首页 > 解决方案 > 光电子与通讯 > RSoft_LED及 RSoft_LED及其出光效率仿真

案例背景
  RSoft
可用于微观器件层面的波动光学仿真,通常的光学设计应用中均以几何光学近似处理宏观问题,忽略其波动效应与几何近似的误差。因此,如果涉及到器件级别的光学仿真,则很有可能需要用波动光学来精确求解。例如,若要比较真实的仿真LED的出光模型与其出光效率,则必须在波动光学范畴进行考察。本案例即展示应用RSoft进行LED发光模型及其出光效率的仿真。

问题描述
  LED
全称Light Emitting Diode,工作时,首先载流子被注入到工作区,然后载流子湮灭后释放出光子,其中的一部分光子逃逸到空气中,而其余的光子则被束缚在结构中并最终被吸收。


 

一、LED发光特性:
Ø 非相干
  理论线宽:

Ø 非偏振
在各个方向随机偏振

二、LED出光效率:
Ø 总的出光效率由LED的内部量子产率和光提取效率决定

 


Ø 相当的一部分光线由于发生全反射而被束缚在LED结构内部

 

研究目标
Ø 研究适用于模拟LED非相干、非偏振发光的方法
Ø 计算LED结构的光提取效率

模拟方法
Ø 非相干
    n 空间非相干
        同时仿真两个点光源,直接叠加会出现相干

 

        每次仿真一个点光源,然后进行非相干叠加

    n 时间非相干
        依辐射谱加权叠加


Ø 非偏振
分别模拟XYZ方向互相正交偏振的三个偶极子光源,然后非相干叠加,远场仿真图样显示出非偏振特性

 

使用模块
Ø FullWAVE
基于时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)方法,不做任何近似直接求解麦克斯韦方程组,是纳米级别光器件仿真的严格和有力工具,可以仿真任何结构和现象,只受限于计算能力。
Ø LED Utility
n 自动化设计过程
创建两个隐藏监视器
u 一个平面监视器,在Z方向最大位置监视提取能量和近场数据,然后计算远场数据
u 一个体积监视器,围绕点光源监视总能量
在一个纳米图案结构周期内的不同位置,仿真多个非偏振偶极子
结合每次仿真的远场辐射图样和提取能量,计算LED器件性能
结果可以是单波长或可选权重的波段
n 任何参数(结构,材料,仿真等)都可以很容易的进行扫描和优化,达到预期的器件性能

 


仿真实例

 

    采用纳米结构的LED具有两个主要优点:

Ø 改善提取效率

 

Ø 控制辐射图样轮廓

 

Ø 单波长远场图样

 

Ø 提取效率

 

Ø 远场叠加图样
LED辐射谱加权平均单波长远场结果


改进方案
    计算域尺寸
    要测量提取光能量,图案结构相比平面结构需要更大的计算域


    因此,图案结构需要更多的内存和更多的计算时间
  Ø 三维模型
    三维模型可以给出真实的结果,但是需要大量的计算资源,包括内存和计算时间,常常需要数天和数十G内存


  Ø 二维模型


  Ø 二维径向模型


  Ø 仿真结果对比
    n 平面结构
      u 二维结构高估提取效率
      u 二维径向结构与三维结构相同
        l 节省数倍内存
        l 节省数倍时间


    n 图案结构
      u 对于三维的PBG结构,二维径向结构很好的近似了三维模型
        l 节省数倍内存
        l 节省数倍时间
      u 由于理想的环形结构,二维径向结构过高估计了进取效率