅、或任何其他材料形成，所述任何其他材 料可以被形成為纖維并且當(dāng)被加熱時將發(fā)射在可見區(qū)中的輻射。有源 纖維122可以具有在大約0. 05微米和大約8微米之間的直徑。基質(zhì) 123可以包括空氣、硅石、氮化硅、或任何其他具有不同于有源纖維 122的材料的介電常數(shù)的介電常數(shù)的材料。有源纖維122周期性地散 布在整個基質(zhì)123中并且彼此相隔在大約0. 05和大約8微米之間的 平均距離?？商鎿Q地，基質(zhì)123可以包括例如鵠或鴒合金，以及有源 纖維可以包括例如細(xì)長的空氣柱、硅石柱、或氮化硅柱。
當(dāng)被加熱時，光子晶體結(jié)構(gòu)不能發(fā)射在其光子帶隙內(nèi)的波長的輻射。如果光子晶體是黑體那么將發(fā)射在這些波長的輻射。例如，有源
光子晶體發(fā)射器可以顯示出如在圖10的曲線圖中示出的光譜輻射
率。因此，具有跨越紅外區(qū)中的波長的帶隙的光子晶體可以用作相對 于常規(guī)白熾燈絲改善的白熾發(fā)射器。有源光子晶體發(fā)射器比常規(guī)燈絲
發(fā)射器更有效(例如發(fā)射器110)，其近似為黑體，因為在光譜的紅 外區(qū)中發(fā)射較少的輻射，這可以通過比較圖1和10的曲線圖看出。
然而，甚至有源光子晶體發(fā)射器可以發(fā)射在光譜的可見區(qū)以外的 波長的一些輻射，例如在紅外區(qū)中。例如，有源光子晶體發(fā)射器的光 子帶隙不能跨越光譜的整個紅外區(qū)范圍。此外，有源光子晶體發(fā)射器 的最外層可以發(fā)射逼近由黑體發(fā)射的輻射的輻射，因為當(dāng)發(fā)射的輻射 沒有穿過該晶體中的至少兩層時沒有經(jīng)歷介電周期性。因此，可以由 有源光子晶體發(fā)射器的最外層發(fā)射在光子帶隙內(nèi)的波長的輻射，其作
為整體被有源光子晶體發(fā)射器顯示出。無源光子晶體結(jié)構(gòu)114可以反 射至少一些這種由輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)120的有源光子晶體發(fā)射器121發(fā)射
的在光譜的可見區(qū)以外的波長的輻射。
有源光子晶體發(fā)射器121與用作紅外反射器的周圍的無源光子晶 體結(jié)構(gòu)114的組合提供優(yōu)于單獨(dú)的有源光子晶體發(fā)射器和被無源光子 晶體結(jié)構(gòu)114圍繞的常規(guī)發(fā)射器兩者的改善的效率。紅外輻射118被 示為內(nèi)部反射并且可見輻射119被示為透射通過圖4中的無源光子晶 體結(jié)構(gòu)114。反射的紅外輻射118可以被有源光子晶體發(fā)射器121吸 收，由此進(jìn)一步加熱有源光子晶體發(fā)射器121并有助于光譜的可見區(qū) 中的電磁輻射的發(fā)射。
可以用在示例性白熾燈100中的示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)130的截面 示意圖在圖5中示出。輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)130可以包括有源光子晶體發(fā)射 器121 (先前關(guān)于圖4的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)120所描述的)，和圓周地圍 繞該有源光子晶體發(fā)射器121的無源光子晶體結(jié)構(gòu)134。輻射發(fā)射結(jié) 構(gòu)130還可以包括中間材料層117 (先前關(guān)于圖3A的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu) 110所描述的)。
無源光子晶體結(jié)構(gòu)134可以包括具有交替的第一材料層135和第 二材料層136的圓柱形布拉格鏡(即分布布拉格反射器)。笫一材料 層135的介電常數(shù)應(yīng)當(dāng)不同于笫二材料層136的介電常數(shù)。第一材料 層135可以由例如碳化硅、碳、二氧化鈦、銀、金、鵠、銅、任何其他金屬或金屬合金、或任何其他適當(dāng)?shù)牟牧闲纬?。第二材料?36可 以由例如硅石、氮化硅、或任何其他適當(dāng)?shù)木哂胁煌诘?一材料層135 的介電常數(shù)的介電常數(shù)的材料形成。第一材料層135和第二材料層 136可以具有在大約0. 05微米和大約8微米之間的厚度。
無源光子晶體結(jié)構(gòu)134是一維光子晶體結(jié)構(gòu)，其可以以與圖3和 4的無源光子晶體結(jié)構(gòu)114相同的方式用作紅外反射器，并且可以在 輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)130內(nèi)從內(nèi)部反射輻射。紅外輻射118被示為內(nèi)部反射 并且可見輻射119被示為透射通過圖5中的無源光子晶體結(jié)構(gòu)134。 反射的紅外輻射118可以被有源光子晶體發(fā)射器121吸收，由此進(jìn)一 步加熱有源光子晶體發(fā)射器121并有助于光譜的可見區(qū)中的電磁輻射 的發(fā)射。
此外，無源光子晶體結(jié)構(gòu)134可以包括多個同心管狀區(qū)(未示 出)，在每個同心管狀區(qū)中的第一材料層135和第二材料層136的厚 度不同于其他區(qū)中的層的厚度。在這種結(jié)構(gòu)中，每個區(qū)可以顯示出不 同于其他區(qū)的帶隙的跨越波長范圍的光子帶隙。通過包括多個區(qū)，該 多個區(qū)的帶隙可以重疊，由此加寬了無源光子晶體結(jié)構(gòu)114的有效帶 隙并改善了白熾燈100的效率。
輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)110、 120、和130首先可以被形成為燈絲束，包括 發(fā)射器并圍繞無源光子晶體結(jié)構(gòu)，具有大于最終產(chǎn)品所需的那些的截 面尺寸，但是具有相同的尺寸比例。隨后，該燈絲束可以利用已知的 纖維或燈絲拉拔技術(shù)被拉拔以將該結(jié)構(gòu)的總尺寸減小到所需的規(guī) 格。這類技術(shù)在本領(lǐng)域中是已知的并且在美國專利號No. 5, 802, 236 ("'236專利")和美國專利號No. 6， 522， 820 ( "' 820專利")中 被討論，在此并入其內(nèi)容作為參考。
例如，如在"36專利中討論的，可以通過圍繞中心硅石玻璃棒捆 扎中空的硅石毛細(xì)管來形成預(yù)成型件， 一定以最終期望圖案的成比例 的型式物理地設(shè)置它們。然后一個或多個硅石外包層管被放置在整個 束周圍并且在該束周圍被熔化以形成期望的預(yù)成型件。然后使用常規(guī) 技術(shù)拉拔該預(yù)成型件以產(chǎn)生光纖。該過程可以被稍微修改以形成輻射 發(fā)射結(jié)構(gòu)110、 120、和130。例如，為了形成輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)110，笫 一中空硅石圓柱可以被較小的中空硅石毛細(xì)管圍繞，其被設(shè)置成周期 陣列。該結(jié)構(gòu)可以被置于較大直徑的第二薄硅石管內(nèi)，其將毛細(xì)管保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。然后該結(jié)構(gòu)可以被燒結(jié)以將硅石結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。 先前作為第一中空硅石圓柱的結(jié)構(gòu)的內(nèi)部可以用鴒材料填充以形成
適當(dāng)尺寸比例的最終預(yù)成型件。然后可以按照'236專利中公開的那樣 拉拔該預(yù)成型件。在拉拔時，鎢材料將變成有源輻射發(fā)射器111，第 一中空硅石圓柱將變成中間材料層117，并且毛細(xì)管的陣列將變成無 源光子晶體結(jié)構(gòu)114。輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)120和130可以以類似的方式形 成。
'820專利公開了可用于形成輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)110、 120、和130的 替換方法。如其中公開的，第一硅石預(yù)成型件可以被制造并且被切成 薄的晶片?？梢允褂靡阎墓饪碳夹g(shù)在每個薄晶片中并且通過每個薄 晶片形成特征。然后這些薄晶片可以對準(zhǔn)并且結(jié)合在一起以形成第二 預(yù)成型件，然后可以通過已知技術(shù)將其拉拔成細(xì)長的燈絲以形成輻射 發(fā)射結(jié)構(gòu)。例如，為了形成輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)120，被薄薄地切片的硅石 晶片可以被蝕刻以在每個硅石晶片的中心處形成孔或空隙，其隨后可 以用鎢材料填充以形成在拉拔之后將變成有源光子晶體發(fā)射器121的 結(jié)構(gòu)。孔或空隙還可以形成在每個硅石晶片的外部外圍邊緣附近以形 成在拉拔之后將變成無源光子晶體結(jié)構(gòu)114的結(jié)構(gòu)。輻射發(fā)射結(jié)構(gòu) 110和130可以以類4以的方式形成。
如圖6所示，另一示例性白熾燈200包括玻璃管202、在玻璃管 202的各端處用于連接到電源的電端子204、和與電端子204電連通 的電接觸206。該燈200可以包括輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)110、 120、和130中 的任何一個。輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)110、 120、和130可以被提供作為細(xì)長的 燈絲，其可以以與常規(guī)白熾燈絲相同的方式被纏繞和雙重纏繞。輻射 發(fā)射結(jié)構(gòu)110、 120、和130被示為圖6的燈200中的線圏結(jié)構(gòu)。線 圏結(jié)構(gòu)可用于提供根據(jù)本發(fā)明的具有優(yōu)于未纏繞結(jié)構(gòu)的提高的效率 的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)。此外，玻璃管202的內(nèi)部可以用如工業(yè)中已知的卣 素氣體填充以延長輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的使用壽命并改善其工作特性。
圖7A-7C中所示的示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)140可用在示例性白熾燈 IOO和200中的任何一個中。輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)140包括有源光子晶體發(fā) 射器141和圍繞有源光子晶體發(fā)射器141的無源光子晶體結(jié)構(gòu)144。 輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)140還可以包括中間材料層117(先前關(guān)于圖3A的輻射 發(fā)射結(jié)構(gòu)IIO所描述的)。有源光子晶體發(fā)射器141 (圖7B和7C)可以具有顯示出介電周 期性的三維晶格結(jié)構(gòu)。該有源光子晶體發(fā)射器141可以包括在基質(zhì) 143內(nèi)的交替層149中周期性設(shè)置的有源棒142。在每一層中，有源 棒142彼此平行地設(shè)置并且彼此相隔在大約0. 05微米和大約8微米 之間的平均距離。每個有源棒142可以具有在大約0. 05微米和大約8 微米之間的厚度，并且可以具有在大約0. 05微米和大約8微米之間 的寬度。有源棒142的長度不是特別重要。每一層的有源棒142取向 垂直于層149的有源棒142，直接在上面和直接在下面。有源棒142 可以由例如鵠、鴒合金、碳、碳化硅、或任何其他適當(dāng)?shù)脑诒患訜釙r 將發(fā)射可見輻射的材料形成。該結(jié)構(gòu)通常被稱為"林肯圓木(Lincoln log)"型光子晶體結(jié)構(gòu)。有源光子晶體發(fā)射器141的基質(zhì)143可以 是例如空氣、硅石、氮化硅、碳化硅、碳、氧化鋁、或二氧化鈦。
輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)140可以包括圍繞有源光子晶體發(fā)射器141的無源 光子晶體結(jié)構(gòu)144。無源光子晶體結(jié)構(gòu)144還可以被形成為具有與有 源光子晶體發(fā)射器141相同的三維晶格結(jié)構(gòu)。無源光子晶體結(jié)構(gòu)144 可以包括在基質(zhì)146內(nèi)的交替層149中周期性設(shè)置的無源棒145。在 每一層149中，無源棒145可以彼此平行地設(shè)置，并且可以彼此相隔 在大約0. 05微米和大約8微米之間的平均距離。每個無源棒145可 以是在大約0. 05微米和大約8微米之間厚，并且是在大約0. 05微米 和大約8微米之間寬。無源棒145的長度不是特別重要。有源棒142 可以由例如銀、金、硅石、氮化硅、碳化硅、碳、二氧化鈦、或任何 其他適當(dāng)?shù)牟牧闲纬?。無源光子晶體結(jié)構(gòu)144的基質(zhì)146可以是空 氣、硅石、氮化硅、碳化硅、碳、或二氧化鈦。然而，無源棒145的 材料應(yīng)當(dāng)具有不同于基質(zhì)146的材料的介電常數(shù)的介電常數(shù)。可替換 地，輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)140可以包括圖3和4的無源光子晶體結(jié)構(gòu)114來 代替無源光子晶體結(jié)構(gòu)144。
與有源光子晶體發(fā)射器141電相連的電接觸147 (圖7A和7C) 可以設(shè)置在輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)140的各端上用于與白熾燈100 (圖2)的 電接觸106電連通，或者與白織燈200 (圖6)的電接觸206電連通。 無源光子晶體結(jié)構(gòu)144可以借助中間材料層117與電接觸147電絕緣 以防止在操作期間電流流過無源光子晶體結(jié)構(gòu)144。
無源光子晶體結(jié)構(gòu)144是三維光子晶體結(jié)構(gòu)，其可以以與圖3和4的無源光子晶體結(jié)構(gòu)114相同的方式用作紅外反射器，以在輻射發(fā) 射結(jié)構(gòu)140內(nèi)從內(nèi)部反射輻射。紅外輻射118被示為內(nèi)部反射并且可 見輻射119被示為透射通過圖7B中的無源光子晶體結(jié)構(gòu)144。反射的 紅外輻射118可以被有源光子晶體發(fā)射器141吸收，由此進(jìn)一步加熱 有源光子晶體發(fā)射器141并有助于光譜的可見區(qū)中的電磁輻射的發(fā) 射。
示例性輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)150在圖8A-8C中示出，其可以用在示例性 白熾燈IOO和200的任一個中。輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)150可以包括有源光子 晶體發(fā)射器141 (圖8B和8C)(關(guān)于圖7A-7C的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)140 所描述的)和圍繞該有源光子晶體發(fā)射器141的無源光子晶體結(jié)構(gòu) 154。輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)150還可以包括中間材料層117 (先前關(guān)于圖3A 的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)110所描述的)。
無源光子晶體結(jié)構(gòu)154可以具有與無源光子晶體結(jié)構(gòu)144 (先前 關(guān)于圖7A-7C的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)140所描述的)相同的三維晶格結(jié)構(gòu)， 包括在基質(zhì)156內(nèi)的交替層159中周期性設(shè)置的無源棒155。然而， 無源光子晶體結(jié)構(gòu)154可以包括第一區(qū)157和笫二區(qū)158 (圖8C)。 第一區(qū)157的無源棒155可以小于第二區(qū)158的無源棒155。此外， 在第一區(qū)157中相鄰無源棒155之間的距離可以小于第二區(qū)158中相 鄰無源棒155之間的距離。這些差異可能導(dǎo)致第一區(qū)顯示出跨越第一 波長范圍的第一光子帶隙并且第二區(qū)158顯示出跨越第二不同的波長 范圍的第二光子帶隙(第一波長范圍可以與笫二波長范圍交疊)。由 此，整個無源光子晶體結(jié)構(gòu)154的有效帶隙可以相對于僅具有一個區(qū) 和相應(yīng)帶隙的結(jié)構(gòu)被加寬。
與有源光子晶體發(fā)射器141電相連的電接觸147可以設(shè)置在輻射 發(fā)射結(jié)構(gòu)150的各端上用于其與白熾燈100 (圖2)的電接觸106的 連接，或與白熾燈200 (圖6)的電接觸206的連接。無源光子晶體 結(jié)構(gòu)154可以借助中間材料層117與電接觸147電絕緣以防止在操作 期間電流流過無源光子晶體結(jié)構(gòu)154。
無源光子晶體結(jié)構(gòu)154是三維光子晶體結(jié)構(gòu)，其可以以與圖3和 4的無源光子晶體結(jié)構(gòu)114相同的方式用作紅外反射器，并且可以在 輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)150內(nèi)從內(nèi)部反射輻射。紅外輻射118被示為內(nèi)部反射 并且可見輻射119被示為透射通過圖8B中的無源光子晶體結(jié)構(gòu)154。反射的紅外輻射118可以被有源光子晶體發(fā)射器141吸收，由此進(jìn)一 步加熱有源光子晶體發(fā)射器141并有助于光鐠的可見區(qū)中的電磁輻射 的發(fā)射。
輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)140和輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)150可以通過常規(guī)微電子制造 技術(shù)形成在例如硅晶片、局部晶片、或玻璃襯底的支撐襯底上。用于 沉積材料層的技術(shù)的實例包括，但不限于，分子束外延(MBE)、原 子層沉積(ALD)、化學(xué)汽相沉積(CVD)、物理汽相沉積(PVD)、 濺射沉積和其他已知的微電子層沉積技術(shù)。光刻也可以用于形成各層 中的結(jié)構(gòu)。此外，全息光刻可以用于構(gòu)造輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)?？捎糜谶x擇 性地除去部分所述層的技術(shù)的實例包括，但不限于，濕法腐蝕、干法 刻蝕、等離子體刻蝕、和其他已知的微電子刻蝕技術(shù)。這些技術(shù)是本 領(lǐng)域中已知的，并且例如在美國專利號No. 6， 611， 085 ('" 085專利") 中被討論，在此并入其內(nèi)容作為參考。
'085專利公開了用于形成光子工程白熾發(fā)射器的方法。該發(fā)射器 通過采用逐層的方法重復(fù)沉積和刻蝕多個介電膜形成。為了形成輻射 發(fā)射結(jié)構(gòu)140和150， ' 085專利中公開的方法可以被修改以包括在有 必要形成中間材料層117時在具有光子晶體結(jié)構(gòu)的層中沉積硅石層或 硅石區(qū)的步驟。作為最后的步驟，電接觸147可以形成在有源光子晶 體發(fā)射器144的各端上。
在本發(fā)明的替換實施例(未示出)中，例如有源光子發(fā)射器141 的發(fā)射器可以被具有球形形狀的材料圍繞，該材料形成類似于中間材 料層117的層。然后可以將燈絲纏繞在球形材料的外表面周圍以形成 外部的二維無源光子晶體結(jié)構(gòu)，其可以以類似于無源光子晶體結(jié)構(gòu) 114的方式用作用于電磁波譜的可見區(qū)以外的電磁輻射的濾波器。該 燈絲可以由例如碳、碳化硅、硅石、氧化鋁、二氧化鈥的介電材料形 成，或者由例如銀、金、鎢、銅的金屬、任何其他金屬或金屬合金形 成。
包括這里公開的體現(xiàn)本發(fā)明的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的燈可以提供優(yōu)于 已知的白熾燈和燈絲的提高的效率。
盡管前面的描述包含多個細(xì)節(jié)，但是這些不應(yīng)被解釋為限制本發(fā) 明的范圍，而是僅提供特定示例性實施例。類似地，本發(fā)明的其他實 施例可以被設(shè)計，其沒有脫離本發(fā)明的精神或范圍。因此，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求及其合法等效物來表明和限定，而不是由前面 的描述來表明和限定。對如這里公開的本發(fā)明的所有落入權(quán)利要求的 意圖和范圍之內(nèi)的添加、刪除、和修改都被本發(fā)明所包含。
權(quán)利要求
1. 一種輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)(110，120，130，140，150)，包括有源輻射發(fā)射器(111，121，141)；和圍繞該發(fā)射器的無源光子晶體結(jié)構(gòu)(114，134，144，154)，其對于電磁波譜的可見區(qū)內(nèi)的電磁輻射的波長是透明的。
2. 如權(quán)利要求1的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)，其中無源光子晶體結(jié)構(gòu)顯示 出在電磁波長范圍內(nèi)的光子帶隙，該電磁波長范圍包括在其被加熱時 在由該發(fā)射器發(fā)射的電磁波譜的可見區(qū)以外的波長。
3. 如權(quán)利要求1和2中的任何一個的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)，其中無源 光子晶體結(jié)構(gòu)包括介電材料。
4. 如權(quán)利要求1到3中的任何一個的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)，其中無源 光子晶體結(jié)構(gòu)包括金屬。
5. 如權(quán)利要求1到4中的任何一個的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)，其中無源 光子晶體結(jié)構(gòu)沿一維顯示出介電周期性。
6. 如權(quán)利要求5的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)，其中無源光子晶體結(jié)構(gòu)包括 布拉格鏡(134)。
7. 如權(quán)利要求1到6中的任何一個的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)，其中無源 光子晶體結(jié)構(gòu)沿二維顯示出介電周期性。
8. 如權(quán)利要求1到7中的任何一個的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)，其中 無源光子晶體結(jié)構(gòu)沿三維顯示出介電周期性；并且 該無源光子晶體結(jié)構(gòu)包括三維晶格結(jié)構(gòu)(144, 154 )。
9. 如權(quán)利要求1到8中的任何一個的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)，其中無源 光子晶體結(jié)構(gòu)包括多個區(qū)(157, 158 )，該多個區(qū)的每個區(qū)顯示出在 電磁波長范圍內(nèi)的光子帶隙，該電磁波長范圍包括在其被加熱時在由 該發(fā)射器發(fā)射的電磁波譜的可見區(qū)以外的波長，該多個區(qū)的每個區(qū)的 光子帶隙的范圍不同于另一區(qū)的范圍。
10. 如權(quán)利要求1到9中的任何一個的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)，其中該發(fā) 射器包括有源燈絲(111,122)。
11. 如權(quán)利要求1到10中的任何一個的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)，其中該 發(fā)射器包括有源光子晶體發(fā)射器(121,141)。
12. 如權(quán)利要求1到11中的任何一個的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步 包括在無源光子晶體和該發(fā)射器之間的中間材料層(117)，其對于電磁波譜的可見區(qū)內(nèi)的電磁輻射是透明的。
13. 如權(quán)利要求12的輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)，其中中間材料層是電絕緣的。
14. 一種包括如權(quán)利要求1到13中的任何一個所述的輻射發(fā)射 結(jié)構(gòu)(110， 120， 130， 140， 150)的白熾燈(100,200 )。
全文摘要
公開了輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)(110，120，130，140，150)，其包括有源輻射發(fā)射器(111，121，141)和圍繞該發(fā)射器的無源光子晶體結(jié)構(gòu)(114，134，144，154)。該無源光子晶體結(jié)構(gòu)對于電磁波譜的可見區(qū)內(nèi)的電磁輻射的波長是透明的。還公開了包括這種輻射發(fā)射結(jié)構(gòu)的白熾燈(110，200)。
文檔編號H01K1/00GK101432844SQ200580034154
公開日2009年5月13日 申請日期2005年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月6日
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