CN101432844A - 包括光子晶体的辐射发射结构 - Google Patents

Abstract

公开了辐射发射结构(110，120，130，140，150)，其包括有源辐射发射器(111，121，141)和围绕该发射器的无源光子晶体结构(114，134，144，154)。该无源光子晶体结构对于电磁波谱的可见区内的电磁辐射的波长是透明的。还公开了包括这种辐射发射结构的白炽灯(110，200)。

Description

包括光子晶体的辐射发射结构

技术领域

本发明涉及用在白炽灯中的包括光子晶体的辐射发射结构。更具体地说，本发明涉及包括被无源光子晶体结构围绕的有源辐射发射器的辐射发射结构，所述无源光子晶体结构对于光谱的可见区内的电磁辐射的波长是透明的。

背景技术

在常规的白炽灯中，灯丝设置在两个电接触之间，并且电流在所述接触之间流过灯丝。灯丝材料的电阻在灯丝中产生热。白炽灯中典型的灯丝工作在大约2500K和大约3000K之间。加热的灯丝发射在波长范围内的电磁辐射，其一些在电磁波谱的可见区之内。在给定温度下常规灯丝的发射率可以由用于黑体辐射的普朗克(Planck)方程式逼近。

常规白炽灯尽管提供高质量、廉价的照明，但是效率极低。提供到灯丝的能量的仅大约5％到10％转换成在光谱的可见区内的波长(即大约380nm到大约780nm)的电磁辐射。大量的能量转换成在光谱的红外区中(即在大约780nm到大约3000nm之间)的辐射，并且被消耗为热。

从由托马斯爱迪生首先发明白炽灯的时间开始，已经进行了相当多的研究来发现新的方法、材料、和结构以增加在光谱的可见区中发射的电磁辐射的量，并且最小化在可见区以外发射的辐射的量，由此改善灯的效率。

钨自从其首先在1911年用作白炽灯丝以来由于其发射特性而继续作为精选材料。真正的黑体实际上并不存在。然而，材料的辐射特性可以通过包括材料的发射率的因子或变量而被描述成用于黑体辐射的普朗克方程式。发射率是材料的光谱辐射率(即每单位面积每单位波长的发射功率)与真正黑体的理论光谱辐射率的比率。对于给定材料的发射率不是恒定的，并且可以随波长、观察角度、和材料的温度而变化。钨的发射率随波长变化，并且在电磁波谱的可见区中比在红外区中高(即，它在可见区中辐射比真正的黑体更多的电磁辐射)，这使它成为用在白炽灯中的精选材料。

其他针对提高白炽灯的效率的发明包括将灯丝盘绕成线圈状结构，并且利用卤素气体填充该灯的灯泡。此外，对可见区中的辐射透明但是对红外区中的辐射反射的材料的涂层被施加到白炽灯的灯泡以将由灯丝发射的红外辐射反射回灯丝本身上，由此进一步加热该灯丝。

近来，已经研究了使用光子晶体作为白炽发射器。光子晶体是包括周期性散布在整个结构中的具有不同介电常数的至少两种材料的结构。当光子晶体被加热时，该光子晶体不能连续地发射在波长范围内的辐射，正如经典黑体那样。光子晶体可以在特定波长强烈地发射，而如果其是经典黑体如果完全在该晶体被预期发射的波长范围内则仅微弱地发射。

尽管白炽灯的效率随时间已经改善，但是仍存在被发射作为在光谱的可见区以外的电磁辐射的相当大量的能量。这种能量被消耗并且促进了常规白炽灯的低效率。

发明内容

在多个实施例中，本发明包括辐射发射结构，其包括有源辐射发射器和围绕该发射器的无源光子晶体结构。该无源光子晶体结构对于在电磁波谱的可见区内的电磁辐射的波长是透明的。本发明还包括包含这里公开的根据本发明的辐射发射结构的白炽灯。

从对以下结合附图的详细描述的考虑，本发明的特征、优点、和替换方面将对本领域技术人员变得明显。

附图说明

尽管该说明书以特别指出并清楚地要求什么被认为是本发明的权利要求来结束，但是当结合附图阅读时从以下本发明的描述可以更容易地确定本发明的优点，其中：

图1是在各种温度下作为波长的函数的黑体的光谱辐射率的曲线图；

图2是包括示例性辐射发射结构的白炽灯的透视图；

图3A是可以用在图2的白炽灯中的示例性辐射发射结构的截面图；

图3B是不具有中间材料层的图3A的示例性辐射发射结构的截面图；

图4是包括有源光子晶体发射器的可以用在图2的白炽灯中的示例性辐射发射结构的截面图；

图5是包括有源光子晶体发射器的可以用在图2的白炽灯中的示例性辐射发射结构的截面图；

图6是包括示例性辐射发射结构的白炽灯的透视图；

图7A是示例性辐射发射结构的透视图；

图7B是沿其中的剖面线7B-7B的图7A的示例性辐射发射结构的截面图；

图7C是沿其中的剖面线7C-7C的图7A的示例性辐射发射结构的截面图；

图8A是示例性辐射发射结构的透视图；

图8B是沿其中的剖面线8B-8B的图8A的示例性辐射发射结构的截面图；

图8C是沿其中的剖面线8C-8C的图8A的示例性辐射发射结构的截面图；

图9是作为波长的函数的根据本发明的辐射发射结构的逼近光谱辐射率的示例性曲线图；以及

图10是作为波长的函数的有源光子晶体发射器的逼近光谱辐射率的示例性曲线图。

具体实施方式

在多个实施例中，本发明包括用在白炽灯中的辐射发射结构，和包括这类结构的白炽灯。这里公开的辐射发射结构包括被无源光子晶体结构围绕的有源辐射发射器，所述无源光子晶体结构对于在电磁波谱的可见区内的电磁辐射的波长是透明的。

这里公开的本发明的示例性实施例减少了从白炽灯发射的作为在光谱的可见区以外的电磁辐射被消耗的能量的量。

示例性白炽灯100在图2中示出，其包括玻璃灯泡102、常规导电螺纹基座104、与螺纹基座104电连通的电接触106、和在电接触106之间延伸的示例性辐射发射结构110。应当注意，可替换地，白炽灯100可以按照白炽灯的任何其他已知设计来配置。

示例性辐射发射结构110的截面示意图在图3A中示出。该辐射发射结构110包括有源辐射发射器111。该有源辐射发射器111可以包括由例如钨、钨合金、碳、或任何其他材料形成的常规细长灯丝，所述任何其他材料在被加热时将发射在光谱的可见区中的辐射，并且在该材料的升高的工作温度下还将显示出结构完整性。

辐射发射结构110还包括圆周地围绕有源辐射发射器111的无源光子晶体结构114，其用作红外反射器。

光子晶体通过将具有第一介电常数的材料周期性地散布在具有第二不同介电常数的基质内以便沿通过该结构的方向显示出介电周期性来形成。一维光子晶体是仅沿一个方向显示出介电周期性的三维结构。布拉格(Bragg)镜(分布布拉格反射器)是已知的一维光子晶体的实例。布拉格镜的交替薄层具有不同的介电常数。多个薄层的组合形成了沿垂直于这些薄层的平面的方向显示出介电周期性的三维结构。沿平行于这些层的平面的方向没有显示出周期性。

二维光子晶体可以通过将具有第一介电常数的第一材料的棒、柱、或纤维周期性地散布在具有第二不同介电常数的基质内来形成。二维光子晶体可以沿垂直于所述棒、柱、或纤维的纵轴的方向显示出介电周期性，但是沿平行于所述纵轴的方向不显示介电周期性。

最后，三维光子晶体可以通过将具有第一介电常数的第一材料的小球体或其他空间限定区域周期性地散布在具有第二不同介电常数的第二材料的基质内来形成。三维光子晶体可以沿晶体内的所有方向显示出介电周期性。

由于离开周期性电介质界面的入射辐射的布拉格散射，光子晶体结构可以显示出光子带隙-一种波长范围，对于该波长范围禁止辐射存在于结构的内部中。换句话说，存在当辐射沿晶体显示介电周期性的方向入射到其上时可以被该晶体反射的辐射的波长范围。

时域有限差分法可用于对包括晶体的特征尺寸和在所述特征内的相应介电常数的计算网络求解全矢量时间相关麦克斯韦方程以确定什么样的波长可以被禁止存在于任何给定晶体的内部中。

辐射发射结构110的无源光子晶体结构114可以包括二维光子晶体结构，其通过提供通过基质116平行于有源辐射发射器111的纵轴延伸的细长无源纤维115来形成。无源纤维115可以由例如诸如碳、碳化硅、硅石、氧化铝、二氧化钛、或任何其他可以被形成为细长灯丝的介电材料形成。可替换地，无源纤维115可以由例如诸如银、金、钨、铜之类的金属、任何其他金属或金属合金形成。包括金属材料的光子晶体结构可以显示出比由介电材料形成的那些宽的带隙。然而，相对于由介电材料形成的晶体结构，金属晶体结构可能导致提高的可见辐射衰减。无源纤维115可以具有在大约0.05微米和大约8微米之间的直径。基质116可以包括例如空气、硅石、碳化硅、氮化硅、氧化铝、或任何其他具有不同于无源纤维115的材料的介电常数的介电常数并在所需的工作温度下显示出结构完整性的材料。无源纤维115周期性地散布在整个基质116中并且可以彼此相隔在大约0.05和大约8微米之间的平均距离。

中间材料层117可以设置在有源辐射发射器111和无源光子晶体结构114之间，如图3A所示。中间材料层117应当是电绝缘的并且对于在光谱的可见区内的电磁辐射的波长是透明的。中间材料层117可以由例如硅石或任何其他适当的材料形成。可替换地，中间材料层117可以被省略并且无源光子晶体结构114与有源辐射发射器111的外表面直接相邻地设置，如图3B所示。

参考图3A，无源光子晶体结构114可以沿平行于图中示出的横截面的平面的方向显示出介电周期性。无源光子晶体结构114可以对于在光谱的可见区内的电磁辐射的波长是透明的。然而，无源光子晶体结构114可以显示出在可见区以外的波长范围内的光子带隙，例如在红外区中。例如，无源光子晶体结构114可以显示出在大约700nm和大约10000nm之间的光子带隙。

有源辐射发射器111可以通过将白炽灯100连接到电源并通过该有源辐射发射器111传送电流而被加热。有源辐射发射器111的电阻将产生热。在有源辐射发射器111变热时(例如，大约大于1500K)，它将发射在包括光谱的可见区中的那些的波长范围内的辐射。然而，该辐射的大部分在光谱的可见区以外的波长处发射，一般在红外区中。例如，当有源辐射发射器111处于2500K的温度时，它可以发射近似如由图1中的线所示的对应于2500K的辐射，其示出在波长范围内的黑体的理论发射功率。

由有源辐射发射器111发射的在无源光子晶体结构114的光子带隙内的波长(即在大约700nm和大约10000nm之间)的电磁辐射可以由此被内部反射。红外辐射118被示为内部反射并且可见辐射119被示为透射通过图3A中的无源光子晶体结构114。反射的红外辐射118可以被有源辐射发射器111吸收，由此进一步加热有源辐射发射器111并且有助于在光谱的可见区内的电磁辐射的发射。所得到的辐射发射结构110的逼近光谱发射率的示例性曲线图作为整体在图9中示出。

无源光子晶体结构114可以包括多个同心管状区(未示出)，每个管状区包括在其间具有不同直径和不同间隔的无源纤维115。在这种结构中，每个区可以显示出不同于其他区的带隙的跨越波长范围的光子带隙。通过包括多个区，该多个区的带隙可以重叠，由此加宽了无源光子晶体结构114的有效带隙并改善了辐射发射结构110的效率。

示例性辐射发射结构120的截面示意图在图4中示出，其可以用在图2的示例性白炽灯100中。辐射发射结构120可以包括有源光子晶体发射器121和围绕该有源光子晶体发射器121的无源光子晶体结构114(先前关于辐射发射结构110所描述的)。辐射发射结构120还可以包括中间材料层117(先前关于辐射发射结构110所描述的)。

有源光子晶体发射器121可以包括通过提供通过基质123延伸的细长有源纤维122形成的二维光子晶体结构。有源纤维122可以由例如钨、钨合金、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为纤维并且当被加热时将发射在可见区中的辐射。有源纤维122可以具有在大约0.05微米和大约8微米之间的直径。基质123可以包括空气、硅石、氮化硅、或任何其他具有不同于有源纤维122的材料的介电常数的介电常数的材料。有源纤维122周期性地散布在整个基质123中并且彼此相隔在大约0.05和大约8微米之间的平均距离。可替换地，基质123可以包括例如钨或钨合金，以及有源纤维可以包括例如细长的空气柱、硅石柱、或氮化硅柱。

当被加热时，光子晶体结构不能发射在其光子带隙内的波长的辐射。如果光子晶体是黑体那么将发射在这些波长的辐射。例如，有源光子晶体发射器可以显示出如在图10的曲线图中示出的光谱辐射率。因此，具有跨越红外区中的波长的带隙的光子晶体可以用作相对于常规白炽灯丝改善的白炽发射器。有源光子晶体发射器比常规灯丝发射器更有效(例如发射器110)，其近似为黑体，因为在光谱的红外区中发射较少的辐射，这可以通过比较图1和10的曲线图看出。

然而，甚至有源光子晶体发射器可以发射在光谱的可见区以外的波长的一些辐射，例如在红外区中。例如，有源光子晶体发射器的光子带隙不能跨越光谱的整个红外区范围。此外，有源光子晶体发射器的最外层可以发射逼近由黑体发射的辐射的辐射，因为当发射的辐射没有穿过该晶体中的至少两层时没有经历介电周期性。因此，可以由有源光子晶体发射器的最外层发射在光子带隙内的波长的辐射，其作为整体被有源光子晶体发射器显示出。无源光子晶体结构114可以反射至少一些这种由辐射发射结构120的有源光子晶体发射器121发射的在光谱的可见区以外的波长的辐射。

有源光子晶体发射器121与用作红外反射器的周围的无源光子晶体结构114的组合提供优于单独的有源光子晶体发射器和被无源光子晶体结构114围绕的常规发射器两者的改善的效率。红外辐射118被示为内部反射并且可见辐射119被示为透射通过图4中的无源光子晶体结构114。反射的红外辐射118可以被有源光子晶体发射器121吸收，由此进一步加热有源光子晶体发射器121并有助于光谱的可见区中的电磁辐射的发射。

可以用在示例性白炽灯100中的示例性辐射发射结构130的截面示意图在图5中示出。辐射发射结构130可以包括有源光子晶体发射器121(先前关于图4的辐射发射结构120所描述的)，和圆周地围绕该有源光子晶体发射器121的无源光子晶体结构134。辐射发射结构130还可以包括中间材料层117(先前关于图3A的辐射发射结构110所描述的)。

无源光子晶体结构134可以包括具有交替的第一材料层135和第二材料层136的圆柱形布拉格镜(即分布布拉格反射器)。第一材料层135的介电常数应当不同于第二材料层136的介电常数。第一材料层135可以由例如碳化硅、碳、二氧化钛、银、金、钨、铜、任何其他金属或金属合金、或任何其他适当的材料形成。第二材料层136可以由例如硅石、氮化硅、或任何其他适当的具有不同于第一材料层135的介电常数的介电常数的材料形成。第一材料层135和第二材料层136可以具有在大约0.05微米和大约8微米之间的厚度。

无源光子晶体结构134是一维光子晶体结构，其可以以与图3和4的无源光子晶体结构114相同的方式用作红外反射器，并且可以在辐射发射结构130内从内部反射辐射。红外辐射118被示为内部反射并且可见辐射119被示为透射通过图5中的无源光子晶体结构134。反射的红外辐射118可以被有源光子晶体发射器121吸收，由此进一步加热有源光子晶体发射器121并有助于光谱的可见区中的电磁辐射的发射。

此外，无源光子晶体结构134可以包括多个同心管状区(未示出)，在每个同心管状区中的第一材料层135和第二材料层136的厚度不同于其他区中的层的厚度。在这种结构中，每个区可以显示出不同于其他区的带隙的跨越波长范围的光子带隙。通过包括多个区，该多个区的带隙可以重叠，由此加宽了无源光子晶体结构114的有效带隙并改善了白炽灯100的效率。

辐射发射结构110、120、和130首先可以被形成为灯丝束，包括发射器并围绕无源光子晶体结构，具有大于最终产品所需的那些的截面尺寸，但是具有相同的尺寸比例。随后，该灯丝束可以利用已知的纤维或灯丝拉拔技术被拉拔以将该结构的总尺寸减小到所需的规格。这类技术在本领域中是已知的并且在美国专利号No.5,802,236(“′236专利”)和美国专利号No.6,522,820(“′820专利”)中被讨论，在此并入其内容作为参考。

例如，如在′236专利中讨论的，可以通过围绕中心硅石玻璃棒捆扎中空的硅石毛细管来形成预成型件，一定以最终期望图案的成比例的型式物理地设置它们。然后一个或多个硅石外包层管被放置在整个束周围并且在该束周围被熔化以形成期望的预成型件。然后使用常规技术拉拔该预成型件以产生光纤。该过程可以被稍微修改以形成辐射发射结构110、120、和130。例如，为了形成辐射发射结构110，第一中空硅石圆柱可以被较小的中空硅石毛细管围绕，其被设置成周期阵列。该结构可以被置于较大直径的第二薄硅石管内，其将毛细管保持在适当的位置。然后该结构可以被烧结以将硅石结构结合在一起。先前作为第一中空硅石圆柱的结构的内部可以用钨材料填充以形成适当尺寸比例的最终预成型件。然后可以按照′236专利中公开的那样拉拔该预成型件。在拉拔时，钨材料将变成有源辐射发射器111，第一中空硅石圆柱将变成中间材料层117，并且毛细管的阵列将变成无源光子晶体结构114。辐射发射结构120和130可以以类似的方式形成。

′820专利公开了可用于形成辐射发射结构110、120、和130的替换方法。如其中公开的，第一硅石预成型件可以被制造并且被切成薄的晶片。可以使用已知的光刻技术在每个薄晶片中并且通过每个薄晶片形成特征。然后这些薄晶片可以对准并且结合在一起以形成第二预成型件，然后可以通过已知技术将其拉拔成细长的灯丝以形成辐射发射结构。例如，为了形成辐射发射结构120，被薄薄地切片的硅石晶片可以被蚀刻以在每个硅石晶片的中心处形成孔或空隙，其随后可以用钨材料填充以形成在拉拔之后将变成有源光子晶体发射器121的结构。孔或空隙还可以形成在每个硅石晶片的外部外围边缘附近以形成在拉拔之后将变成无源光子晶体结构114的结构。辐射发射结构110和130可以以类似的方式形成。

如图6所示，另一示例性白炽灯200包括玻璃管202、在玻璃管202的各端处用于连接到电源的电端子204、和与电端子204电连通的电接触206。该灯200可以包括辐射发射结构110、120、和130中的任何一个。辐射发射结构110、120、和130可以被提供作为细长的灯丝，其可以以与常规白炽灯丝相同的方式被缠绕和双重缠绕。辐射发射结构110、120、和130被示为图6的灯200中的线圈结构。线圈结构可用于提供根据本发明的具有优于未缠绕结构的提高的效率的辐射发射结构。此外，玻璃管202的内部可以用如工业中已知的卤素气体填充以延长辐射发射结构的使用寿命并改善其工作特性。

图7A-7C中所示的示例性辐射发射结构140可用在示例性白炽灯100和200中的任何一个中。辐射发射结构140包括有源光子晶体发射器141和围绕有源光子晶体发射器141的无源光子晶体结构144。辐射发射结构140还可以包括中间材料层117(先前关于图3A的辐射发射结构110所描述的)。

有源光子晶体发射器141(图7B和7C)可以具有显示出介电周期性的三维晶格结构。该有源光子晶体发射器141可以包括在基质143内的交替层149中周期性设置的有源棒142。在每一层中，有源棒142彼此平行地设置并且彼此相隔在大约0.05微米和大约8微米之间的平均距离。每个有源棒142可以具有在大约0.05微米和大约8微米之间的厚度，并且可以具有在大约0.05微米和大约8微米之间的宽度。有源棒142的长度不是特别重要。每一层的有源棒142取向垂直于层149的有源棒142，直接在上面和直接在下面。有源棒142可以由例如钨、钨合金、碳、碳化硅、或任何其他适当的在被加热时将发射可见辐射的材料形成。该结构通常被称为“林肯圆木(Lincolnlog)”型光子晶体结构。有源光子晶体发射器141的基质143可以是例如空气、硅石、氮化硅、碳化硅、碳、氧化铝、或二氧化钛。

辐射发射结构140可以包括围绕有源光子晶体发射器141的无源光子晶体结构144。无源光子晶体结构144还可以被形成为具有与有源光子晶体发射器141相同的三维晶格结构。无源光子晶体结构144可以包括在基质146内的交替层149中周期性设置的无源棒145。在每一层149中，无源棒145可以彼此平行地设置，并且可以彼此相隔在大约0.05微米和大约8微米之间的平均距离。每个无源棒145可以是在大约0.05微米和大约8微米之间厚，并且是在大约0.05微米和大约8微米之间宽。无源棒145的长度不是特别重要。有源棒142可以由例如银、金、硅石、氮化硅、碳化硅、碳、二氧化钛、或任何其他适当的材料形成。无源光子晶体结构144的基质146可以是空气、硅石、氮化硅、碳化硅、碳、或二氧化钛。然而，无源棒145的材料应当具有不同于基质146的材料的介电常数的介电常数。可替换地，辐射发射结构140可以包括图3和4的无源光子晶体结构114来代替无源光子晶体结构144。

与有源光子晶体发射器141电相连的电接触147(图7A和7C)可以设置在辐射发射结构140的各端上用于与白炽灯100(图2)的电接触106电连通，或者与白炽灯200(图6)的电接触206电连通。无源光子晶体结构144可以借助中间材料层117与电接触147电绝缘以防止在操作期间电流流过无源光子晶体结构144。

无源光子晶体结构144是三维光子晶体结构，其可以以与图3和4的无源光子晶体结构114相同的方式用作红外反射器，以在辐射发射结构140内从内部反射辐射。红外辐射118被示为内部反射并且可见辐射119被示为透射通过图7B中的无源光子晶体结构144。反射的红外辐射118可以被有源光子晶体发射器141吸收，由此进一步加热有源光子晶体发射器141并有助于光谱的可见区中的电磁辐射的发射。

示例性辐射发射结构150在图8A-8C中示出，其可以用在示例性白炽灯100和200的任一个中。辐射发射结构150可以包括有源光子晶体发射器141(图8B和8C)(关于图7A-7C的辐射发射结构140所描述的)和围绕该有源光子晶体发射器141的无源光子晶体结构154。辐射发射结构150还可以包括中间材料层117(先前关于图3A的辐射发射结构110所描述的)。

无源光子晶体结构154可以具有与无源光子晶体结构144(先前关于图7A-7C的辐射发射结构140所描述的)相同的三维晶格结构，包括在基质156内的交替层159中周期性设置的无源棒155。然而，无源光子晶体结构154可以包括第一区157和第二区158(图8C)。第一区157的无源棒155可以小于第二区158的无源棒155。此外，在第一区157中相邻无源棒155之间的距离可以小于第二区158中相邻无源棒155之间的距离。这些差异可能导致第一区显示出跨越第一波长范围的第一光子带隙并且第二区158显示出跨越第二不同的波长范围的第二光子带隙(第一波长范围可以与第二波长范围交叠)。由此，整个无源光子晶体结构154的有效带隙可以相对于仅具有一个区和相应带隙的结构被加宽。

与有源光子晶体发射器141电相连的电接触147可以设置在辐射发射结构150的各端上用于其与白炽灯100(图2)的电接触106的连接，或与白炽灯200(图6)的电接触206的连接。无源光子晶体结构154可以借助中间材料层117与电接触147电绝缘以防止在操作期间电流流过无源光子晶体结构154。

无源光子晶体结构154是三维光子晶体结构，其可以以与图3和4的无源光子晶体结构114相同的方式用作红外反射器，并且可以在辐射发射结构150内从内部反射辐射。红外辐射118被示为内部反射并且可见辐射119被示为透射通过图8B中的无源光子晶体结构154。反射的红外辐射118可以被有源光子晶体发射器141吸收，由此进一步加热有源光子晶体发射器141并有助于光谱的可见区中的电磁辐射的发射。

辐射发射结构140和辐射发射结构150可以通过常规微电子制造技术形成在例如硅晶片、局部晶片、或玻璃衬底的支撑衬底上。用于沉积材料层的技术的实例包括，但不限于，分子束外延(MBE)、原子层沉积(ALD)、化学汽相沉积(CVD)、物理汽相沉积(PVD)、溅射沉积和其他已知的微电子层沉积技术。光刻也可以用于形成各层中的结构。此外，全息光刻可以用于构造辐射发射结构。可用于选择性地除去部分所述层的技术的实例包括，但不限于，湿法腐蚀、干法刻蚀、等离子体刻蚀、和其他已知的微电子刻蚀技术。这些技术是本领域中已知的，并且例如在美国专利号No.6,611,085(“′085专利”)中被讨论，在此并入其内容作为参考。

′085专利公开了用于形成光子工程白炽发射器的方法。该发射器通过采用逐层的方法重复沉积和刻蚀多个介电膜形成。为了形成辐射发射结构140和150，′085专利中公开的方法可以被修改以包括在有必要形成中间材料层117时在具有光子晶体结构的层中沉积硅石层或硅石区的步骤。作为最后的步骤，电接触147可以形成在有源光子晶体发射器144的各端上。

在本发明的替换实施例(未示出)中，例如有源光子发射器141的发射器可以被具有球形形状的材料围绕，该材料形成类似于中间材料层117的层。然后可以将灯丝缠绕在球形材料的外表面周围以形成外部的二维无源光子晶体结构，其可以以类似于无源光子晶体结构114的方式用作用于电磁波谱的可见区以外的电磁辐射的滤波器。该灯丝可以由例如碳、碳化硅、硅石、氧化铝、二氧化钛的介电材料形成，或者由例如银、金、钨、铜的金属、任何其他金属或金属合金形成。

包括这里公开的体现本发明的辐射发射结构的灯可以提供优于已知的白炽灯和灯丝的提高的效率。

尽管前面的描述包含多个细节，但是这些不应被解释为限制本发明的范围，而是仅提供特定示例性实施例。类似地，本发明的其他实施例可以被设计，其没有脱离本发明的精神或范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求及其合法等效物来表明和限定，而不是由前面的描述来表明和限定。对如这里公开的本发明的所有落入权利要求的意图和范围之内的添加、删除、和修改都被本发明所包含。

Claims (14)

1.一种辐射发射结构(110，120，130，140，150)，包括：

有源辐射发射器(111，121，141)；和

围绕该发射器的无源光子晶体结构(114，134，144，154)，其对于电磁波谱的可见区内的电磁辐射的波长是透明的。

2.如权利要求1的辐射发射结构，其中无源光子晶体结构显示出在电磁波长范围内的光子带隙，该电磁波长范围包括在其被加热时在由该发射器发射的电磁波谱的可见区以外的波长。

3.如权利要求1和2中的任何一个的辐射发射结构，其中无源光子晶体结构包括介电材料。

4.如权利要求1到3中的任何一个的辐射发射结构，其中无源光子晶体结构包括金属。

5.如权利要求1到4中的任何一个的辐射发射结构，其中无源光子晶体结构沿一维显示出介电周期性。

6.如权利要求5的辐射发射结构，其中无源光子晶体结构包括布拉格镜(134)。

7.如权利要求1到6中的任何一个的辐射发射结构，其中无源光子晶体结构沿二维显示出介电周期性。

8.如权利要求1到7中的任何一个的辐射发射结构，其中：

无源光子晶体结构沿三维显示出介电周期性；并且

该无源光子晶体结构包括三维晶格结构(144，154)。

9.如权利要求1到8中的任何一个的辐射发射结构，其中无源光子晶体结构包括多个区(157，158)，该多个区的每个区显示出在电磁波长范围内的光子带隙，该电磁波长范围包括在其被加热时在由该发射器发射的电磁波谱的可见区以外的波长，该多个区的每个区的光子带隙的范围不同于另一区的范围。

10.如权利要求1到9中的任何一个的辐射发射结构，其中该发射器包括有源灯丝(111，122)。

11.如权利要求1到10中的任何一个的辐射发射结构，其中该发射器包括有源光子晶体发射器(121，141)。

12.如权利要求1到11中的任何一个的辐射发射结构，进一步包括在无源光子晶体和该发射器之间的中间材料层(117)，其对于电磁波谱的可见区内的电磁辐射是透明的。

13.如权利要求12的辐射发射结构，其中中间材料层是电绝缘的。

14.一种包括如权利要求1到13中的任何一个所述的辐射发射结构(110，120，130，140，150)的白炽灯(100，200)。

Images