Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы 13
1.1. Методы повышения эффективности вывода света из индивидуальных светодиодных чипов 18
1.2. Методы повышения эффективности вывода света из светодиодных модулей чип-на-плате 27
1.3. Исследование влияния характеристик люминофора на вывод света из светодиодов 30
1.4. Исследование оптических систем для передачи лазерного излучения в оптоволокно 33
Глава 2 Методы проводимых исследований 41
2.1. Численные методы исследования оптических характеристик светодиодных модулей и систем передачи лазерного излучения в оптоволокно 41
2.2. Экспериментальные методы исследования оптических характеристик светодиодов и светодиодных модулей 47
Глава 3 Исследование и оптимизация светодиодных модулей, не содержащих люминофор 53
3.1. Изготовление экспериментальных образцов светодиодных модулей, не содержащих люминофор 53
3.2. Постановка и верификация расчетной модели светодиодного модуля чип-на-плате, не содержащего люминофор 55
3.3. Проведение оптимизационных расчетов светодиодных модулей чип-на-плате, не содержащих люминофор
3.3.1. Оптимизация формы поверхности оптического покрытия 60
3.3.2. Оптимизация взаимного расположения, размера и количества чипов 62
3.3.3. Оптимизация отражающих и рассеивающих свойств подложки 69
Глава 4 Исследование и оптимизация светодиодных модулей, содержащих люминофор 71
4.1. Проведение расчетов для образцов материала оптического покрытия, содержащего люминофор 71
4.2. Изготовление и исследование экспериментальных образцов светодиодных модулей чип-на-плате, содержащих люминофор 75
4.3. Постановка и верификация расчетной модели светодиодного модуля чип-на-плате, содержащего люминофор 76
4.4. Исследование влияния среднего радиуса частиц люминофора на потери оптической мощности в светодиодном модуле для разных материалов оптического покрытия 77
4.5. Исследование влияния формы поверхности оптического покрытия на потери оптической мощности в светодиодном модуле чип-на-плате, содержащем люминофор 79
4.6. Изготовление и исследование эффективности и цветовых характеристик опытной партии светодиодных модулей чип-на-плате, содержащих люминофор 81
Глава 5 Исследование оптических систем для передачи лазерного излучения в оптоволокно 88
5.1. Постановка и верификация расчетной модели передачи лазерного излучения в оптоволокно 88
5.2. Проведение параметрических расчетов систем для передачи лазерного излучения в оптоволокно 91
Основные публикации по теме диссертации 98
Заключение 100
Список литературы
- Методы повышения эффективности вывода света из светодиодных модулей чип-на-плате
- Экспериментальные методы исследования оптических характеристик светодиодов и светодиодных модулей
- Постановка и верификация расчетной модели светодиодного модуля чип-на-плате, не содержащего люминофор
- Исследование влияния среднего радиуса частиц люминофора на потери оптической мощности в светодиодном модуле для разных материалов оптического покрытия
Методы повышения эффективности вывода света из светодиодных модулей чип-на-плате
Самая распространённая на данный момент конструкция люминофорного светодиода содержит синий светодиодный чип, изготовленный на основе структур нитрида галлия (GaN), и люминофор иттрий-алюминиевый гранат, легированный трёхвалентным церием (ИАГ, YAG: Ce) [11]. Результирующий спектр такого светодиода имеет пик в области синего цвета, обусловленный длиной волны излучения светодиодного чипа на основе нитрида галлия, провал в зеленой, сине-зеленой области спектра, и широкое распределение в желтой области спектра (рисунок 3 б).
Колориметрические характеристики белого люминофорного светодиода, такие как коррелированная цветовая температура и индекс цветопередачи, зависят от длины волны излучения использованного светодиодного чипа и состава люминофорного покрытия.
Лазерный диод — полупроводниковый лазер, построенный на базе диода. Его работа основана на возникновении инверсии населённостей в области p-n перехода при инжекции носителей заряда. Лазерные диоды применяются в различных областях промышленности, медицины, спектроскопии, оптической передачи данных, для накачки твердотельных лазеров и пр. Монохроматичность, когерентность и стабильность частоты позволяет лазерному излучению распространяется в оптическом волокне с минимальными потерями. Лазеры с пассивной синхронизацией мод (лазеры с ПСМ) позволяют генерировать импульсы пикосекундной длительности, что может быть применимо в системах связи в качестве источника излучения для передачи сигналов по оптоволоконным линиям связи [12]. Преимуществами лазеров с ПСМ являются компактность, низкое энергопотребление, приемлемые характеристики длительности и частоты следования импульсов, совпадение рабочих длин волн с окнами прозрачности оптического волокна. Использование спектрального диапазона 1300-1550 нм наиболее эффективно в системах оптической связи, так как в этот диапазон попадают два окна прозрачности кварцевого оптического волокна [5]. Основными характеристиками лазеров с ПСМ являются длина волны излучения, частота следования импульсов и мощность, которые определяются использованной при изготовлении лазера эпитаксиальной гетероструктурой и конструкцией лазера. Долгое время большинство лазеров с ПСМ разрабатывалось на основе гетероструктур InGaAsP/InP. Однако, в последнее время было показано, что структуры на основе AlInGaAs/InGaAs обладают рядом преимуществ, таких как большая энергия в зоне проводимости и меньшая величина разрывов в валентной зоне, что улучшает температурную стабильность параметров лазеров с ПСМ [13]. Кроме того, как было показано в работе [14], в таких структурах меньше характерное время восстановления насыщаемого поглотителя, что улучшает и временные характеристики лазера, такие как длительность импульса и джиттер (среднеквадратичное значение временного дрожания). Лазерное излучение вводится оптическое волокно в конце которого свет поступает в фотоприемник. Для повышения эффективности ввода излучения в оптическое волокно требуется использование оптических систем, которые будут обеспечивать согласование размеров пятна излучения источника с размерами сердцевины оптического волокна, согласование апертуры оптического волокна с диаграммой направленности источника излучения и низкие потери излучения, в случае небольших отклонений оптических осей (по положению и углу наклона). В качестве такой оптической системы могут выступать различные типы линз, либо другие элементы, изменяющие ход лучей от источника излучения. Эффективность ввода излучения (коэффициент передачи оптической мощности 77) в оптоволокно определяется как отношение входной мощности излучения (выходной мощности излучения лазера) к мощности излучения на выходе из оптоволокна, вносимые потери измеряют в децибелах из соотношения: q = -lOlgfo). (1) Для численного моделирования оптических систем используют метод трассировки лучей Монте-Карло [15] и программные средства, основанные на этом методе (ZEMAX, LightTools, TracePro).
Проблема увеличения эффективности вывода света из индивидуальных светодиодных чипов широко освещена в современной литературе. В обзоре [16] приведены основные подходы, применяемые для повышения эффективности вывода света из светодиодных чипов. В этой статье в качестве основной причины потерь оптической мощности рассматривается запирание света («Light escape» problem) в светодиодном чипе из-за большой разницы показателей преломления материала чипа (около 2.5 для нитридов III группы) и воздуха, поэтому большая часть подходов направлена на решение этой проблемы. Большинство подходов, описанных в [16], предполагают модификацию светодиодного чипа (изменение формы, текстурирование поверхности чипа, использование в конструкции чипа различных отражателей и др.).
Текстурирование поверхностей чипа является одним из самых популярных методов повышения энергоэффективности светодиодных чипов. Ниже будут рассмотрены работы, в которых для повышения вывода света предлагается текстурирование различных поверхностей чипа.
В [17] предложено наносить на верхнюю поверхность p-GaN тонкий слой полистирола с микросферами из SiO2, образующих на поверхности чипа массив из микролинз (рисунок 4), что позволяет увеличить количество света, не претерпевающего полное внутренне отражение (ПВО) на границе светодиодный чип/воздух. Полученные экспериментальные результаты показывают возможность увеличения эффективности вывода света в 2.49 – 2.64 раза (в зависимости от диаметра микросфер) по сравнению с исходным чипом, расчетные результаты показывают увеличение в 1.75 – 2.08 раз.
Экспериментальные методы исследования оптических характеристик светодиодов и светодиодных модулей
В [87] рассмотрен ввод лазерного излучения в одномодовое оптоволокно с торцом в форме прямоугольной пирамиды у которой скруглена вершина. Проведен расчет на основе дифракционной теории и экспериментальное измерение эффективности ввода излучения в зависимости от радиусов скругления. Максимальная полученная эффективность составила 83%.
В [88] для увеличения эффективности ввода лазерного излучения на торце одномодового оптоволокна методом фотополимеризации выращивается наконечник, радиус кривизны которого можно контролировать в процессе роста. Было проведено экспериментальное измерение эффективности ввода излучения в зависимости от радиуса кривизны наконечника и расстояния источника излучения от оптоволокна. Так же проводился расчет электрического поля методом конечных элементов. Максимальная эффективность, которую удалось достигнуть, составила 70%.
С учетом приведенного обзора литературы, в качестве основных побудительных мотивов проведения настоящей работы были следующие: 1. Исследование вывода света из светодиодных модулей чип-на-плате, включающих в себя комплексное изучение влияния на энергоэффективность модуля следующих параметров: форма поверхности оптического покрытия, отражающие и рассеивающие свойства подложки, расположение, размеры и количество светодиодных чипов, размеры частиц люминофора. 2. Разработка и верификация математических моделей в программном комплексе ZEMAX для параметрических расчетов светодиодных модулей чип-на-плате. 3. Разработка и верификация математических моделей в программном комплексе ZEMAX для параметрических расчетов эффективности ввода лазерного излучения в оптоволокно. Глава 2 Методы проводимых исследований
В данной работе использовалось два основных метода изучения оптических систем: математическое (численное) моделирование и экспериментальное исследование. Экспериментальное исследование опытных образцов светодиодных модулей позволяет провести верификацию численной модели, которую в дальнейшем можно использовать для проведения оптимизационных расчетов. Верификация численной модели расчета передачи лазерного излучения в оптоволокно проводилась посредством сравнения результатов моделирования с результатами экспериментов, приведенными в литературе. В понятие оптимизации вкладывается нахождение таких параметров оптической системы, при которых потери оптической мощности в модуле будут наименьшими.
Рассмотрена оптимизация светодиодного модуля чип-на-плате СOB X10 [89], изготавливаемого на опытном производстве в компании ЗАО Оптоган (Санкт-Петербург). Детальное исследование оптических процессов, проходящих в модуле чип-на-плате, позволило разработать общие рекомендации для снижения потерь оптической мощности в светодиодных модулях чип-на-плате за счет оптимизации конструктивных элементов.
Рассмотрена оптимизация оптической системы ввода излучения лазера с пассивной синхронизацией мод, разработанного на кафедре светодиодных технологий и оптоэлектроники, в одномодовое оптоволокно.
Решение этих задач с помощью численного моделирования позволяет подобрать оптимальные параметры конструкции без проведения дорогостоящих экспериментальных исследований.
Построение расчетных моделей производилось в коммерческих программах SolidWorks 2010 и ZEMAX 2012 [90]. Проведение расчетов было осуществлено в коммерческой программе ZEMAX 2012. Численный алгоритм программы использует метод Монте-Карло прямой трассировки луча [15]. В программе ZEMAX существует два режима расчета луча: последовательный режим расчета хода луча (Sequential Mode) и непоследовательный режим расчета хода луча (Non-Sequential Mode). Последовательный расчет хода луча подразумевает, что луч встречает поверхности в заранее заданном порядке (соответственно, первую поверхность луч проходит первой, вторую заданную поверхность – второй и т.д.), в режиме непоследовательного расчета лучи проходят поверхность в том порядке, в котором они их действительно встречают (луч может пройти мимо первой поверхности, затем сразу столкнуться с четвертой, а потом отразиться и вернуться ко второй). Для качественного расчета осветительных систем необходимо использовать непоследовательный режим хода луча.
Основные этапы постановки задачи представляют собой задание геометрии оптической системы, задание свойств материалов элементов оптической системы, задание источников излучения, установку детекторов. Ниже подробно рассмотрены все эти этапы.
Геометрия оптической системы. На данном этапе задаются геометрические характеристики элементов оптической системы и их взаимное расположение. Для изучаемого светодиодного модуля чип-на-плате задавались подложка, светодиодные чипы, оптическое покрытие, для ввода лазерного излучения в оптоволокно задавались размеры источника лазерного излучения и элементов оптоволокна: сердцевины и оболочки. Свойства материалов. Для каждого объекта задаются оптические характеристики: коэффициент поглощения, диаграммы отражения и поверхностного рассеяния излучения, показатели преломления, объемное рассеяние.
Постановка и верификация расчетной модели светодиодного модуля чип-на-плате, не содержащего люминофор
Оптические свойства материала и форма оптического покрытия значительно влияют на вывод света из светодиодного источника света. В частности, существует два основных механизма, которые влияют на распространение света в оптическом покрытии: 1. Рассеяние на границе «частица люминофора/оптическое покрытие». 2. Полное внутреннее отражение на границе «оптическое покрытие/воздух». Оба этих механизма в определенной степени влияют на то, что свет не покидает устройство, а попадает на поверхность чипов или подложки, где частично поглощается (рисунок 42).
Для анализа ситуации необходимо построение модели, позволяющей решить задачу нахождения оптимального значения показателя преломления материала оптического покрытия, для которого светоотдача светодиодного источника света будет максимальной. Для решения поставленной задачи было проведено численное моделирование в программном пакете ZEMAX. Основной целью проводимых расчётов является оценка влияния размера частиц люминофора и показателя преломления материала оптического покрытия на рассеяние света в переднюю и заднюю полусферу. В связи с этим проводится комплекс расчетов, постановка которых описана ниже.
Расчетная область представлена на рисунке 43. Она включает в себя три основных элемента: образец материала, источник излучения и детектор. Образец материала имеет размеры 10/10/1 мм. Детектор представляет собой две полусферы – переднюю (в направлении которой источник излучает свет) и заднюю.
Точечный источник расположен в центре левой грани образца и излучает свет одним из двух способов: - перпендикулярно образцу (в одном направлении); - по закону Ламберта. При моделировании источника, излучающего перпендикулярно образцу, снижается влияние полного внутреннего отражения на границе «образец/воздух», и таким образом можно примерно оценить, насколько именно рассеяние на границе «частица люминофора/материал образца» влияет на количество света, попадающего на заднюю и переднюю полусферу. При моделировании источника, излучающего по закону Ламберта, оценивается совместное влияние полного внутреннего отражения и рассеяния на границе «частица люминофора/материал образца». Для производства опытной партии белых светодиодных модулей использовался люминофор ИАГ, поэтому в расчетах использовались его параметры.
Рассеяние света на частицах люминофора учитывалось в рамках модели объемного рассеяния Ми [91] - [92]. Показатель преломления частиц люминофора составлял nphosphor=1.83, массовая доля частиц люминофора в оптическом элементе оставалась неизменной и составляла для силиконовых эластомеров 13%, а для стекол 6%, что соответствует одной объёмной доле частиц.
При моделировании не учитывалось: 1) дисперсия (в расчётной модели задавалась длина волны излучения чипа 450 нм, преобразование длины волны люминофором не моделировалось), 2) рассеяние и поглощение света проволочными соединениями, 3) разница в размерах частиц люминофора и их форме.
Основной целью проводимых расчётов была оценка влияния размера частиц люминофора и показателя преломления материала защитного покрытия на рассеяние света в переднюю и заднюю полусферу. Основными варьируемыми параметрами были показатели преломления материала образца nsample: 1.7, 1.8 (покровные стекла, плотностью около 2200 кг/м3) и 1.5 (силиконы плотностью около 1000 кг/м3), средний радиус частиц люминофора: 5, 10, 15, 20, 40, 50 мкм. Результаты расчетов приведены на рисунках 44 и 45. 74 Рисунок 44 Зависимость мощности лучей, попавших на переднюю (сплошная линия) и заднюю (пунктирная линия) полусферу, от размера частиц люминофора для источника, излучающего по закону Ламберта Рисунок 45 Зависимость мощности лучей, попавших на переднюю (сплошная линия) и заднюю (пунктирная линия) полусферу, от размера частиц люминофора для источника, излучающего перпендикулярно образцу Результаты проделанных расчетов, представленные на рисунках 44 и 45, позволяют сделать ряд выводов. Оптическая мощность лучей, попадающих на переднюю и заднюю полусферу, зависит от совокупности следующих факторов: показатель преломления материала образца, размер частиц люминофора, тип излучения источника.
При радиусе частиц люминофора 5 мкм большее влияние на светорассеяние оказывает рассеяние на границе «частица люминофора/материал образца», поэтому наименьшая общая мощность лучей, попадающих в заднюю полусферу, наблюдается для образца с показателем преломления 1.8.
При радиусе частиц люминофора более 10 мкм ситуация меняется и большее влияние начинает оказывать полное внутреннее отражение на границе «образец/воздух», поэтому наименьшая общая мощность лучей, попадающих в заднюю полусферу, наблюдается для образца с показателем преломления 1.5.
Для образцов с показателями преломления 1.7 и 1.5 при увеличении размера частиц уменьшается общая мощность лучей, попадающих в заднюю полусферу. Для образца с показателем преломления 1.8 рассеяние в заднюю и переднюю сферу практически не зависит от размера частиц люминофора. Для частиц радиусом 50 мкм, мощность лучей, попадающих в заднюю полусферу, не зависит от рассеяния на границе «частица люминофора/материал образца».
Для постановки и верификации расчетной модели были проведены экспериментальные измерения опытных образцов модуля чип-на-плате COB X10 (см. п. 3.1) со следующими характеристиками оптического покрытия: один образец с ncover=1.4 и один образец с ncover=1.5 со средним радиусом частиц люминофора Rparticle=7 мкм и массовой долей частиц люминофора 16%, два образца с ncover=1.5 со средним радиусом частиц люминофора Rparticle=7 мкм и массовой долей частиц люминофора 25%. По результатам экспериментов были получены значения оптической мощности излучения и координаты цветности излучения для опытных образцов. Координаты цветности образцов с ncover=1.4 с массовой долей частиц люминофора 16% и образцов с ncover=1.5 с массовой долей частиц люминофора 25% лежат в одном колориметрическом бине [1], образец c ncover =1.5 с массовой долей частиц люминофора 16% лежит в соседнем бине.
Исследование влияния среднего радиуса частиц люминофора на потери оптической мощности в светодиодном модуле для разных материалов оптического покрытия
Механизм распространения света в модуле чип-на-плате с люминофорным покрытием сложнее, чем в модуле без люминофора, так как значительную роль играет объемное рассеяние света в оптическом покрытии на частицах люминофора. По результатам эксперимента так же можно сделать вывод, что для модулей чип-на-плате, содержащих люминофор в оптическом покрытии, текстурирование поверхности покрытия меньше влияет на светоотдачу модуля, чем в случае, когда покрытие не содержит люминофор. Самая большая светоотдача соответствует модулям с волнистой формой оптического покрытия – 120-125 Лм/Вт для модулей с двадцатью четырьмя чипами (входная мощность 5 Вт) и 80-100 Лм/Вт для мощных модулей с девятью чипами (входная мощность 10 Вт). Такая форма поверхности достигается либо вырезанием на покрытии кольцеобразных отверстий, либо размещением микролинз на поверхности оптического покрытия. Для мощных светодиодных модулей (входная мощность 10 Вт) с коррелированной температурой 2500 - 3500 K, текстурирование поверхности оптического покрытия не влияет на светоотдачу, это связано с большой концентрацией люминофорных частиц в оптическом покрытии, для светодиодных модулей с более высокими коррелированными температурами можно отметить увеличение светоотдачи за счет текстурирования поверхности оптического покрытия на 7%. Для менее мощных светодиодных модулей (входная мощность 5 Вт) можно отметить увеличение светоотдачи за счет текстурирования поверхности оптического покрытия на 5-13%.
Для трех экспериментальных образцов модулей чип-на-плате с девятью чипами проводились измерения распределения коррелированной цветовой температуры по углу, результаты измерений изображены на рисунке 52, 0 соответствует плоскости, перпендикулярной поверхности модуля. Из графика видно, что модуль чип-на-плате с девятью индивидуальными линзами обладает наиболее равномерным распределением коррелированной цветовой температуры по углу, это объясняется тем, что длины пробега лучей от чипов, расположенных в разных местах подложки, выравниваются за счет примерно одинаковой толщины оптического покрытия над каждым чипом.
Новизна предложенных конструкций заключается в текстурировании поверхности оптического покрытия светодиодного модуля чип-на-плате. Изготавливаемые на данный момент светодиодные модули, использующие технологию чип-на-плате, имеют либо ровную поверхность оптического покрытия, либо одну линзу на поверхности покрытия, но оба этих решения имеют большие недостатки. Плоская поверхность оптического покрытия не обеспечивает максимального вывода света из конструкции из-за полного внутреннего отражения на границе покрытие/воздух. Модуль чип-на-плате, снабженный одной большой линзой, имеет несколько другие недостатки: во-первых, одна линза требует использования большего количества материалов, во-вторых, в случае, когда покрытие содержит люминофор, одна линза на несколько чипов приводит к неравномерности распределения цветовой температуры по углу, так как синий свет от чипов, расположенных по краям подложки, проходит значительно меньшее расстояние до границы покрытие/воздух, чем свет от чипов, расположенных в центре подложки, это приводит к эффекту «ореола». Новые предложенные решения текстурирования поверхности оптического покрытия позволяют избежать всех этих недостатков и могут быть выполнены с использованием уже известных и применяющихся в светодиодной технологии методик обработки материалов: молдинг (горячее прессование), лазерная обработка.
Результаты, полученные в данной главе отражены в статьях [1а], [2а], [3а], [4а], [6а]. Глава 5 Исследование оптических систем для передачи лазерного излучения в оптоволокно Численное моделирование системы передачи лазерного излучения в оптоволокно производилось в коммерческой программе ZEMAX, использующей метод Монте-Карло для трассировки лучей (см. гл. 2). Постановка и верификация расчетной модели осуществлялась на основании результатов экспериментов [98].
В экспериментальной работе [98] в качестве источника излучения использовался полупроводниковый лазер на гетероструктуре InGaAsP. Излучение лазера обладало следующими характеристиками: размеры круглого источника 0.779 мкм/0.779 мкм; длина волны излучения = 1.3 мкм; углы расходимости излучения, на которых интенсивность излучения составляет половину максимальной = = 32.
При моделировании диаграмма направленности источника излучения (распределение интенсивности излучения в зависимости от угла) задавалась в виде распределения Гаусса (п.2.1, формула (14)). Для симметричного распределения (рисунок 53), которое описано в эксперименте [97] Gx = Gy = 2.5.
В работе [98] измерялась эффективность ввода лазерного излучения в оптоволокно с плоским торцом и с конической линзой на торце оптоволокна. Параметры конической линзы следующие: высота /7 = 2.6 мкм, диаметр основания D = 8.7 мкм, материал линзы совпадает с материалом сердцевины оптоволокна.
Эффективность ввода излучения (коэффициент передачи оптической мощности 7) в оптоволокно определяется как отношение входной мощности излучения (выходной мощности излучения лазера) к мощности излучения на выходе из оптоволокна, вносимые потери измеряют в децибелах (дБ) из соотношения (18). q = -lOlgfo) (25) Результаты измерений и соответствующих расчетов приведены на рисунке 54. Видно, что результаты расчета хорошо согласуются с экспериментом и разработанную расчетную модель можно использовать для параметрических расчетов.
Зависимость потерь излучения от расстояния от источника излучения до оптоволокна, данные эксперимента - [98] 5.2. Проведение параметрических расчетов систем для передачи лазерного излучения в оптоволокно В качестве источника моделировалось излучение полупроводникового лазера с пассивной синхронизацией мод (ПСМ), который разработан в университете ИТМО на кафедре световых технологий и оптоэлектроники. Конструктивно лазер с ПСМ состоит из следующих элементов: корпус, печатная плата, элемент Пельтье, термистор, кристалл лазера ПСМ, оптическое волокно с оптическим разъёмом FC/PC на одном конце, феррул для крепежа оптического волокна и прихвата феррула. Кристалл лазера на основе гетероструктуры InGaAs/InAlAs на подложке InP, которая содержит два контактных слоя и активную область с квантовыми ямами,