关于LED光提取效率计算的的光源使用问题

mode
#1

孙老师您好,我在做LED提取效率的时候想使用模式源来模拟led内部激发的模式可行吗?可行的话模式源该怎样设置呢?

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#2

原则上可以,但是我需要看到你的结构才可以提供进一步的帮助。

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#3

老师您好,下图是我的LED结构,我是想先做二维仿真,从上到下材料依次是Air GaN Al2O3,仿真区域是10um*4um,GaN上做的一维光子晶体的结构,刻蚀深度取得是0.2um 周期 0.166um 占空比0.5。

   我自己先试着仿了下 模式源取了0.465um一个波长 mode selection选的是fundamental mode 得到的结果T只有0.0041 跟用点源的时候差别巨大

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#4

仅从这个图可以看出一些问题:
1:你的光源是放在光栅的齿上还是空气部分?
2:光源的尺寸有没有将模式截断?一般在光源区域的边缘,振幅应该至少降到例如千分之一;否则应该加大光源尺寸。
3:监视器是放在上面?请添加一个Profile监视器看看光场是怎么分布的。

LED的发光层在哪里?你这样仿真有依据吗?如上次所说,一般可以分析LED支持的模式,能不能用来作为光效率提取我个人还不知道,你有参考文献可以分享吗?

偶极子是各个方向发光,而用模式光源,你只是在提取有限距离上被光栅耦合出去的光,两者应该是不同的。仿真的器件越长耦合出去的越多。

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#5

@201411805
对于LED芯片的光抽取效率,我觉得使用偶极子光源比较好一些。LED芯片发光是量子阱整个面发光,最好可以把偶极子在量子阱这一层排列成一个阵列。看光的抽取效率,可以通过远场光光强得到出射光的能量。出射光的能量比上光源的能量,就是光的抽取效率。由于量子阱这一层的折射率(InGaN/GaN)高于P型GaN层和N型GaN层,而GaN的折射率又比蓝宝石高,也比封装使用的环氧树脂高。光的正面出射存在一个escape cone,只有从这个escape cone内出射的光,才可以顺利的出射。整个建模可以分几步走:(1) 先使用一个偶极子光源在芯片的正中央量子阱处辐射。
(2) 在第一个步骤得到合理结果的基础上,使用多个偶极子光源,按照一定的排列布满整个量子阱层。还不清楚各个偶极子光源的排列会对仿真会有什么样的影响。不同偶极子之间会不会相互影响。
(3) 另一个方法是使用自定义的光源。看能否找到一个函数表达来表征整个量子阱面的发光。我觉得也可以尝试使用其他的软件比如STR, CrossLight, 或者Silvaco做量子阱整个面的辐射复合发光,再把光源的数据导出,作为Lumerical FDTD Solutions的光源,来进行纯光学的仿真。

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#6

谢谢 quentinl
我对第二第三两个问题有些补充。
Lumerical一般仅使用单个偶极子在不同的特定位置来激发,参见
https://apps.lumerical.com/oleds_simulation_methodology.html
https://apps.lumerical.com/oleds_reduce_number_of_simulations.html
而不使用多个偶极子光源同时激发, 这是为了避免偶极子之间的相互作用和相干作用。 当然, LED和OLED实际上都是部分相干光,与完全非相干还有区别,但是与多光源相比,完全非相干仿真的结果更接近实际。对此,早年Lumerical与飞利浦欧洲实验室合作开发的此方法,已经与实验结果做过比对,非常接近。 H. Greiner and J. Pond, “Simulation of Light Extraction from OLEDS using FDTD Solutions”, presented at NFO9, Lausanne, Switzerland, September 2006

对于第三个问题,的确有人开发出所谓的“ 面发光光源”,其中我曾经审阅的一篇文章是用N乘N个偶极子光源,这种方法同样存在这严重的理论问题: 空间相干性无法得知,实际上空间相干性很强,这与实验不符。

目前有用Weigner函数方法的文献, 但是我看了以后,并不比目前Lumerical的方法好多少, 也是需要很多次仿真的。

原则上说,非相干光可以由大量随机偶极子(位置、偏振、初始位相、振幅、出光时间等)表征,但是如果准确知道这些偶极子总的辐射功率是个难题,因为它们相互作用!

一般计算光提取效率是指功率,不是能量。

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#7

谢谢孙老师的解释。
在电磁学里边,波印廷矢量的单位是瓦特每平方米,面积分后是功率的单位。如您所述,是按照功率来计算的。我混淆概念了。
在量子力学里边,光抽取效率是外量子效率的组成部分之一,即:内量子效率与抽取效率之积为外量子效率。由于光子是一个一个的传播的,算效率的时候,使用出射光子能量之和比上产生光子能量之和。对于单一频率或光谱半高宽非常窄的光,每一个光子的能量实际上是一样的,这样直接使用出射的光子数量和产生的光子数量之比。我记得江剑平老师的《半导体激光器》里边是按照光子的数目来定义量子效率的。

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