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.

Схема елементарної комірки хвилеводу показана на малюнку нижче. Періодичність решітки (а) дорівнює 0,43 мкм, а ширина хвилеводу (ш) та висота (год) становлять 0,50 та 0,22 мкм. Радіус отвору 0,28a, що дорівнює 0,12 мкм. Враховуючи 1d-періодичність, ми обчислюємо дисперсійне відношення в незводимій зоні Бриллюена, яка охоплює осьові хвильові вектори вздовж напрямку X від 0 до π/a. Це показано на малюнку нижче. Існує ширина смуги, область, в якій відсутні керовані режими, в діапазоні довжин хвиль 1,30-1,70 мкм. Також показана світла лінія повітря.

Сценарій моделювання, використаний для створення цієї цифри, показаний нижче. MPB підтримує лише періодичні граничні умови Блоха. Елементна комірка хвилеводу періодична лише в одному напрямку (X). Отже, два інших напрямки повинні бути достатньо великими, щоб керовані режими, які експоненційно занепадають від хвилеводу, створювали поля з незначними значеннями на кордонах. У цьому прикладі зосереджені моди з непарною дзеркальною симетрією у Y та парною дзеркальною симетрією в Z. Всі довжини нормуються періодичністю гратки. Ми запускаємо сценарій моделювання з терміналу оболонки, передаємо результати у файл, а потім створюємо відповідний вміст в окремому файлі для побудови графіку. На машині з одним процесором AMD Opteron 2,8 ГГц це займає кілька секунд. Нарешті, ми будуємо результати за допомогою matplotlib . Файли: Сценарій моделювання, сценарій запуску оболонки, результати графіку. [gzipped tarball]

Проект Meep №3 - Резонансні режими фотонно-кристалічної порожнини нанопроменя

Meep Project # 4 - Спектри поглинання ближнього інфрачервоного випромінювання датчиків зображення CMOS

Безкоштовні напівпровідникові оксидні металеві (КМОП) датчики зображення широко використовуються в модулях камер мобільних пристроїв завдяки нижчому енергоспоживанню та кращим можливостям зчитування електричних характеристик, ніж датчики із зарядним пристроєм (ПЗС). CMOS-датчики зображення для видимого світла нещодавно були розширені до ближнього інфрачервоного випромінювання (ІЧ) для застосувань, включаючи біомедицину, безпеку та хімічну спектроскопію. Завдання проекту передбачає посилення захоплення світла окремими пікселями на довжинах хвиль близько ІЧ, де коефіцієнт поглинання кремнію малий.

Сценарій моделювання Meep складається з трьох основних компонентів: (1) визначення параметрів вольфрамового та кремнійного матеріалу за широкосмуговим спектром довжин хвиль, (2) налаштування геометрії суперклітини, що включає квадратну решітку перевернутих конусів, і (3) обчислення поглинання металева сітка та підкладка через загальний потік у цих регіонах. Параметри кремнієвого матеріалу отримують шляхом пристосування експериментальних значень кристалічного кремнію до ближнього ІЧ-спектру довжини хвилі до одного терміну сприйнятливості Лоренца та додавання невеликого уявного компонента. Це пояснюється в розділі додаткової інформації в "Прикладна фізична література", вип. 104, No 091121, 2014 (pdf). Всі матеріали включені до бібліотеки матеріалів Міпа. Як джерело використовується звичайна падаюча плоска хвиля у повітрі над пристроєм. Решітка суперклітини містить 3 × 3 елементарні комірки з періодичними граничними умовами. Використовуються чотири площини потоку: одна для відображення і три для передачі. Поглинання розраховується як різниця в потоці, що надходить і виходить з кожної області (нормується загальним потоком лише від джерела). Таким чином, ми можемо розрахувати поглинання по всьому широкосмуговому спектру для будь-якої кількості прямолінійних областей, використовуючи одне моделювання.

Ми створимо сценарій оболонки Bash для запуску трьох моделювань для кожного дизайну решітки: (1) порожня комірка з лише джерелом, (2) плоска підкладка та (3) текстурована підкладка. Періодичність решітки (a) змінюється в діапазоні від 0,40 до 0,70 мкм. Вихід моделювання передається у файл для подальшої обробки в Python. Лівий малюнок нижче - контурний графік поглинання підкладки як функція довжини хвилі та періодичності решітки. Це частка падаючого світла, яка поглинається просто кристалічно-кремнієвою підкладкою. Для всіх конструкцій решітки поглинання є найбільшим при найменших довжинах хвиль, що очікується. Права фігура показує посилення поглинання основи за рахунок решітки щодо плоскої основи (тобто, відсутність решітки). Решітка виробляє залежні від довжини хвилі ефекти розсіювання, які можна побачити як темні плями на контурному графіку.

Оптимальною є конструкція решітки, яка має найбільше середнє поглинання у широкосмуговому спектрі a= 0,64 мкм при 24,5% ± 12,2%. Графік поглинання основи та сітки, а також відображення від пристрою для цієї конструкції решітки показані на лівому малюнку нижче. Для порівняння, середнє поглинання підкладки для еталонної конструкції без решітки становить 15,4% ± 8,5%. Оптимальна решітка дає середнє посилення на довжину хвилі 1,6 ± 0,6.

Проект Meep №5 - Спектри теплового випромінювання плазмонічних метаматеріалів

Ми можемо використовувати Meep для обчислення спектрів теплового випромінювання металевих приладів. Це базується на законі Кірхгофа про теплове випромінювання, який говорить, що для довільного тіла, що випромінює і поглинає теплове випромінювання в термодинамічній рівновазі, коефіцієнт випромінювання дорівнює поглинання. Отже, обчислення коефіцієнта випромінювання (або випромінювання) пристрою еквівалентно обчисленню його поглинання (або поглинання). Спектри теплового випромінювання пристрою є добутком його поглинання зі спектром випромінювання чорного тіла, заданим законом Планка.

На схемі нижче показано геометрію елементарних клітин плазмонного метаматеріалу. Дизайн заснований на J. Optical Society of America B, Vol. 30, с. 165-172, 2013. Структура складається з квадратної решітки циліндричних платинових (Pt) стержнів поверх напівнескінченної кремнієвої підкладки. У реальному експерименті на шар Pt застосовується джоулеве або конвективне нагрівання та вимірюється теплове випромінювання за допомогою інфрачервоної камери. Під час моделювання плоска хвиля, як правило, падає від повітряної області над пристроєм. Періодичні граничні умови використовуються в xy плоскі та ідеально узгоджені шари (ПМЛ) у поперечному z напрямку. Поглинання може бути отримано просто як 1-відбивна здатність, використовуючи один монітор потоку, як показано на схемі. Пропускання через шар Pt в підкладку не відбувається, оскільки падаюча плоска хвиля або відбивається від пристрою, або поглинається поверхнево-плазмонними поляритонами.

Завданням проекту, таким як зондування, є пошук геометрії решітки, яка має один пік випромінювання з мінімальною пропускною здатністю та максимальною амплітудою в діапазоні довжин хвиль ближнього ІЧ-спектру (тобто, 2-5 мкм). Існує два ступені свободи: періодичність решітки (a) і радіус стрижня (r). Висота стрижня (год) фіксована. Враховуючи невелику кількість параметрів, ми можемо дослідити весь проектний простір, використовуючи грубий пошук. Сценарій моделювання, сценарій запуску оболонки та зразки результатів показані нижче.

Зверніть увагу, що цей розрахунок випромінювальної здатності призначений для теплового випромінювання, спрямованого вгору. Для обчислення теплового випромінювання в напрямку донизу (що в основному вважається втратою), нам потрібно було б зробити окремий розрахунок, щоб отримати випромінювальну здатність у напрямку донизу. Це означало б надсилання плоскої хвилі з знизу обчислювальної комірки та обчислення поглинання з використанням того самого підходу, що включає відбивання. Частка від загальної кількості випромінювання, яка спрямована вгору, тоді є відношенням випромінювальної здатності у напрямку вгору над сумою випромінювальних потужностей у верхньому і низхідному напрямках.

Ми також можемо розрахувати спектри теплового випромінювання під косим кутом θ. Це дано рівнянням 63.24 на сторінці 189 Статистичної фізики, третє видання, 1980 р. Л.Д. Ландау та Е. М. Ліфшиц як: e '(λ) cos (θ) A (λ, θ), де e' (λ) - спектр випромінювання чорного тіла, а A (λ, θ) поглинання. Ми розраховуємо кутові спектри випромінювання cos (θ) A (λ, θ) в діапазоні [0 °, 30 °] для конструкції метаматеріалів з a = 4,3 мкм і r = 1,72 мкм. Ця структура має одинарний вузькосмуговий пік випромінювання майже 0,8 при довжині хвилі 4,4 мкм, що показано на лівому малюнку нижче.

Далі наведено сценарій запуску оболонки та сценарій побудови графіку. Файли: Сценарій моделювання, Сценарій запуску оболонки №1, Сценарій запуску оболонки №2, Результати графіку. [gzipped tarball]

Проект Meep №6 - Двонаправлена функція розподілу розсіювання (BSDF) асиметричних решіток

У цьому прикладі ми використовуємо Meep для обчислення функції двонаправленого розподілу розсіювання (BSDF) дифракційної решітки. BSDF використовуються при трасуванні променів для фізичного візуалізації текстурованих поверхонь з характеристиками довжини хвилі або довжини хвилі (тобто мікро- або наномасштабу). BSDF решітки включає обчислення коефіцієнта відбиття і пропускання на одній довжині хвилі для всіх можливих порядків дифракції (або "променів") для падаючого джерела плоских хвиль у діапазоні кутів. Цей розрахунок подібний до прикладу підручника Meep для двійкової решітки.