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| 25I-T25 2025-11-微纳光学第二课-模型建立3 案例实操 ： LED OLED 光学发光模型与可视化扫描工具使用.pdf |
微纳光学第二课-模型建立3 案例实操 ： LED/OLED 光学发光模型与可视化/扫描工具使用 |
2025-11-20 16:45:55 2025-11-20 16:45:55 |
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微纳光学第二课-模型建立3 案例实操 ： LED/OLED 光学发光模型与可视化/扫描工具使用
2025.11.201. 前言
针对 LED/OLED 发光应用，Lumerical 官网与莎益博光电公众号都有一些文章可以参考，这些文章比较注重模型的后处理结果，即 Lumerical 可以做到各领域的分析需求，后处理除了 GUI 的图之外会涉及一些脚本，本篇仅专注于模型建立部分。
显示应用产品随规格越来越高，结构更加复杂也更加精细，因而1D 厚度堆栈的仿真已经无法满足。但在仿真之初还是会先用 STACK计算单纯堆栈的发光光型，以及增益谱，接着比较严谨的作法是把同样的结构放入 FDTD 调整网格、仿真区域等对象做出与 STACK 相近的结果，再进一步加上其他结构，比如 PDL 的侧面形状，或是其他调整光型结构。
本篇说明会根据系列文章的思路来进行思考。无关软件的部分，是对于材料或是尺寸的取得情况，来判断能获得那些结果。有关仿真的设置步骤，则由仿真范围开始考虑，仿真对象与网格设置的经验分享等，材料请参考系列文章的模型建立1。文中会有 STACK 与 FDTD 的操作小 tips，建议搭配微纳光学几篇观念文章与官网一起学习，也会穿插 Lumerical 可视化工具查看结果，以及用 sweep 工具简介。
2. OLED/LED 常见结构与分析项目
OLED 与 LED 结构相近但材料不同，主要发光结构通常有纳米到数十/百来纳米的堆栈构成，形成微腔效应。由电激发的偶极子在此微腔中，只有建设性干涉的情况可以有能量到微腔外，通常材料系决定了偶极子的发光光谱，而微腔的厚度设计影响光强度的角度空间分布。比如案例 Planar OLED Microcavities - Color Shift and Extraction Efficiency – Ansys Optics 中不同微腔谱，以下图为例，如果偶极子波长是550nm 则0度视角会比50度视角强度弱，而610nm 左右则只有0~30度有光强度是一个半高宽窄的光源。
案例中有好几组不同厚度的微腔谱，对应不同的光型与频谱关系。此架构对材料与厚度十分敏感，并且因为很薄、类似性质堆栈在一起，不好从样品量测厚度与光学材质，在没材料与厚度信息的情况下，比较难建立微纳仿真。但如果有机会取得平整结构的出光面，用 Zemax 导入量测的光型，加上孔径衍射的假设，做后续特殊结构的仿真，不失为一种折衷方式。Zemax 孔径衍射用远场的方式处理，跟用微纳方式近场还是有偏差，不过仿真时间也快得多。
有微腔材料与厚度可以完整的仿真出微腔增益谱，搭配光源的波长分布，就可以取得光型随角度的变化、每个视角下的色坐标等信息，可以参考案例链接。如果要增加一些结构，看结构的作用原理选择用波动光学或是几何光学软件，或是搭配使用来获取结果。比如以下文章：
3D OLED with hexagonal lattice symmetry – Ansys Optics
https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042708933-Patterned-OLED
Nitride-based Micro-LED – Ansys Optics
2.1 STACK 求解器设置LED/OLED模型
Lumerical 的 STACK 求解器操作可以参考系列文章-模型建立2，以及官网。看光型与色坐标主要用 stack dipole 函数，看微腔谱则可以用 stackpurcell 函数。GUI 比较容易犯的小错误是顺序，以顶发光为例，底层的电极应该放在 layer number=1，依序往空气设置。另一个就是 GUI 中，我们把不相干的厚度设定为0，如果不相干的厚度在中间，则建议用脚本处理。
此外薄膜矩阵算法有个限制，如图右下红字所示，发光层材料不能有吸收系数。不同软件对此处理手法不同，Lumerical 会提示错误，用户建立材料时需先将折射率的k设为0。k 的影响从原理可知，往不同角度的光会有不同程度的强度调整，因此也影响每次返光之间的相干结果，但此材料吸收通常非常小，影响不大。
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