Parte B: Simulación OLED usando trazado de rayos

🎯 Objetivos de aprendizaje

Configurar y ejecutar una simulación OLED utilizando el modelo óptico de trazado de rayos.
Comparar el trazado de rayos con el método de matriz de transferencia y comprender las ventajas del análisis resuelto en ángulo.
Interpretar las salidas combinadas eléctricas + ópticas, incluidas las curvas L–I–V y voltaje–flujo luminoso.
Analizar la emisión dependiente del ángulo utilizando valores RGB y espectros CIE 1931 x, y, z (X, Y, Z).
Configurar espectros de emisión (experimentales frente a calculados) y parámetros de trazado de rayos (rangos theta/phi, posiciones de emisión).

📦 Requisitos previos

OghmaNano instalado y funcionando.
Familiaridad básica con conceptos OLED (EML/HTL/ETL, electroluminiscencia).

⏱ Tiempo estimado

Parte A: 10–15 min
Parte B: 10–15 min
Total: ~1 h dependiendo de la exploración.

1. Introducción

En la sección anterior utilizamos el método de matriz de transferencia (TMM) para calcular la probabilidad de que los fotones escapen del dispositivo. El TMM trata la luz como una onda, capturando de forma natural las múltiples reflexiones en las interfaces entre capas y la interferencia resultante dentro de la cavidad de película delgada.

En esta sección cambiamos a un enfoque complementario: trazado de rayos. Aquí la luz se trata como partículas (rayos), que es el paradigma ampliamente utilizado en gráficos por ordenador. Una ventaja clave es su dependencia angular explícita: podemos seguir cómo los rayos se refractan y reflejan al salir del dispositivo y, por tanto, predecir el comportamiento resuelto en ángulo—como el color (espectro) observado en función del ángulo de visión—que es el foco de esta sección.

2. Inicio rápido - trazado de rayos

Para crear una nueva simulación OLED de trazado de rayos, abra la ventana New simulation y haga doble clic en OLED (Ray Trace) (véase ??). Guarde el nuevo proyecto en el disco. Después de abrirlo, verá la interfaz principal del OLED ( ?? ), que es similar al ejemplo anterior, pero con el trazador de rayos activado como modelo óptico.

Ventana de nueva simulación que muestra la opción para crear un proyecto OLED (Ray Trace). — La ventana *New simulation* que muestra la opción de crear un proyecto **OLED (Ray Trace)**.

Ventana de simulación OLED por defecto con el trazado de rayos activado. — La ventana de simulación OLED por defecto que se abre con el trazado de rayos activado.

En la interfaz principal, navegue hasta la cinta Optical (??) y haga clic en Optical outcoupling, igual que en la simulación anterior. Esto abre la ventana de outcoupling (véase ??). Observe que esta vez el botón Ray Trace está seleccionado en la interfaz principal en lugar del botón Transfer Matrix. Al hacer clic en el botón Run optical simulation (▶) se lanzará el trazador de rayos, que propaga rayos desde cada punto de malla dentro de la capa activa para calcular la probabilidad de que los fotones escapen del dispositivo en cada posición.

Cinta Optical de OghmaNano que muestra herramientas para configuración de fuente de luz, cálculos de matriz de transferencia, optical outcoupling, editor de trazado de rayos, simulación FDTD, calculadora de modos, espesor óptico, malla óptica y condiciones de contorno. — La cinta *Optical* en *OghmaNano*. Esta barra de herramientas agrupa todas las herramientas de modelado óptico; haga clic en **Optical outcoupling** para lanzar la herramienta de análisis de extracción de luz.

Outcoupling calculado utilizando el método de trazado de rayos. — Eficiencia de outcoupling calculada utilizando el método de *trazado de rayos*.

Esto llevará mucho más tiempo que las simulaciones TMM debido a la mayor complejidad. Además, las simulaciones solo calcularán la probabilidad de escape para el área activa para ahorrar tiempo. Tenga en cuenta que la eficiencia de outcoupling para trazado de rayos es menor que la predicha por la matriz de transferencia, ya que el método de matriz de transferencia asume propagación normal a las interfaces mientras que el trazado de rayos permite que los rayos viajen en todas las direcciones, algunas de las cuales nunca abandonarán el dispositivo.

3. Simulaciones eléctricas combinadas con trazado de rayos

Ahora vuelva a la ventana principal de simulación y pulse el botón Play azul (o pulse 9) para ejecutar la simulación principal. Esta ejecución primero ejecuta el trazador de rayos y luego el solucionador de drift–diffusion. El trazador de rayos calcula la probabilidad de que los fotones generados en la capa activa escapen del dispositivo, y también determina la distribución angular de emisión (por tanto, qué colores son visibles a qué ángulos). El solucionador de drift–diffusion calcula entonces la magnitud de la luz emitida evaluando el término de recombinación, que representa la tasa de emisión radiativa. La vista resultante del trazado de rayos se muestra en Figure 5, y la gráfica correspondiente de salida voltaje–luz (lv.csv, luz frente a voltaje) se muestra en Figure 6.

Cinta Optical de OghmaNano con Ray tracing seleccionado: se muestra una pila OLED 3D con rayos multicolores lanzados desde la capa emisora y refractándose o atrapándose en interfaces después de una ejecución de drift–diffusion. — Ventana principal de OghmaNano después de una simulación combinada: el solucionador de drift–diffusion suministra el perfil espacial de recombinación (fuente emisora), y el motor *Optical → Ray tracing* propaga rayos a través del OLED multicapa, capturando extracción, reflexión interna total y pérdidas por guiado de onda.

Gráfica titulada 'Voltage – Light flux': la salida de luz permanece cerca de cero por debajo del encendido y luego aumenta bruscamente con el incremento del voltaje aplicado. — Curva de salida voltaje–luz del flujo de trabajo electro–óptico combinado. Por debajo del encendido, el flujo emitido es despreciable; una vez que aumentan la inyección de portadores y la recombinación radiativa, la potencia óptica extraída aumenta bruscamente con el voltaje.

3. Salidas clave

Si inspecciona las salidas de la simulación combinada de trazado de rayos y drift–diffusion (??), verá que muchos archivos coinciden con los descritos en la sección anterior (matriz de transferencia). La adición crucial es que el trazado de rayos produce un perfil de emisión resuelto en ángulo, por lo que OghmaNano también escribe datos de color dependientes del ángulo: el RGB global frente al ángulo de visión (theta_RGB.csv) y los componentes CIE 1931 x, y, z y los tristímulos X, Y, Z frente al ángulo (theta_x/y/z.csv, theta_X/Y/Z.csv). Estos aparecen como iconos de vista previa de espectro arcoíris en la figura y se resumen en la tabla siguiente.

Ventana principal de OghmaNano que muestra archivos de salida de una ejecución combinada drift–diffusion + trazado de rayos, incluidos datos RGB y CIE (x,y,z / X,Y/Z) resueltos en ángulo. — Salidas de la simulación **combinada de drift–diffusion y trazado de rayos**. En comparación con el flujo de trabajo anterior de matriz de transferencia, el trazado de rayos produce *más archivos* porque resuelve la **dependencia con el ángulo de visión** del color y la intensidad (`theta_RGB.csv`, `theta_x/y/z.csv`, `theta_X/Y/Z.csv`, etc.).

Componente x de CIE 1931 frente al ángulo de visión a partir de theta_x.csv. — Salidas de la simulación **combinada de drift–diffusion y trazado de rayos**. En comparación con el flujo de trabajo anterior de matriz de transferencia, el trazado de rayos produce *más archivos* porque resuelve la **dependencia con el ángulo de visión** del color y la intensidad (`theta_RGB.csv`, `theta_x/y/z.csv`, `theta_X/Y/Z.csv`, etc.).

Archivos que describen el cambio de color con el ángulo de visión.
Nombre del archivo	Descripción
`theta_RGB.csv`	Valores RGB vs. ángulo de visión
`theta_x.csv`	CIE 1931 x vs. ángulo de visión
`theta_y.csv`	CIE 1931 y vs. ángulo de visión
`theta_z.csv`	CIE 1931 z vs. ángulo de visión
`theta_X.csv`	CIE 1931 X vs. ángulo de visión
`theta_Y.csv`	CIE 1931 Y vs. ángulo de visión
`theta_Z.csv`	CIE 1931 Z vs. ángulo de visión

4. El espectro de la luz emitida

Igual que se configuran los parámetros eléctricos por capa, puede configurar el espectro de emisión para cada capa en la ventana Emission parameters (ábrala desde Device structure → Emission parameters en la interfaz principal; véase Figure 5). El espectro puede ser:

Espectro experimental — active Use experimental emission spectra en On, luego elija un conjunto de datos mediante Experimental emission spectra. Controle la intensidad global con Experimental emission efficiency (rango 0.0–1.0, au). Hay muchos conjuntos de datos disponibles en la base de datos de materiales, y puede añadir los suyos propios (véase Databases).
Espectro calculado — ponga Use experimental emission spectra en Off para calcular el espectro a partir de las poblaciones de portadores y la densidad de estados usando la Regla de Oro de Fermi. Aparecen términos adicionales de eficiencia de generación de fotones (todos 0.0–1.0, au): n_free→p_free, n_free→n_trap, n_trap→p_free, p_trap→n_free, y p_free→p_trap. Este modo está pensado para usuarios avanzados.

Cuando se utiliza Ray tracing para el outcoupling, cada capa puede especificar direcciones de emisión en la sección Ray tracing usando ángulos esféricos: Theta steps (p. ej. 180), Theta start/stop (grados, p. ej. 0–360); Phi steps (p. ej. 25), Phi start/stop (grados, p. ej. 0–360). Esto le permite explorar la salida angular de luz. Para pilas planas y lateralmente uniformes, la simetría a menudo implica que solo necesita variar uno de theta o phi.

La opción Emit from controla las posiciones de las fuentes de rayos: Center of each layer lanza rayos desde el centro de cada capa emisora (rápido); At each electrical mesh point lanza rayos en cada nodo eléctrico para mayor fidelidad (más lento, pero puede compensarse aumentando el número de hilos).

Ventana de parámetros de emisión con 'Use experimental emission spectra' en On. Campos: Experimental emission spectra (selector de archivo), Experimental emission efficiency (0.0–1.0), ángulos de Ray tracing (Theta steps/start/stop, Phi steps/start/stop, grados) y selector Emit from. — **(a)** Uso de un espectro de emisión *experimental*: activar On, seleccionar un conjunto de datos (p. ej. `small_molecules/Alq3`), establecer la eficiencia y configurar el muestreo angular para el trazado de rayos.

Ventana de parámetros de emisión con 'Use experimental emission spectra' en Off. Aparecen campos adicionales para eficiencias de generación de fotones: nfree→pfree, nfree→ntrap, ntrap→pfree, ptrap→nfree, pfree→ptrap (cada una 0.0–1.0). También se muestran rangos y pasos theta/phi de Ray tracing más Emit from. — **(b)** Uso de un espectro *calculado*: poner Off para activar el modo de Regla de Oro de Fermi con eficiencias de generación de fotones por canal, junto con los mismos controles de ángulo de trazado de rayos y colocación de fuente.

🧪 Pruébelo usted mismo:

Ejecute el ejemplo OLED de trazado de rayos con la configuración por defecto. Compare la curva lv.csv (luz frente a voltaje) con la misma curva de la simulación TMM. ¿En qué difieren?
Cambie la opción Emit from de “Center of each layer” a “At each electrical mesh point”. Vuelva a ejecutar la simulación. ¿Cómo cambian las salidas resueltas en ángulo (theta_RGB.csv, theta_x/y/z.csv)?
Modifique el rango theta/phi en la configuración de trazado de rayos (p. ej. reduzca el rango a 0–90°). Ejecute de nuevo la simulación. ¿Qué ocurre con las gráficas color vs. ángulo?
Cambie de un espectro de emisión experimental a un espectro calculado. Compare los espectros de emisión resultantes. ¿Qué características aparecen o desaparecen?