Исследование эффективности оптических систем светодиодных модулей и передачи лазерного излучения в оптоволокно тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Липницкая Светлана Николаевна

• Липницкая Светлана Николаевна
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Липницкая Светлана Николаевна

Введение

Глава 1 Обзор литературы

1.1. Методы повышения эффективности вывода света из индивидуальных светодиодных чипов

1.2. Методы повышения эффективности вывода света из светодиодных модулей чип-на-плате

1.3. Исследование влияния характеристик люминофора на вывод света из светодиодов

1.4. Исследование оптических систем для передачи лазерного излучения в оптоволокно

Глава 2 Методы проводимых исследований

2.1. Численные методы исследования оптических характеристик светодиодных модулей и систем передачи лазерного излучения в оптоволокно

2.2. Экспериментальные методы исследования оптических характеристик светодиодов и светодиодных модулей

Глава 3 Исследование и оптимизация светодиодных модулей, не содержащих люминофор

3.1. Изготовление экспериментальных образцов светодиодных модулей, не содержащих люминофор

3.2. Постановка и верификация расчетной модели светодиодного модуля чип-на-плате, не содержащего люминофор

3.3. Проведение оптимизационных расчетов светодиодных модулей чип-на-плате, не содержащих люминофор

3.3.1. Оптимизация формы поверхности оптического покрытия

3.3.2. Оптимизация взаимного расположения, размера и количества чипов

сследование и оптимизация светодиодных модул минофор

оведение расчетов для образцов материала оптическо

одержащего люминофор

готовление и исследование экспериментальных образц

ых модулей чип-на-плате, содержащих люминофор

становка и верификация расчетной модели светодиодно на-плате, содержащего люминофор

Заключение

Список литературы

104

Приложение 1. Геометрические параметры исследуемых форм

оптического покрытия

Приложение 2. Результаты измерений опытных образцов модулей чип-на-плате

Введение

Актуальность работы. Полупроводниковые приборы - это широкий класс электронных и оптоэлектронных устройств, использующих уникальные свойства полупроводниковых материалов. К полупроводниковым оптоэлектронным приборам относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, солнечные элементы, детекторы ядерных излучений, светодиоды, полупроводниковые лазеры. В данной работе рассматривались устройства на основе двух типов полупроводниковых оптоэлектронных приборов: светодиодов и лазерных диодов.

Светодиод - полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока [1], [2]. Сегодня светодиоды -наиболее развивающееся направление в области источников света. Разнообразие и популярность светодиодных осветительных устройств обусловлены их широким спектром применения и неоспоримыми преимуществами перед другими источниками света в числе которых высокая энергоэффективность, длительный срок службы и экологичность (отсутствие токсичных компонентов). Основным препятствием широкого распространения светодиодных источников света является их высокая стоимость по сравнению с традиционными источниками света. Современные светодиодные светильники используют две основные технологии сборки: дискретные корпусированные светодиоды и интегральные светодиодные модули «чип-на-плате». Производство светодиодных модулей чип-на-плате значительно дешевле, так как при одинаковом количестве светодиодных чипов требуется меньше затрат на корпус и оптические компоненты по сравнению с корпусированными светодиодами, обеспечивающими такой же световой поток. Конструкция светодиодного модуля чип-на-плате представляет собой подложку, на которой расположены светодиодные чипы, покрытые слоем защитного материала (далее — оптическое покрытие) [3]. Для производства светодиодных модулей чип-на-плате используются светодиодные чипы высокой мощности, как правило, изготовленные на основе структур нитрида галлия на сапфировых

подложках. Излучение таких светодиодных чипов находится в области синего участка спектра, поэтому для получения белого света в оптическое покрытие добавляют люминофор.

Более того, светодиодный модуль чип-на-плате имеет компактные размеры и поэтому лучше подходит для многих конструкций светильников, например, ламп замещения с цоколем Е27 и Е14. Основным недостатком светодиодного модуля чип-на-плате следует считать дополнительные потери оптической мощности по отношению к корпусированным светодиодам и их массивам, связанные с высокой плотностью чипов на подложке и дополнительным светопоглощением.

Лазерный диод — полупроводниковый лазер, построенный на базе диода. Его работа основана на возникновении инверсии населённостей в области р-п перехода при инжекции носителей заряда [4].

С появлением в конце 70-х годов прошлого века высококачественного оптического волокна с малыми потерями и дисперсией [5], малогабаритных полупроводниковых источников и приемников оптических сигналов в системах проводной магистральной, а затем и сетях локальной связи, произошла подлинная техническая революция, в основе которой были цифровые волоконно-оптические линии связи - ВОЛС. ВОЛС состоит из следующих основных компонентов [6]: передатчик, оптическое волокно, регенераторы, оптические усилители и приемник (рисунок 1).

Рисунок 1 Структура одноканальной волоконно-оптической линии связи [6]

В качестве источников световых сигналов используют светодиоды или лазерные диоды. Приемниками служат полупроводниковые фотодиоды. Для

повышения эффективности ввода излучения в оптическое волокно требуется использования оптических систем, которые будут обеспечивать согласование размеров пятна излучения источника с размерами сердцевины оптического волокна, согласование апертуры оптического волокна с диаграммой направленности источника излучения. В качестве такой оптической системы могут выступать различные типы линз, либо другие элементы, изменяющие ход лучей от источника излучения.

Решение задачи оптимизации оптических систем вывода излучения из светодиодного модуля чип-на-плате и передачи излучения лазерного диода в оптоволокно с целью уменьшения потерь оптической мощности обуславливает актуальность данной работы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование эффективности оптических систем светодиодных модулей и передачи лазерного излучения в оптоволокно»

Цель работы:

Целью работы являлось повышение эффективности оптических систем вывода излучения из светодиодного модуля чип-на-плате и передачи излучения лазерного диода в оптоволокно.

Для достижения этой цели были решены следующие основные задачи:

1. Разработка расчетной модели светодиодных модулей чип-на-плате и ее верификация на основе результатов проведенных экспериментов.

2. Проведение параметрических расчетов светодиодных модулей чип-на-плате, включающих в себя оптимизацию формы поверхности оптического покрытия, отражающих и рассеивающих свойств подложки, расположения, размера и количества чипов, среднего радиуса частиц люминофора.

3. Разработка расчетной модели передачи лазерного излучения в оптоволокно и ее верификация на основе имеющихся в литературе экспериментальных данных.

4. Проведение параметрических расчетов передачи лазерного излучения в оптоволокно, включающих в себя оптимизацию согласующих элементов.

Научная новизна работы. В работе была разработана и верифицирована расчетная модель вывода света из светодиодных модулей чип-на-плате в программном комплексе 7ЕМЛХ®. Проведено детальное исследование

оптических процессов, проходящих в модуле чип-на-плате, и оптимизация оптических компонентов модуля с целью снижения потерь оптической мощности. Разработана и верифицирована расчетная модель передачи лазерного излучения в оптоволокно в программном комплексе 7ЕМЛХ®. Проведены параметрические расчеты передачи лазерного излучения в оптоволокна с разными согласующими элементами.

Научная и практическая значимость работы. В процессе выполнения работы была оптимизирована существующая конструкция светодиодного модуля чип-на-плате и изготовлены опытные образцы оптимизированных модулей. Были разработаны общие рекомендации по снижению потерь оптической мощности в светодиодных модулях чип-на-плате за счет оптимизации конструктивных элементов. Были проведены параметрические расчеты передачи лазерного излучения в оптоволокна с разными согласующими элементами.

Результаты работы использовались в ходе выполнения научно-исследовательских работ в Университете ИТМО по темам «Новые научно-технологические решения в разработке энергоэффективных оптических систем для светодиодных ламп замещения» и «Разработка опытно-промышленной технологии мощных светодиодных сборок «чип на плате», излучающих в УФ диапазоне, на основе нитридных полупроводниковых материалов» в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы», а также в ходе выполнения научно-исследовательской работы «Разработка компонентной базы радиофотоники для создания современных оптических аналогово-цифровых преобразователей» в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», соглашение № 14.581.21.0013 от 4 августа 2015 г., уникальный идентификатор RFMEFI58115X0013.

Внедрение результатов работы. Результаты работы защищены патентами: патент на изобретение «Светодиодный модуль» (правообладатель - ООО

«Оптоган. Новые технологии света») и патент на полезную модель «Светодиодная лампа» (правообладатель - Университет ИТМО). Внедрение результатов работы осуществлено на опытном производстве мощных светодиодных сборок чип-на-плате в компании ЗАО Оптоган (Санкт-Петербург). Расчетные модели светодиодов использованы для написания учебного пособия «Оптоэлектроника светодиодов. Лабораторный практикум» и внедрены в образовательный процесс кафедры Световых технологий и оптоэлектроники Университета ИТМО.

Личный вклад автора состоит в участии при постановке и обсуждении результатов экспериментов, разработке расчетной модели и проведении расчетов светодиодных модулей чип-на-плате, разработке расчетной модели и проведении расчетов передачи лазерного излучения в оптоволокно, изложении полученных результатов в научных статьях и подготовке патентов. Цели и задачи исследований были сформулированы совместно с научным руководителем. Обсуждение результатов работы проводились совместно с соавторами.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях:

1. 9th International Symposium on Semiconductor Light Emitting Devices, Berlin, Germany, 22.07.2012 - 27.07.2012.

2. IX Международная конференция "Прикладная оптика - 2012", Санкт-Петербург, Россия, 15.10.2012-19.10.2012

3. Первая международная выставка-конференция "Свет Петербурга", Санкт-Петербург, Россия, 14.02.2013-17.02.2013

4. 3rd EOS Conference on Manufacturing of Optical Components (EOSMOC 2013), Munich, Germany, 13.05.2013-15.05.2013

5. 9-я Всероссийская конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы», Москва, Россия, 13.06.2013-15.06.2013

6. 6th International conference on advanced optoelectronics and lasers, 12th International Conference on Laser and Fiber-Optical, 2nd International Workshop "Nonlinear Photonics", Sudak, Crimea, 9.09.2013 - 13.09.2013

7. 9th International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication, Tokyo, Japan, 12.02.2014 - 14.02.2014

Публикации. Результаты, приведённые в диссертации, опубликованы в шести научных статьях в изданиях из перечня ВАК, и в материалах семи конференций. По результатам работы было подготовлено и зарегистрировано два патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 118 страниц, включая 61 рисунок, 5 таблиц и 2 приложения. Список литературных источников содержит 98 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, обоснованы научная новизна и практическая значимость работы, указана апробация работы, описана структура диссертации и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор литературы, который включает в себя обзор методов увеличения эффективности вывода света из индивидуальных чипов, методов повышения эффективности вывода света из светодиодных модулей чип-на-плате, исследований влияния характеристик люминофора на вывод света из светодиодов, исследование оптических систем для передачи лазерного излучения в оптоволокно.

Во второй главе приведено описание экспериментальных и численных методов, которые использовались в данной работе для исследования и оптимизации светодиодных модулей чип-на-плате и оптических систем передачи лазерного излучения в оптоволокно.

В третьей главе проведено исследование и оптимизация светодиодных модулей, не содержащих люминофор. Изготовлены экспериментальные образцы светодиодных модулей чип-на-плате, не содержащие люминофор, и измерены их энергетические и гониометрические характеристики, разработана и верифицирована расчетная модель в программе ZEMAX® для расчета светодиодных модулей чип-на-плате, не содержащих люминофор. Проведены

оптимизационные расчеты светодиодных модулей чип-на-плате, включающие в себя оптимизацию формы оптического покрытия чип-на-плате, взаимного расположения, размера и количества светодиодных чипов на подложке чип-на-плате, толщины оптического покрытия, отражающих и рассеивающих свойств покрытия подложки чип-на-плате. Приведены результаты расчетов и разработаны общие рекомендации для снижения потерь оптической мощности в светодиодных модулях чип-на-плате за счет оптимизации конструктивных элементов.

В четвертой главе проведено исследование и оптимизация светодиодных модулей, содержащих люминофор. Изготовлены экспериментальные образцы светодиодных модулей чип-на-плате, содержащие люминофор, и измерены их энергетические характеристики, разработана и верифицирована математическая (расчетная) модель в программе ZEMAX® для расчета светодиодных модулей чип-на-плате, содержащих люминофор. Проведено исследование влияния среднего радиуса частиц люминофора на потери оптической мощности в светодиодном модуле чип-на-плате для разных материалов оптического покрытия. Проведены параметрические расчеты модуля чип-на-плате с разной формой поверхности оптического покрытия, содержащего люминофор. Изготовлена опытная партия светодиодных модулей чип-на-плате, содержащих люминофор, и различающихся по коррелированной цветовой температуре (2700 - 6500 К), форме поверхности оптического покрытия, количеству и размерам чипов. Были измерены их фотометрические, энергетические и спектральные характеристики.

В пятой главе описаны расчетные модели излучения лазерного диода и оптической системы для передачи этого излучения в оптоволокно. Проведены расчеты передачи лазерного излучения в оптоволокно с использованием различных согласующих элементов, определены параметры, для которых потери оптической мощности наименьшие.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы, приведен список основных публикаций автора по теме диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту

1. В светодиодных модулях чип-на-плате, не содержащих люминофор, нанесение на поверхность оптического покрытия над каждым чипом выпуклой линзы сферической формы, с минимально возможным радиусом кривизны, определяемым расстоянием между чипами и их размерами, позволяет снизить потери оптической мощности на 10-15%, по сравнению с исходной конструкцией с плоской поверхностью оптического покрытия.

2. В светодиодных модулях чип-на-плате, с массовой долей частиц люминофора менее 16%, текстурирование поверхности оптического покрытия позволяет повысить светоотдачу на 5 - 13%, по сравнению с аналогичными модулями с плоской поверхностью оптического покрытия.

3. Использование конической микролинзы высотой 3 мкм на торце одномодового оптоволокна позволяет достигнуть эффективности ввода излучения лазерного диода с пассивной синхронизацией мод 73% на оптимальном расстоянии между источником излучения и линзой 12 мкм.

Глава 1 Обзор литературы

Полупроводниковые приборы - это широкий класс электронных приборов, изготавливаемых из полупроводников. В данной работе рассматривались устройства на основе двух типов полупроводниковых оптоэлектронных приборов: светодиодов и лазерных диодов.

Светодиоды можно классифицировать по различным признакам. Однако в первую очередь отметим, что все светодиоды можно разделить на два отдельных класса: неорганические и органические светодиоды. Неорганический светодиод (Light-Emitting Diode, LED) — светодиод, структура которого состоит только из неорганических соединений, а органический светодиод (Organic Light-Emitting Diode, OLED) — светодиод, в структуру слоев которого входят органические соединения. Для производства мощных светодных светильников используют неорганические светодиоды.

Изготовление светодиодного чипа начинается с послойного выращивания полупроводниковой гетероструктуры на выбранной подложке. Длина волны излучаемого света получившейся гетероструктуры зависит от ее состава и физических свойств (таблица 1). Для оценки эффективности светодиодного чипа используют следующие величины: внутренняя квантовая эффективность (Hint), эффективность вывода света (light extraction efficiency, LEE, ^extraction) и внешняя квантовая эффективность (next) [1]. Внутренняя квантовая эффективность представляет собой отношение числа рожденных в светодиодном чипе фотонов к числу прошедших электронов. В современных светодиодных чипах внутренняя квантовая эффективность близка к единице, то есть каждый электрон генерирует фотон. Эффективность вывода света представляет собой отношение числа излученных из светодиодного чипа фотонов к числу рожденных в светодиодном чипе фотонов. Внешняя квантовая эффективность представляет собой отношение числа излученных из светодиодного чипа фотонов к числу прошедших электронов, или произведение внутренней квантовой эффективности и эффективности вывода света.

Таблица 1 Материалы активной зоны светодиодов разных спектров свечения

Цвет Длина волны, нм Материал активной зоны

Инфракрасные 700-1450 GaAs, GaAlAs(P), GaInAs(Sb|P)

Красные 640-700 Ма1Р, GaP, GaAsP, GaAlAs

Красно-оранжевые 625-640 InGaAlP, GaP

Оранжевые 615-625 InGaAlP, GaP

Янтарные 600-615 InGaAlP, GaP

Желтые 585-600 InGaAlP, GaP

Желто-зеленые 555-585 InGaN, GaP

Зеленые 555-520 Ма^ GaP

Зелено-голубые 480-520 InGaN

Синие 450-480 InGaN

Фиолетовые 400-450 InGaN

Ультрафиолетовые 210-400 GaAlN, AlN

Эффективность вывода света из светодиода, зависит от физического качества гетероструктуры, то есть присутствием в ней внутренних дефектов и примесей, а так же от структуры чипа: расположения слоев и контактов, а так же от их формы и размера.

Можно выделить четыре основных вида структуры полупроводникового чипа: стандартная меза-структура, флип-чип меза-структура, вертикальная структура с удаленной подложкой, и вертикальная структура с проводящей подложкой (рисунок 2).

Рисунок 2 Структуры светодиодных чипов

В качестве освещения помещений используются белые светодиоды. Светодиоды белого цвета можно разделить на две основные группы [7], [8], [9]:

1. ЯОБ-светодиоды, в которых белый цвет получается благодаря одновременному использованию светодиодов разных цветов. Наиболее распространена трихроматическая конструкция из красного зелёного

и синего (В) источников.

2. Люминофорные светодиоды, создаваемые на основе светодиодного чипа, обладающего излучением синего, фиолетового или ультрафиолетового цвета, покрытого материалом, содержащим люминофор. Люминофор преобразует часть излучения светодиодного чипа в излучение, имеющее широкое распределение в желтой области спектра.

У каждого из этих методов есть свои плюсы и минусы. Возможность управления цветом в светильниках, использующих ЯОВ-светодиоды, делает их перспективными для использования в декоративной подсветке, электронных табло и видеоэкранах. Для изготовления белых RGB-светодиодов требуется в одном источнике использовать сразу три светодиода и использовать регулирующие

устройства, для возможности управления цветом [10]. Спектр RGB-светодиода имеет три выраженных полосы излучения в синем, зеленом и красном диапазоне спектра (рисунок 3 а), поэтому индекс цветопередачи (CRI) RGB-светодиода низкий, что делает эти светодиоды не перспективными для освещения помещений. Использование белых люминофорных светодиодов предпочтительнее для освещения помещений и улиц, так как они обеспечивают лучшую цветопередачу и отличаются высокой энергоэффективностью в отличие от RGB-светодиодов.

GaNorlnGaN LED

а)

Wavelength (nanometers)

б)

300 350 400 450 500 550 600 650 700 Wavelength (nanometers)

Рисунок 3 Типичный спектр: а) RGB-светодиода; б) люминофорного светодиода, использующего синий GaN или InGaN светодиод и люминофорное покрытие иттрий-алюминиевый гранат, легированный церием

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 р-п 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 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 = -101gfo). (1)

Для численного моделирования оптических систем используют метод трассировки лучей Монте-Карло [15] и программные средства, основанные на этом методе (ZEMAX®, LightTools®, TracePro®).

1.1. Методы повышения эффективности вывода света из индивидуальных

светодиодных чипов

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 р-ОаК 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.

Рисунок 4 Светодиодный чип с покрытием из микросфер [17]

Аналогичный метод рассмотрен в [18], где на верхнюю поверхность р-ОаК нанесен слой полидиметилсилоксана поверхность которого текстурирована массивом углублений (рисунок 5). В работе было проведено экспериментальное измерение опытных образцов и численное исследование методом трассировки лучей Монте-Карло. Полученные экспериментальные результаты показывают

возможность увеличения эффективности вывода света в 1.7 - 1.77 раза (в зависимости от диаметра микросфер) по сравнению с исходным чипом, расчетные результаты показывают увеличение в 1.5 - 2 раза.

Можно заметить, что в обеих работах [17]-[18] экспериментальные исследования показывают больший прирост эффективности вывода света, чем предсказывает численное моделирование.

Рисунок 5 Светодиодный чип с текстурированной поверхностью [18]

Аналогичный подход для повышения эффективности вывода света, заключающийся в текстурировании поверхности светодиодного чипа предложен для вертикальных чипов [19]-[20] и флип-чипов [21]-[23].

В [19] рассмотрены вертикальные чипы, в которых верхняя поверхность п-ОаЫ имеет шероховатость в виде конических структур, которая достигается посредством жидкостного травления, экспериментальные и теоретические исследования показывают увеличение эффективности вывода света в 2 раза. В [20] рассмотрены аналогичные вертикальные чипы, но с более сложными текстурами на верхней поверхности п-Оа№ шероховатость, микролинзы, микролинзы с шероховатостью (рисунок 6). Результаты экспериментов показывают, что чипы с шероховатыми микролинзами на поверхности позволяют увеличить эффективность вывода света на 95% по сравнению с чипами с плоской поверхностью.

Рисунок 6 Вертикальные чипы с разными текстурами на поверхности и с гладкой

поверхностью [20]

В [21] рассмотрены флип-чипы, в которых на поверхность сапфира нанесен прозрачный полимер, поверхность которого имеет микротекстуру с треугольным и синусоидальным профилем (рисунок 7). Микротекстура изготавливается посредством импринт-литографии. Было показано, что эффективность вывода света из чипа с треугольным и синусоидальным профилем увеличилась на 32% и 47% соответственно, по сравнению с чипом с плоской поверхностью.

Рисунок 7 Различные текстуры на поверхности полимерного покрытия [21]

В [22] так же рассмотрены флип-чипы с текстурированной поверхностью сапфира (рисунок 8). Текстурирование поверхности сапфира производилось

методом сухого травления, было изготовлено несколько экспериментальных образцов с текстурами разной глубины. Такой метод позволяет повысить эффективность вывода света по сравнению с нетекстурирвоанными чипами на 40.2%.

Рисунок 8 Флип-чипы с нетекстурированной и с текстурированной поверхностью

[22]

В [23] поверхность сапфира шлифовалась, за счет чего приобретала шероховатую текстуру. Экспериментально было получено, что светодиодные флип-чипы с шероховатой поверхностью сапфира обладают оптической мощностью на 35% больше, чем аналогичные чипы с гладкой поверхностью сапфира.

В статьях [24]-[25] приведено подробное теоретическое исследование влияния текстурирования поверхностей чипа на эффективность вывода света. В статье [24] рассмотрены три типа светодиодных чипов: горизонтальные, вертикальные и флип-чипы, на которые нанесена микротекстура из пирамид (соответственно на верхнюю поверхность р-ОаК, п-ОаК, сапфира). Было проведено численное моделирование методом трассировки лучей Монте-Карло и показано, что для текстурированных светодиодов всех типов наблюдается повышение эффективности вывода света до 350% по сравнению с гладкими светодиодами. В [25] авторы провели численное исследование трех светодиодов с текстурированными поверхностями: текстура расположена на верхней

поверхности сапфира, текстура расположена на верхней поверхности P-GaN, текстура расположена и на поверхности сапфира и на P-GaN (рисунок 9). Текстуры представляли собой микропирамиды, было проведено исследование влияния угла наклона пирамид на вывод света из светодиода.

Рисунок 9 Светодиоды с текстурированными поверхностями [25]

В светодиодных чипах зачастую в качестве верхнего прозрачного контакта к области p-GaN используют оксид индия и олова (indium tin oxide, ITO). Одно из уникальных свойств тонких пленок ITO, заключается в сочетании оптической прозрачности в высокой электрической проводимости [26]-[27].

В ряде работ [28]-[30] рассмотрено текстурирование слоя ITO. В [28] рассмотрен светодиодный чип с массивом из линз на поверхности слоя ITO, в этой работе удалось достигнуть диаметра линз порядка и меньше длины волны излучения благодаря методу наносферной литографии. Было показано увеличение эффективности вывода света на 63.5%, 35.2% и 22.1% для светодиодов с массивами микролинз диаметрами 500 нм, 310 нм и 195 нм соответственно.

В [29] слой ITO текстурирован микрокольцами, были изготовлены экспериментальные образцы светодиодных чипов с разными геометрическими размерами микротекстур и проведено численное моделирование методом трассировки лучей Монте-Карло. Микротекстуры в слое ITO изготавливались методом литографии. Получившиеся экспериментальные результаты предсказывают максимальное увеличение эффективности вывода света на 46.4%

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Липницкая Светлана Николаевна, 2017 год

Список литературы

[1] Schubert E. F., Gessmann T., Kim J. K. Light emitting diodes. - John Wiley & Sons, Inc., 2005.

[2] Weinert J., Spaulding C. LED lighting explained //Burlington (MA): Philips Color Kinetics Inc. - 2010.

[3] Liu S., Luo X. LED packaging for lighting applications: design, manufacturing, and testing. - John Wiley & Sons, 2011.

[4] Богданкевич О. В., Дарзнек С. А., Елисеев П. Г. Полупроводниковые лазеры. - Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1976.

[5] Петров М. П. Световолокна для оптических линий связи. Часть 2 //Соросовский образовательный журнал. - 1997. - №. 12. - С. 100-105.

[6] Наний О. Е., Туркин А. Н. Оптические методы в информатике //М., Университетская книга. - 2010.

[7] Liu M., Rong B., Salemink H. W. M. Evaluation of LED application in general lighting //Optical engineering. - 2007. - Т. 46. - №. 7. - С. 074002-074002-6.

[8] Ohno Y. Spectral design considerations for white LED color rendering //Optical Engineering. - 2005. - Т. 44. - №. 11. - С. 111302-111302-9.

[9] Uchida Y., Taguchi T. Lighting theory and luminous characteristics of white light-emitting diodes //Optical Engineering. - 2005. - Т. 44. - №. 12. - С. 124003124003-9.

[10] Трусон П., Халвардсон Э. Преимущества RGB-светодиодов для осветительных приборов //Компоненты и технологии. - 2007. - №. 67.

[11] Chen L., Lin C., Yeh C., Liu R. Light converting inorganic phosphors for white light-emitting diodes //Materials. - 2010. - Т. 3. - №. 3. - С. 2172-2195.

[12] Valley G. C. Photonic analog-to-digital converters //Optics Express. - 2007. - Т. 15. - №. 5. - С. 1955-1982.

[13] Derickson D. J., Helkey R. J., Mar A., Karin J. R., Wasserbauer, J. G., Bowers J. E. Short pulse generation using multisegment mode-locked semiconductor lasers //IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1992. - Т. 28. - №. 10. - С. 2186-2202.

[14] Green R. P., Haji M., Hou L., Mezosi G., Dylewicz R., Kelly A. E. Fast saturable absorption and 10 GHz wavelength conversion in Al-quaternary multiple quantum wells //Optics express. - 2011. - T. 19. - №. 10. - C. 9737-9743.

[15] Szirmay-Kalos L. Monte-carlo methods in global illumination. - 2000.

[16] Zhmakin A. I. Enhancement of light extraction from light emitting diodes //Physics Reports. - 2011. - T. 498. - №. 4. - C. 189-241.

[17] Ee Y. K., Kumnorkaew P., Arif R. A., Tong H., Zhao H., Gilchrist J. F., Tansu N. Optimization of light extraction efficiency of Ill-nitride LEDs with self-assembled colloidal-based microlenses //IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. - 2009. - T. 15. - №. 4. - C. 1218-1225.

[18] Ee Y. K., Kumnorkaew P., Arif R. A., Tong H., Gilchrist J. F., Tansu N. Light extraction efficiency enhancement of InGaN quantum wells light-emitting diodes with polydimethylsiloxane concave microstructures //Optics Express. - 2009. - T. 17. - №. 16. - C. 13747-13757.

[19] Kim H., Kim K. K., Lee S. N., Baik, K. H. Design and fabrication of vertical-injection GaN-based light-emitting diodes //Optics express. - 2011. - T. 19. - №. 104. - C. A937-A942.

[20] Lee W. C., Wang S. J., Uang K. M., Chen T. M., Kuo D. M., Wang P. R., & Wang P. H. Enhanced light output of GaN-based vertical-structured light-emitting diodes with two-step surface roughening using KrF laser and chemical wet etching //IEEE Photonics Technology Letters. - 2010. - T. 22. - №. 17. - C. 1318-1320.

[21] Bao K., Zhang B., Kang X. N., Dai T., Xiong C., Zhang G., Chen Y. Improvement of light extraction from micro-pattern encapsulated GaN-based LED by imprinting //Proc. of SPIE Vol. - 2008. - T. 6910. - C. 69100N-1.

[22] Han D. S., Kim J. Y., Na S. I., Kim S. H., Lee K. D., Kim B., Park S. J. Improvement of light extraction efficiency of flip-chip light-emitting diode by texturing the bottom side surface of sapphire substrate //IEEE Photonics Technology Letters. - 2006. - T. 18. - №. 13. - C. 1406-1408.

[23] Chang S. J., Chen W. S., Shei S. C., Kuo C. T., Ko T. K., Shen C. F. High-brightness InGaN-GaN power flip-chip LEDs //Journal of Lightwave Technology.

- 2009. - Т. 27. - №. 12. - С. 1985-1989.

[24] Lee T. X., Gao K. F., Chien W. T., Sun C. C. Light extraction analysis of GaN-based light-emitting diodes with surface texture and/or patterned substrate //Optics Express. - 2007. - Т. 15. - №. 11. - С. 6670-6676.

[25] Pan J. W., Wang C. S. Light extraction efficiency of GaN-based LED with pyramid texture by using ray path analysis //Optics express. - 2012. - Т. 20. - №. 105. - С. A630-A640.

[26] Смирнова И. П., Марков Л. К., Павлюченко А. С., Кукушкин М. В. AlGalnN-светодиоды с прозрачным p- контактом на основе тонких пленок ITO //Физика и техника полупроводников. - 2012. - Т. 46. - №. 3. - С. 384-388.

[27] Марков Л. К., Смирнова И. П., Павлюченко А. С., Аракчеева Е. М., Кулагина М. М. Отражающий p-контакт на основе тонких пленок ITO для флип-чип-светодиодов AlGaInN //Физика и техника полупроводников. - 2009. - Т. 43. -№. 11. - С. 1564-1569.

[28] Zhang Q., Li K. H., Choi H. W. InGaN light-emitting diodes with indium-tin-oxide sub-micron lenses patterned by nanosphere lithography //Applied Physics Letters.

- 2012. - Т. 100. - №. 6. - С. 061120.

[29] Wang P., Cao B., Wei W., Gan Z., Liu S. Improved light extraction of GaN-based light-emitting diodes by ITO patterning with optimization design //Solid-State Electronics. - 2010. - Т. 54. - №. 3. - С. 283-287.

[30] Wang P., Gan Z., Liu S. Improved light extraction of GaN-based light-emitting diodes with surface-patterned ITO //Optics & Laser Technology. - 2009. - Т. 41.

- №. 6. - С. 823-826.

[31] Huang S. H., Horng R. H., Wen K. S., Lin Y. F., Yen K. W., Wuu D. S. Improved light extraction of nitride-based flip-chip light-emitting diodes via sapphire shaping and texturing //IEEE photonics technology letters. - 2006. - Т. 18. - №. 24. - С. 2623-2625.

[32] Mehta D. S., Saxena K. Light out-coupling strategies in organic light emitting devices //Proc. ASID. - 2006. - T. 6. - №. 2. - C. 198-201..

[33] Steigerwald D. A., Bhat J. C., Collins D., Fletcher R. M., Holcomb M. O., Ludowise M. J, Rudaz S. L. Illumination with solid state lighting technology //IEEE journal of selected topics in quantum electronics. - 2002. - T. 8. - №. 2. -C. 310-320.

[34] Lin C. F., Yang Z. J., Zheng J. H., Dai J. J. Enhanced light output in nitride-based light-emitting diodes by roughening the mesa sidewall //IEEE photonics technology letters. - 2005. - T. 17. - №. 10. - C. 2038-2040.

[35] Lee J. S., Lee J., Kim S., Jeon H. GaN light-emitting diode with deep-angled mesa sidewalls for enhanced light emission in the surface-normal direction //IEEE Transactions on Electron Devices. - 2008. - T. 55. - №. 2. - C. 523-526.

[36] Lee J. S., Lee J., Kim S., Jeon H. Fabrication of reflective GaN mesa sidewalls for the application to high extraction efficiency LEDs //physica status solidi (c). -2007. - T. 4. - №. 7. - C. 2625-2628.

[37] Ma M., Noemaun A. N., Cho J., Schubert E. F., Kim G. B., Sone C. Emission pattern control and polarized light emission through patterned graded-refractive-index coatings on GaInN light-emitting diodes //Optics Express. - 2012. - T. 20. -№. 15. - C. 16677-16683.

[38] Kim J. K., Schubert M. F., Xi J. Q., Mont F. W., Schubert E. F. Enhancement of light extraction in GaInN light-emitting diodes with graded-index indium tin oxide layer //Conference on Lasers and Electro-Optics. - Optical Society of America, 2007. - C. CTuI1.

[39] Ma M., Mont F. W., Yan X., Cho J., Schubert E. F., Kim G. B., Sone C. Effects of the refractive index of the encapsulant on the light-extraction efficiency of light-emitting diodes //Optics express. - 2011. - T. 19. - №. 105. - C. A1135-A1140.

[40] Kuckmann O. High power LED arrays: Special requirements on packaging technology //Proc. SPIE. - 2006. - T. 6134. - C. 613404.

[41] Hartmann P., Wenzl F. P., Sommer C., Pachler P., Hoschopf H., Schweighart M. White LEDs and modules in chip-on-board technology for general lighting //Sixth

International Conference on Solid State Lighting. San Diego: SPIE. - 2006. - Т. 6337. - С. 63370I.

[42] Мухина Е., Башта П. Технология Chip-on-Board: основные процессы и оборудование //Электроника: Наука, технология, бизнес. - 2008. - №. 3. - С. 54-59.

[43] Li Z. T., Wang Q. H., Tang Y., Li C., Ding X. R., He Z. H. Light extraction improvement for LED COB devices by introducing a patterned leadframe substrate configuration //IEEE Transactions on Electron Devices. - 2013. - Т. 60. - №. 4. -С. 1397-1403.

[44] Zheng H., Zhao Z., Wang Y., Li L., Liu S., Luo X. Effect of patterned substrate on light extraction efficiency of chip-on-board packaging LEDs //Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 2014 IEEE 64th. - IEEE, 2014. - С. 1876-1879.

[45] Zheng H., Li L., Lei X., Yu X., Liu S., Luo X. Optical performance enhancement for chip-on-board packaging LEDs by adding TiO 2/silicone encapsulation layer //IEEE electron device letters. - 2014. - Т. 35. - №. 10. - С. 1046-1048.

[46] Wu D., Wang K., Liu S. Enhancement of light extraction efficiency of multi-chips light-emitting diode array packaging with various microstructure arrays //Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 2011 IEEE 61st. -IEEE, 2011. - С. 242-245.

[47] Setlur A. A., Shiang J. J., Hannah M. E., Happek U. Phosphor quenching in LED packages: measurements, mechanisms, and paths forward //Proc. SPIE. - 2009. -Т. 7422. - С. 74220E-74228E.

[48] Pilla V., Catunda T., Lima S. M., Medina A. N., Baesso M. L., Jenssen H. P., Cassanho A. Thermal quenching of the fluorescence quantum efficiency in colquiriite crystals measured by thermal lens spectrometry //JOSA B. - 2004. - Т. 21. - №. 10. - С. 1784-1791.

[49] Liu L., Xie R. J., Hirosaki N., Takeda T., Zhang C. N., Li J., Sun X.. Photoluminescence properties of P-SiAlON: Yb2+, a novel green-emitting

phosphor for white light-emitting diodes //Science and technology of advanced materials. - 2011. - T. 12. - №. 3. - C. 034404.

[50] Xie R. J., Hirosaki N. Silicon-based oxynitride and nitride phosphors for white LEDs—A review //Science and Technology of Advanced Materials. - 2007. - T. 8. - №. 7. - C. 588-600.

[51] Xie R. J., Hirosaki N., Li Y., Takeda T. Rare-earth activated nitride phosphors: synthesis, luminescence and applications //Materials. - 2010. - T. 3. - №. 6. - C. 3777-3793.

[52] Smet P. F., Parmentier A. B., Poelman D. Selecting conversion phosphors for white light-emitting diodes //Journal of the electrochemical society. - 2011. - T. 158. -№. 6. - C. R37-R54.

[53] Chen L., Lin C. C., Yeh C. W., Liu R. S. Light converting inorganic phosphors for white light-emitting diodes //Materials. - 2010. - T. 3. - №. 3. - C. 2172-2195.

[54] Cheng W. C., Tsai C. C., Chang J. K., Huang S. Y., Chen J. H., Hu S. S. Fabrication of low-temperature Ce 3+: YAG doped glass for phosphor-converted white-light-emitting diodes //Opto-Electronics and Communications Conference (OECC), 2012 17th. - IEEE, 2012. - C. 603-604.

[55] Liang X., Zhu C., Yang Y., Yuan S., Chen G. Luminescent properties of Dy 3+-doped and Dy 3+-Tm 3+ co-doped phosphate glasses //Journal of Luminescence.

- 2008. - T. 128. - №. 7. - C. 1162-1164.

[56] Burgin J., Jubera V., Debeda H., Glorieux B., Garcia A., Lucat C. Screen-printed phosphor coatings for white LED emission //Journal of Materials Science. - 2011.

- T. 46. - №. 7. - C. 2235-2241.

[57] Cheng W. H., Tsai C. C., Wang J. Lumen degradation and chromaticity shift in glass and silicone based high-power phosphor-converted white-emitting diodes under thermal tests //SPIE Optical Engineering+ Applications. - International Society for Optics and Photonics, 2011. - C. 81230F-81230F-7.

[58] Wang J. S., Tsai C. C., Liou J. S., Cheng W. C., Huang S. Y., Chang G. H., Cheng W. H. Mean-time-to-failure evaluations of encapsulation materials for LED

package in accelerated thermal tests //Microelectronics Reliability. - 2012. - T. 52.

- №. 5. - C. 813-817.

[59] LiouJ. S., Tsai C. C., Cheng W. C., Huang S. Y., Cheng G. H., Chang J. K., Cheng W. H. MTTF evaluations of encapsulation materials for LED package in accelerated thermal tests //Opto-Electronics and Communications Conference (OECC), 2011 16th. - IEEE, 2011. - C. 511-512.

[60] Tsai C. C., Wang J., Chen M. H., Hsu Y. C., Lin Y. J., Lee C. W., Cheng W. H. Investigation of Ce: YAG doping effect on thermal aging for high-power phosphor-converted white-light-emitting diodes //IEEE Transactions on Device and Materials Reliability. - 2009. - T. 9. - №. 3. - C. 367-371.

[61] Tsai C. C., Chung C. H., Wang J., Cheng W. C., Chen M. H., Liou J. S., Hu H. L. High thermal stability of high-power phosphor based white-light-emitting diodes employing Ce: YAG-doped glass //Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 2010 Proceedings 60th. - IEEE, 2010. - C. 700-703.

[62] Tsai C. C., Cheng W. C., Chang J. K., Chen L. Y., Chen J. H., Hsu Y. C., Cheng W. H. Ultra-high thermal-stable glass phosphor layer for phosphor-converted white light-emitting diodes //Journal of Display Technology. - 2013. - T. 9. - №. 6. - C. 427-432.

[63] Cheng W. C., Huang S. Y., Tsai C. C., Liou J. S., Chang J. H., Wang J., Cheng W. H. The efficacy study of Ce: YAG doped low-temperature glass for white LED modules //Opto-Electronics and Communications Conference (OECC), 2011 16th.

- IEEE, 2011. - C. 481-482.

[64] Tsai C. C., Liou J. S., Cheng W. C., Chung C. H., Chen M. H., Wang, J., Cheng W. H. High humidity resistance of high-power white-light-emitting diode modules employing Ce: YAG doped glass //Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 2011 IEEE 61st. - IEEE, 2011. - C. 1626-1630.

[65] Masai H., Fujiwara T., Matsumoto S., Takahashi Y., Iwasaki K., Tokuda Y., Yoko T. High efficient white light emission of rare earth-free MnO-SnO-ZnO-P2O5 glass //Journal of the Ceramic Society of Japan. - 2011. - T. 119. - №. 1394. - C. 726-730.

[66] Lee Y. K., Lee J. S., Heo J., Im W. B., Chung W. J. Phosphor in glasses with Pb-free silicate glass powders as robust color-converting materials for white LED applications //Optics letters. - 2012. - Т. 37. - №. 15. - С. 3276-3278.

[67] Guo H., Liu X. Y., Li F., Wei R., Wei Y., Ma C. Enhanced white luminescence in mixed-valence Eu-doped BaAl2Si2O8 glass ceramics for W-LEDs //Journal of The Electrochemical Society. - 2012. - Т. 159. - №. 6. - С. J223-J226.

[68] Liu S., Zhao G., Ying H., Wang J., Han G. Eu/Dy ions co-doped white light luminescence zinc-aluminoborosilicate glasses for white LED //Optical Materials. - 2008. - Т. 31. - №. 1. - С. 47-50.

[69] Acuña P., Leyre S., Audenaert J., Meuret Y., Deconinck G., Hanselaer P. Power and photon budget of a remote phosphor LED module //Optics express. - 2014. -Т. 22. - №. 104. - С. A1079-A1092.

[70] Zhu Y., Narendran N. Optimizing the performance of remote phosphor LEDs //Journal of Light & Visual Environment. - 2008. - Т. 32. - №. 2. - С. 115-119.

[71] You J. P., Shi F. G Effect of phosphor particle size on luminous efficacy of phosphor-converted white LED //Journal of Lightwave Technology. - 2009. - Т. 27. - №. 22. - С. 5145-5150.

[72] Tran N. T., Shi F. G. Studies of phosphor concentration and thickness for phosphor-based white light-emitting-diodes //Journal of lightwave technology. - 2008. - Т. 26. - №. 21. - С. 3556-3559.

[73] Liu Z. Y., Li C., Yu B. H., Wang Y. H., Niu H. B. Effects of YAG: Ce phosphor particle size on luminous flux and angular color uniformity of phosphor-converted white LEDs //Journal of Display Technology. - 2012. - Т. 8. - №. 6. - С. 329-335.

[74] Bois C., Bodrogi P., Khanh T. Q., Winkler H. Measuring, simulating and optimizing current LED phosphor systems to enhance the visual quality of lighting //Journal of Solid State Lighting. - 2014. - Т. 1. - №. 1. - С. 5.

[75] Никоноров Н. В., Сидоров А. И. Материалы и технологии волоконной оптики: специальные оптические волокна //СПбГУ ИТМО. - 2009.

[76] Fischer-Hirchert U. H. P. Photonic Packaging Sourcebook: Fiber-Chip Coupling for Optical Components, Basic Calculations, Modules. - Springer, 2015.

[77] Kawano K., Mitomi O. Coupling characteristics of laser diode to multimode fiber using separate lens methods //Applied optics. - 1986. - T. 25. - №. 1. - C. 136141.

[78] Kawano K. Coupling characteristics of lens systems for laser diode modules using single-mode fiber //Applied optics. - 1986. - T. 25. - №. 15. - C. 2600-2605.

[79] Kawano K., Mitomi O., Saruwatari M. Combination lens method for coupling a laser diode to a single-mode fiber //Applied optics. - 1985. - T. 24. - №. 7. - C. 984-989.

[80] Wilson R. G. Ball-lens coupling efficiency for laser-diode to single-mode fiber: comparison of independent studies by distinct methods //Applied optics. - 1998. -T. 37. - №. 15. - C. 3201-3205.

[81] Saruwatari M., Nawata K. Semiconductor laser to single-mode fiber coupler //Applied Optics. - 1979. - T. 18. - №. 11. - C. 1847-1856.

[82] Liu J., Fan W. Experimental study on high efficiency of Ti: sapphire laser to singlemode f iber coupling //Chinese Optics Letters. - 2013. - T. 11. - №. 5. - C. 050605.

[83] Stagaman J. M., Moore D. T. Laser diode to fiber coupling using anamorphic gradient-index lenses //Applied optics. - 1984. - T. 23. - №. 11. - C. 1730-1734.

[84] Eisenstein G., Vitello D. Chemically etched conical microlenses for coupling single-mode lasers into single-mode fibers //Applied Optics. - 1982. - T. 21. - №. 19. - C. 3470-3474.

[85] Yang H. M., Huang S. Y., Lee C. W., Lay T. S., Cheng W. H. High-coupling tapered hyperbolic fiber microlens and taper asymmetry effect //Journal of lightwave technology. - 2004. - T. 22. - №. 5. - C. 1395-1401.

[86] Zou H., Huang H., Chen S., Li Q., Fu J., Lin F., Wu X. Laser printed fiber microlens for fiber-diode coupling by direct laser writing //Applied optics. - 2014. - T. 53. -№. 36. - C. 8444-8448.

[87] Yeh S. M., Lu Y. K., Huang S. Y., Lin H. H., Hsieh C. H., Cheng W. H. A novel scheme of lensed fiber employing a quadrangular-pyramid-shaped fiber endface for coupling between high-power laser diodes and single-mode fibers //Journal of Lightwave Technology. - 2004. - T. 22. - №. 5. - C. 1374.

[88] Bachelot R., Fares A., Fikri R., Barchiesi D., Lerondel G., Royer, P. Coupling semiconductor lasers into single-mode optical fibers by use of tips grown by photopolymerization//Optics letters. - 2004. - Т. 29. - №. 17. - С. 1971-1973.

[89] URL: http://www.optogan.ru/products/led_components/

[90] ZEMAX®. Optical Design Program-User's Manual. - 2012.

[91] Horvath H. Gustav Mie and the scattering and absorption of light by particles: Historic developments and basics //Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. - 2009. - Т. 110. - №. 11. - С. 787-799.

[92] Bohren C. F., Huffman D. R. Absorption and scattering of light by small particles. - John Wiley & Sons, 2008.

[93] Никифоров С. Система параметров светодиодов Электрические, фотометрические, спектральные (колориметрические) и энергетические характеристики //Полупроводниковая светотехника. - 2011. - Т. 5. - №. 13. -С. 16-27.

[94] Джадд Д. Б., Вышецки Г. Цвет в науке и технике. - 1978.

[95] Davis W., Ohno Y. Toward an improved color rendering metric //Proc. SPIE. -2005. - Т. 5941. - С. 59411G.

[96] Doe U. S. ENERGY STAR® Program Requirements for Solid State Lighting Luminaires. - 2008.

[97] Raukas M., Wei G., Bergenek K., Kelso J., Zink N., Zheng Y., Jermann F. Luminescent ceramics for LED conversion //Proc. SPIE. - 2011. - Т. 7954. - С. 795415.

[98] Yu N. Coupling of a semiconductor laser to a single-mode fiber. - 1987, URL: http://digitalcommons.ohsu.edu/etd/232.

Приложение 1. Геометрические параметры исследуемых форм оптического покрытия

№ Форма покрытия Основные размеры Схематическое изображение модуля

0 Плоское покрытие И=0.6 мм

1 Одиночная линза на плоском покрытии Яс=5 мм, И1епз=5 мм

2 ^с=6 мм, И1еп,=2.7 мм

3 ^с=10 мм, И1ет=1.35 мм

4 Одиночная пирамида на плоском покрытии И=5 мм

5 И=4 мм

6 И=3 мм

7 И=2 мм

8 Девять пирамид на плоском покрытии И=1.3 мм \\\

9 И=1 мм

10 И=0.5 мм

11 И=0.2 мм

12 Девять линз на плоском покрытии гс=1.3 мм к1ет=1.3 мм

13 гс=1.5 мм к1ет=0.8 мм

14 Гс=2 мм к1ет=0.5 мм

15 гс=2.5 мм к1ет=0.4 мм

16 Оптический элемент с волнистой поверхностью И[епз=1.4 мм

17 hlens= 1 мм

18 к[епз=0.9 мм - —^^^

19 к1епз=0.8 мм

Приложение 2. Результаты измерений опытных образцов модулей чип-на-плате Результаты измерения модулей с девятью чипами с плоской

поверхностью оптического покрытия

№ образ ца X У ССТ СШ F, Лм Рор1:, Вт ей:, Лм/Вт

1 0,461 0,421 2765 80 729,9 2,3 75

2 0,462 0,419 2735 80 781,3 2,4 81,5

3 0,464 0,422 2726 79 734,6 2,3 76,4

4 0,44 0,407 2968 80 763,8 2,4 80,2

5 0,439 0,407 2983 81 759,1 2,4 79,3

6 0,441 0,407 2963 81 769,5 2,4 80,1

7 0,456 0,416 2804 83 685 2,2 70,9

8 0,456 0,415 2790 83 686,4 2,2 71,6

9 0,455 0,416 2801 84 663,3 2,1 68,2

10 0,419 0,39 3206 86 782,5 2,5 81,6

11 0,42 0,39 3187 86 728,9 2,4 76,3

12 0,437 0,401 2981 84 713,1 2,3 75

13 0,433 0,4 3034 85 717,1 2,3 75,1

14 0,414 0,38 3223 84 775,3 2,5 79,1

15 0,409 0,376 3291 85 779,6 2,5 80,2

16 0,412 0,378 3248 84 784,6 2,5 79,6

17 0,394 0,398 3819 82 927,5 2,8 93,4

18 0,392 0,397 3840 82 919,9 2,8 92

19 0,394 0,399 3807 82 914,6 2,8 92,1

Результаты измерения модулей с двадцатью четырьмя чипами с плоской поверхностью оптического покрытия_

№ образ ца X У ССТ СШ F, Лм Рор1, Вт Ей., Лм/Вт

1 0,431 0,397 3040 83 502,8 1,6 118,1

2 0,43 0,396 3047 83 505,7 1,6 118,8

3 0,434 0,398 3011 82 507,9 1,6 119

4 0,411 0,409 3527 80 596,9 1,8 110

5 0,405 0,402 3595 81 598 1,8 110,6

6 0,41 0,409 3534 80 595 1,8 109,4

7 0,359 0,379 4639 80 635 1,9 117,7

8 0,358 0,377 4664 80 625,7 1,9 115

9 0,36 0,38 4619 80 631,7 1,9 115,5

10 0,348 0,36 4910 81 525,1 1,7 122,3

11 0,352 0,366 4805 81 526,3 1,6 122,9

12 0,355 0,369 4725 81 532,1 1,7 123,6

13 0,354 0,368 4748 81 533,3 1,7 124,3

14 0,352 0,365 4804 81 527,6 1,7 122,5

15 0,355 0,369 4713 81 526,9 1,6 122,2

Результаты измерения модулей с девятью чипами с текстурированной

поверхностью оптического покрытия

№ образца X У ССТ СШ F, Лм Рор^ Вт ЕЙЙ., Лм/Вт

Матрица из микролинз

1 0,453 0,418 2862 80,1 625,9 1,9 64,5

2 0,452 0,416 2861 80,2 755,3 2,3 77,8

3 0,432 0,402 3063 81,3 809,3 2,5 84

4 0,433 0,403 3059 81 794,7 2,5 83,5

5 0,449 0,413 2876 83,9 703 2,2 73,2

6 0,449 0,411 2872 84 704,2 2,2 73,1

7 0,411 0,383 3327 86,8 814,5 2,6 84,3

8 0,411 0,384 3314 86,9 749,6 2,4 78

9 0,386 0,389 3946 82,4 987,1 3 99,1

10 0,389 0,393 3891 82,1 991,4 3 98,8

11 0,386 0,39 3944 82,5 993,9 3,1 98,9

Одна линза

12 0,458 0,424 2828 79,5 750,3 2,3 77,5

13 0,433 0,409 3101 80,9 778,4 2,4 81

14 0,453 0,419 2860 83,4 693,1 2,2 72,1

15 0,411 0,388 3366 86,8 737,9 2,4 77,3

16 0,43 0,401 3099 84,8 721,4 2,3 75,5

17 0,39 0,4 3918 81,5 947,7 2,9 94,7

18 0,39 0,399 3911 81,6 957,9 2,9 95,8

19 0,387 0,397 3962 81,7 958,3 2,9 95,7

Кольца лазером

20 0,448 0,412 2885 80,7 794,8 2,5 82,4

21 0,425 0,396 3147 81,7 811,5 2,6 84,2

22 0,434 0,403 3045 85,2 676,4 2,3 69,6

23 0,417 0,388 3242 86,1 758,2 2,5 78,8

24 0,369 0,372 4302 83,9 961 3 96,4

25 0,37 0,374 4281 83,7 974,2 3,1 97,5

26 0,372 0,376 4231 82,9 960,1 3 97,1

Результат текстури ы измерения модулей с двадцатью четы] эованной поверхностью оптического пок ьмя чипами с рытия

№ образца X У ССТ СМ Б, Лм Рор1:, Вт Eff., Лм/Вт

Матрица из микролинз

1 0,431 0,398 3050 82,7 525,2 1,7 123,3

2 0,431 0,397 3039 82,4 532,3 1,7 124,6

3 0,43 0,396 3064 82,8 531,8 1,7 124,8

4 0,345 0,37 5049 83,5 583,7 1,8 137,8

5 0,345 0,371 5068 83,3 582,7 1,8 137,6

6 0,345 0,372 5062 83,3 583,7 1,8 138

7 0,353 0,369 4790 80,6 555 1,7 128,7

8 0,354 0,368 4759 80,4 550,1 1,7 127

9 0,347 0,36 4966 81,2 543,3 1,7 126,1

10 0,406 0,404 3584 80,4 639 1,9 120,5

11 0,402 0,399 3640 80,9 640,8 2 121

12 0,404 0,403 3614 80,6 634,3 1,9 120,1

13 0,3574 0,3773 4677 79,9 666,5 2 121,5

14 0,3548 0,3732 4742 80,4 654,8 2 120,4

15 0,3566 0,3775 4702 80,3 671,6 2,1 124,2

Одна линза

16 0,427 0,399 3132 82,6 517 1,6 121

17 0,421 0,395 3219 83,1 517,2 1,6 120,8

18 0,421 0,395 3208 83,3 509,5 1,6 118,5

19 0,343 0,361 5114 81,8 521,6 1,6 121,1

20 0,334 0,362 5442 84 557 1,8 131,2

21 0,332 0,362 5533 83,8 544,1 1,7 128,5

22 0,405 0,408 3646 80,3 616,9 1,9 113,1

23 0,397 0,401 3773 80,8 605,5 1,8 111,1

24 0,4 0,403 3713 80,6 614,9 1,9 112,6

25 0,352 0,375 4842 80 634,4 1,9 116

26 0,352 0,374 4830 79,8 620,1 1,9 109,8

27 0,351 0,373 4871 80,1 633,1 1,9 116,3

Кольца лазером

28 0,392 0,36 3560 86 534,3 1,8 123,5

29 0,39 0,359 3579 86,1 538,5 1,8 125,6

30 0,395 0,3б4 3520 S5,9 537 1,S 125,7

31 0,32S 0,334 5701 S3,S 537,S 1,S 124,б

32 0,323 0,327 59S0 S5,6 523,S 1,S 121,9

33 0,319 0,321 б192 S5,4 531,1 1,S 123,4

34 0,322 0,32б б023 S5 530,7 1,S 122,9

35 0,321 0,322 б111 S5 530,б 1,S 123,2

3б 0,32S 0,333 5713 S4 537,7 1,S 125,1

37 0,3S4 0,3S3 3940 S2 б20,5 1,9 114,2

3S 0,379 0,377 4037 S2,6 625,S 2 115,7

39 0,37б 0,372 40S5 S2,9 б20 2 114,7

40 0,33б 0,349 53б3 S3 б43,3 2,1 119,1

41 0,337 0,351 5314 S2,4 б37,7 2 11б,б

42 0,33S 0,352 5274 S2,2 б37,2 2 117,4