基于GPU的時域有限差分方法及應(yīng)用于LED性能優(yōu)化的研究.pdf

1、近年來LED因其體積小、高效節(jié)能、壽命長等優(yōu)點獲得了廣泛應(yīng)用,其發(fā)光效率隨著技術(shù)發(fā)展已獲得大幅度提高。在藍光、紅光LED的內(nèi)量子效率可以高達80％的現(xiàn)狀下,較低的提取效率成為限制LED發(fā)光效率進一步提升的瓶頸。因此提高光提取效率成為LED提升性能、擴展應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵,并成為研究關(guān)注焦點。目前在LED光提取效率的研究中提出了以光子晶體、表面粗化、圖型襯底、芯片倒裝等方法來提高提取效率,但是大部分研究側(cè)重于制備與實驗,關(guān)于這些方法如何對提取

2、效率產(chǎn)生影響的分析與研究還相對較少。同時由于LED尺寸相對波長較大,模型較為復(fù)雜,以傳統(tǒng)的電磁仿真軟件對LED進行計算分析時存在耗時過長的缺陷,為研究帶來了困難,因此需要一個高速平臺針對LED中的電磁問題進行計算,輔助LED的研究分析。
　　 基于統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu)(CUDA)的通用圖形處理器(GPGPU)具有強大的數(shù)據(jù)處理能力與高速計算性能,可將圖形處理器的并行計算能力簡捷的應(yīng)用于通用計算,是實現(xiàn)本文LED研究所需的高速電磁計算的理

3、想平臺。本文的研究目標(biāo)是基于CUDA這一高速平臺實現(xiàn)并行時域有限差分(FDTD)算法,用以計算LED中的電磁場,為分析研究光提取效率的提高提供高速的計算平臺,并研究光子晶體結(jié)構(gòu)對LED的性能優(yōu)化,分析各參數(shù)對光提取效率的影響。文章簡要介紹了LED發(fā)光原理與光電特性,分析了光提取效率低下的原因,并對目前研究關(guān)注的優(yōu)化方法及成果進行了介紹。然后重點闡述了FDTD算法以及用于模擬開域計算的時域卷積吸收邊界條件(CPML),介紹了通用圖形處理器

4、和CUDA模型。在分析LED基本理論、FDTD算法以及CUDA軟硬架構(gòu)的基礎(chǔ)上,本文完成的工作以及獲得的結(jié)果如下:
　　 1.CUDA平臺上FDTD并行算法實現(xiàn)及優(yōu)化的研究。在異構(gòu)系統(tǒng)中,結(jié)合FDTD算法特點,分析規(guī)劃了GPU與CPU的任務(wù)分配。結(jié)合CUDA線程結(jié)構(gòu),在不同維度空間的計算任務(wù)與線程模型間建立映射,實現(xiàn)了一維、二維、三維直角坐標(biāo)系中的并行FDTD算法。基于CUDA的軟硬件特性,對CUDA程序進行了優(yōu)化,提高算法的并

5、行化程度與計算資源利用率,使計算速度與CPU計算相比獲得了25倍以上的提升,為LED提取效率的研究提供了高速計算平臺。
　　 為模擬開域電磁計算,本文對CPML條件進行了研究,在并行FDTD算法中簡化與實現(xiàn)了二維與三維的CPML吸收邊界條件,時諧點源與平面波入射時都能較好的吸收外向行波,可輔助FDTD算法在如LED等實際電磁問題中的應(yīng)用。
　　 2.在實現(xiàn)的算法平臺上對LED仿真計算,并分析研究了光子晶體結(jié)構(gòu)對GaN基藍

6、光LED提取效率的影響。為計算研究LED的光提取效率,本文提出了一種以坡印廷定理為基礎(chǔ)的提取效率計算方法。在FDTD方法中,對能流密度在空間與時域上積分累加,得到激勵源總能量與監(jiān)測面出光能量,并以時諧電偶極子平均輻射功率的計算作為實例,通過解析解與數(shù)值解的比較驗證了該能量計算方法的正確性。
　　 通過計算含有不同參數(shù)光子晶體的LED的光提取效率,對三角形晶格圓孔型表面光子晶體和嵌入式光子晶體中的各種參數(shù)對LED提取效率的影響進行