Проекти Simpetus
Органічні світлодіоди (OLED) все частіше використовуються в програмах відображення, що включають мобільні пристрої та телевізори, завдяки їх вищим коефіцієнтам контрастності, однорідності кольорів та ширшому куту огляду, ніж рідкокристалічним дисплеям. Одним з основних обмежень енергоефективності OLED є низький рівень вилучення світла з пристрою. У цьому прикладі ми використовуємо Meep для обчислення ефективності вилучення світла OLED. Це базується на результатах, опублікованих у Applied Physics Letters, Vol. 106, No 041111, 2015 (pdf). Патент США 9761842, пов’язаний з цією роботою, ліцензований Universal Display Corporation (NASDAQ: OLED).
Типова структура пристрою для OLED, що випромінює дно, показана нижче. Пристрій складається з стопки з чотирьох площинних шарів. Органічний (ORG) шар наноситься на скляну підкладку з оксидом індію олова (ITO) із алюмінієвим (Al) катодним шаром зверху. Електрони вводяться в органічний шар від катода Al та дірки від анода ITO. Ці носії заряду утворюють зв’язані стани, звані екситонами, які спонтанно рекомбінуються, випромінюючи фотони. Світло витягується з пристрою через прозору скляну підкладку. Однак частина світла залишається зафіксованою всередині пристрою як (1) хвилеводні режими у високоіндексних шарах ORG/ITO та (2) поверхнево-плазмонні поляритони (SPP) на інтерфейсі Al/ORG. Ці втрати значно зменшують зовнішню квантову ефективність (EQE) OLED. Ми обчислюємо частку загальної потужності в кожному з цих трьох компонентів пристрою для широкосмугового випромінювання від білого джерела в діапазоні від 400 до 800 нм. Результати можуть бути отримані за допомогою єдиного моделювання з кінцевою різницею в часовій області (FDTD).
Існує три ключові особливості, пов’язані з розробкою точної моделі. (1) Властивості матеріалу: Для кожного матеріалу необхідно імпортувати складний показник заломлення по всьому широкосмуговому спектру. Це вимагає узгодження матеріальних даних із сумою показників чутливості Друде-Лоренца. У цьому прикладі ми розглядаємо скло, ITO та органічні речовини як без втрат, оскільки їх коефіцієнт поглинання невеликий. Показник заломлення Al можна отримати з прикладної оптики, вип. 37, с. 5271-83, 1998. (2) Рекомбінація ексітонів як джерела світла: Ансамбль спонтанно рекомбінуючих екситонів виробляє некогерентне випромінювання. Це можна змоделювати за допомогою колекції точкових дипольних джерел із випадковою фазою, розташованою в органічному шарі. З огляду на стохастичну природу джерел, результати повинні бути усереднені за допомогою вибірки Монте-Карло. Кількість зразків повинна бути достатньо великою, щоб забезпечити достатньо малу дисперсію обчислених величин. (3) Флюсові монітори: Загальна потужність, розділена на три компоненти пристрою, обчислюється за допомогою потокових моніторів. Розмір і розташування цих моніторів повинні бути обрані правильно, щоб повністю охопити відповідні поля.
Проект MPB №1 - Режими смугових хвилеводів кремнію на ізоляторі (SOI)
Ключовим компонентом кремнієвих фотонних інтегральних схем є хвилеводи. Ці пристрої зазвичай виготовляються на пластинах з кремнієм на ізоляторі (SOI). Інфрачервоне світло на 1,55 μм, стандартна довжина хвилі для телекомунікацій, що використовують кремнеземні волокна, направляється всередину кремнію за допомогою напрямних покажчиків. Ми будемо використовувати MPB для обчислення дисперсійного відношення, також відомого як смугова діаграма, цих хвилеводних режимів, як показано на рисунку нижче. Основна увага приділяється проектуванню хвилеводу, який є одним режимом для найнижчої смуги (тобто основного режиму).
На лівій фігурі показано структуру пристрою. Кремнієвий хвилевід має прямокутний переріз із шириною w і висота h. Заглиблений оксид, як правило, діоксид кремнію, знаходиться нижче хвилеводу. Внизу кремнієва підкладка. Поверхня хвилеводу, оточеного повітрям, не накладається. Вісь поширення вздовж X. Це напрямок, в якому хвилевід поступально інваріантний.
Проект Meep №2 - Оптимізація потужності випромінювання далекобійних решіток SOI Bragg
З'єднання світла з кремній-фотонними інтегральними схемами та поза ними є важливою частиною загальної роботи пристрою. Наприклад, муфти потрібні, коли зовнішній лазер використовується як вхідне джерело світла або коли сигнал ланцюга повинен передаватися на оптичне волокно для передачі на велику дальність. Цей приклад включає проектування решітчастої структури, щоб виводити світло із хвилеводу смуги SOI і направляти пучок у заданий напрямок у вакуумному далекому полі, мінімізуючи втрати внаслідок відбиття та розсіювання. Ми використаємо Meep для обчислення потужності випромінюваного пристрою в далекому полі та оптимізації дизайну, інтегруючи Meep з NLopt, бібліотекою з відкритим кодом для нелінійної оптимізації.
Дизайн розетки заснований на Optics Express, Vol. 22, с. 20652-62, 2014, яка представляє собою концентричну браггівську решітку з кутовими сторонами, показану на малюнках нижче. Вхідний порт являє собою хвилевод стрічковий SOI, який підключений до решітки Брегга.
На малюнку нижче показано переріз пристрою в площині XY обчислювальної комірки. Існує два параметри, що використовуються для проектування решітки Брегга: періодичність a і довжина d. У цьому прикладі кількість періодів решітки та бічний кут є постійними (5 ° та 20 °). Ширина w і висота h хвилеводу складають 500 нм і 220 нм, ідентичні одномодовому хвилеводу, описаному в попередньому розділі. Джерело власної моди розміщено на лівому краю вхідного порту для збудження хвилеводного режиму на 1,55 μм. Обчислювальна комірка оточена з усіх боків ідеально підібраним шаром (ПМЛ), що поглинає межі.
Проект MPB №2 - Розрив діапазону фотонно-кристалічного нанопроменевого хвилеводу
Одновимірні фотонно-кристалічні хвилеводи, що складаються з періодичного масиву циліндричних отворів усередині кремнієвої плити прямокутного перерізу, знаходяться в широкому діапазоні застосувань, що включають лазери, оптикомеханіку та квантову оптику. Важливою особливістю цих конструкцій є те, що вони можуть підтримувати порожнинні режими з низькими втратами, що мають коефіцієнти якості, як правило, що перевищують 106 (як показано в наступному розділі), і їх простіше виготовити, ніж їхні колеги 2d або 3d. Ми будемо використовувати MPB для обчислення дисперсійного співвідношення 1d фотонно-кристалічного нанопроменевого хвилеводу на основі проекту в Applied Physics Letters, Vol. 94, No 121106, 2009 (pdf). Цю структуру можна виготовити за допомогою пластини SOI.