Proiecte Simpetus

Diodele organice care emit lumină (OLED) sunt din ce în ce mai utilizate în aplicațiile de afișare care implică dispozitive mobile și televizoare datorită raporturilor de contrast mai mari, uniformității culorilor și unghiului de vizualizare mai larg decât afișajele cu cristale lichide. Una dintre principalele limitări ale eficienței energetice OLED este extragerea luminii reduse din dispozitiv. În acest exemplu, folosim Meep pentru a calcula eficiența de extragere a luminii unui OLED. Aceasta se bazează pe rezultatele publicate în Applied Physics Letters, Vol. 106, nr. 041111, 2015 (pdf). Brevetul SUA 9761842, legat de această lucrare, a fost licențiat de Universal Display Corporation (NASDAQ: OLED).

O structură tipică de dispozitiv pentru un OLED care emite fund este prezentată mai jos. Dispozitivul este format dintr-un teanc de patru straturi plane. Stratul organic (ORG) se depune pe un substrat de sticlă acoperit cu oxid de staniu (ITO) cu un strat catodic de aluminiu (Al) deasupra. Electronii sunt injectați în stratul organic din catodul Al și găurile din anodul ITO. Acești purtători de încărcare formează stări legate numite excitoni care se recombină spontan pentru a emite fotoni. Lumina este extrasă din dispozitiv prin suportul de sticlă transparentă. O parte din lumină, totuși, rămâne blocată în dispozitiv ca (1) moduri de ghid de undă în straturile ORG/ITO cu indice ridicat și (2) polaritoni de suprafață-plasmon (SPP) la interfața Al/ORG. Aceste pierderi reduc semnificativ eficiența cuantică externă (EQE) a OLED-urilor. Calculăm fracțiunea din puterea totală din fiecare dintre aceste trei componente ale dispozitivului pentru emisii în bandă largă de la o sursă albă cuprinsă între 400 și 800 nm. Rezultatele pot fi obținute utilizând o singură simulare cu diferență finită în timp (FDTD).

Există trei caracteristici cheie implicate în dezvoltarea unui model precis. (1) Proprietăți materiale: Indicele de refracție complex pe întregul spectru de bandă largă trebuie importat pentru fiecare material. Acest lucru necesită adaptarea datelor materiale la o sumă de termeni de sensibilitate Drude-Lorentzian. În acest exemplu, tratăm sticla, ITO și organic ca fiind fără pierderi, deoarece coeficientul lor de absorbție este mic. Indicele de refracție al lui Al poate fi obținut din Applied Optics, Vol. 37, pp. 5271-83, 1998. (2) Recombinarea excitării ca sursă de lumină: Un ansamblu de excitoni recombinați spontan produce emisii incoerente. Acest lucru poate fi modelat folosind o colecție de surse punct-dipol cu ​​fază aleatorie poziționată în stratul organic. Având în vedere natura stochastică a surselor, rezultatele trebuie mediate folosind eșantionarea Monte-Carlo. Numărul probelor trebuie să fie suficient de mare pentru a se asigura că varianța cantităților calculate este suficient de mică. (3) Monitoare de flux: Puterea totală separată în cele trei componente ale dispozitivului este calculată folosind monitoare de flux. Dimensiunea și poziția acestor monitoare trebuie alese corect pentru a capta pe deplin câmpurile relevante.

Proiectul MPB # 1 - Moduri de ghiduri de undă de siliciu pe izolator (SOI)

O componentă cheie a circuitelor integrate fotonice din siliciu sunt ghidurile de undă. Aceste dispozitive sunt fabricate de obicei pe plăci de siliciu pe izolatoare (SOI). Lumina cu infraroșu la 1,55 și # 956m, lungimea de undă standard pentru telecomunicații care utilizează fibre de silice, este direcționată în interiorul siliciului folosind ghidarea indexului. Vom folosi MPB pentru a calcula relația de dispersie, cunoscută și sub numele de diagramă de bandă, a acestor moduri de ghid de undă, așa cum se arată în figura dreaptă de mai jos. Accentul este de a proiecta un ghid de undă care este un singur mod pentru cea mai joasă bandă (adică modul fundamental).

Figura din stânga arată structura dispozitivului. Ghidul de undă din siliciu are o secțiune transversală dreptunghiulară cu lățime w și înălțime h. Oxidul îngropat, de obicei dioxidul de siliciu, se află sub ghidul de undă. Un substrat de siliciu este dedesubt. Nici o placare nu este plasată deasupra ghidului de undă care este înconjurat de aer. Axa de propagare este de-a lungul lui X. Aceasta este direcția în care ghidul de undă este invariant translațional.

Proiectul Meep # 2 - Optimizarea puterii radiate pe câmpul îndepărtat a cuplelor de rețea SOI Bragg

Cuplarea luminii în și din circuitele integrate fotonice din siliciu este o parte importantă a funcționării generale a dispozitivului. De exemplu, cuplajele sunt necesare atunci când un laser extern este utilizat ca sursă de lumină sau când semnalul circuitului trebuie transferat la o fibră optică pentru transmisie pe distanțe lungi. Acest exemplu implică proiectarea unei structuri de rețea pentru a decupla lumina dintr-un ghid de undă al benzii SOI și pentru a direcționa fasciculul într-o direcție dată în câmpul de îndepărtare a vidului, reducând în același timp pierderile datorate reflexiei și împrăștierii. Vom folosi Meep pentru a calcula puterea radiată a câmpului îndepărtat al dispozitivului și pentru a optimiza designul prin integrarea Meep cu NLopt, o bibliotecă open-source pentru optimizare neliniară.

Designul outcouplerului se bazează pe Optics Express, Vol. 22, pp. 20652-62, 2014, care este o grătare concentrică Bragg cu laturi unghiulare, prezentată în figurile de mai jos. Portul de intrare este un ghid de undă cu bandă SOI care este conectat la rețeaua Bragg.

care este

Figura de mai jos prezintă secțiunea transversală a dispozitivului în planul XY al celulei de calcul. Există doi parametri utilizați pentru a proiecta cuplajul de rețea Bragg: periodicitate A și lungimea d. În acest exemplu, numărul de perioade de grătar și unghiul lateral sunt constante (5 ° și 20 °). Lațimea w și înălțime h din ghidul de undă sunt 500 nm și 220 nm, identic cu ghidul de undă monomod descris în secțiunea anterioară. O sursă de mod propriu este plasată la marginea stângă a portului de intrare pentru a excita modul ghid de undă la 1,55 și # 956m. Celula de calcul este înconjurată de toate părțile de straturi perfect potrivite (PML) care absorb limitele.

Proiectul MPB # 2 - Gap-ul de bandă al ghidului de undă cu cristale fotonice

Ghidurile de undă unidimensionale ale cristalului fotonic constând dintr-o serie periodică de găuri cilindrice într-o placă de siliciu cu secțiune transversală dreptunghiulară se găsesc într-o gamă largă de aplicații care implică lasere, optomecanică și optică cuantică. O caracteristică importantă a acestor structuri este că pot suporta moduri de cavitate cu pierderi reduse, având factori de calitate care depășesc de obicei 10 6 (așa cum este demonstrat în secțiunea următoare) și sunt mai ușor de fabricat decât omologii lor 2d sau 3d. Vom folosi MPB pentru a calcula relația de dispersie a unui ghid de undă de nanobaz de cristal fotonic 1d bazat pe designul din Applied Physics Letters, Vol. 94, nr. 121106, 2009 (pdf). Această structură poate fi fabricată folosind o plachetă SOI.