Lumerical针对MicroLED的仿真实例

01说明

在此示例中，我们使用 STACK和 FDTD 光学求解器来表征圆柱形micro-LED 并提取其发射功率和辐射模式。

02综述

在使用 FDTD 模拟全 3D 器件之前，使用 STACK 光学求解器获得来自平面 LED 活性层的非相干、非偏振发射，可以快速表征和优化层的厚度和材料。优化之后我们使用一系列 FDTD 模拟来取样 micro-LED 与孔径边缘不同距离下的非相干、非偏振发射，搭配后处理分析并使用 FDTD 确定光提取效率。

步骤1：使用 STACK 光学求解器表征 1D 叠层

在这一步中，我们搭配脚本使用 STACK 光学求解器来分析器件的平面发射，包含构建叠层并从材料数据库中提取材料属性。

脚本也使用 stackpurcell 指令计算 Purcell 因子(偶极子辐射功率在现有结构中的萃取情况除以在均匀介质中萃取情况的比值)，以及计算发射到蓝宝石与空气中功率密度与波长、角度的分布关系。脚本还对功率密度进行积分，计算总向上功率。如下图所示。这些结果方便后续与 3D FDTD 仿真进行比较。

此外，脚本也使用 stackdipole 来获得作为给定偶极子光谱的角度函数的亮度和辐射度，以及 X、Y、Z 三刺激值。

步骤2：使用 3D FDTD 模拟圆柱形micro-LED

此步骤中使用“远场”分析组将计算流出盒子的总功率，以及远场（距离为 1 米）中的归一化坡印廷矢量，归一化条件为偶极子在与叠层具有相同折射率的均匀介质中发射的功率。因是归一化的， Poynting 矢量的积分等于在整个上半空间传播的总功率，此外，分析组可以计算 P和角度或是与波长的关系。

这些可以应用于进一步的计算, 例如，我们将总提取效率计算为 34.4 度的锥体（从蓝宝石提取到空气）

接着用扫描工具存储“远场”分析组针对偶极子的各种位置和极化的所有结果。扫描设置为计算 3 个偶极极化,以及取样 11 个位置代表与边界不同距离的情况，总共进行 33 次模拟。接着运用脚本提取 P与角度的关系，将 3 个偶极方向的结果平均来计算非极化偶极发射的结果。然后，假设每单位面积的偶极子密度均匀，则可以将每个偶极子都乘以一个与其代表的环的面积成正比的权重，将各位置的远场加起来。

以下是计算功率密度与 625nm 附近单个波长处的 theta 的关系，与在相同波长附近约 10nm 宽的偶极子光谱上的光谱积分的比较。

以下也将在 34.4 度锥体中发射到空气中的总功率计算出来,结果如下图。

从上面的仿真可以看到在微纳仿真中考虑偏极的处理方法,以及孔径尺寸对于整体器件光场的影响。我们可用类似的观念,来变化应用到各种LED或OLED有限尺寸的应用，如有限大小的OLED显示器像素或不同形状的LED单元。

审核编辑：汤梓红