基于GaN-LED与光栅的集成光波导的设计与性能分析

摘要

LED(Light Emitting Diode)，即发光二极管，是一种基于p-n结，在合适的正向偏压下以自发辐射为基础的半导体发光器件。白炽灯和卤素灯光源等都是传统的发光光源，与它们相比，LED的优势有效率高、寿命长、节能环保等，因此被誉为21世纪绿色照明光源。传统L ED芯片由于受到全反射的限制，导致其出光效率较低，因此想要实现功率型LED，必须克服的技术瓶颈是提高LED出光效率。 光纤作为最常见的光波导，因其寿命长、体积小、便于维护和柔韧性好等优点，成为照明技术的新宠。光纤照明是光源发出的光通过耦合装置进入光纤，并在光纤中传输和照明。LED光纤耦合照明系统，既发挥LED的光源优势，又体现了光纤照明的特点，是照明行业的发展趋势。 本论文先是改善LED结构提高其出光效率，再设计出LED光纤耦合系统，并做了相关的理论和仿真分析。全文主要内容概括如下： （1）对GaN材料进行概述，分析其发展历史和特点以及LED发展史和已经提出的提高其出光效率的研究。 （2）由于本论文基于时域有限差分法计算LED的光取出效率，进而介绍了FDTD的理论方法。 （3）先对传统正装和倒装结构LED进行仿真，然后再基于RSOFT软件对倒装LED结构和光栅的集成器件进行仿真，并根据计算的结果，通过改变光栅的高度，宽度，对光栅的结构进行了优化。仿真的结果表明，可以大大提高传统LED结构的出光效率，同时还减少了p-GaN厚度敏感变化对出光效率造成的影响。 （4）通过简单的理论分析设计两种LED光纤耦合系统，运用几何光学性质结算出初始参数，分别用ZEMAX软件设计结构，并对光学元件厚度和曲率半径等进行优化，得到最优的耦合效率。最后通过分析ZEMAX中Analysis对点阵图和能量图进行分析，得到准确的弥散斑RMS尺寸和能量分布图。

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