ビーム伝搬法を活用した光導波路素子のためのトポロジー最適設計手法の汎用化

光束传播法光波导器件拓扑优化设计方法推广

基本信息

批准号：
19J14709
负责人：
井口亜希人
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Muroran Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

世界的な通信トラヒック量の増大により、さらなる高速・大容量な光通信システムが要請されている。それに伴い、光信号の処理に利用される光回路の極限までの小型化・低損失化が要求されている。近年、光回路の回路要素設計には数値計算を活用した構造最適化が積極的に利用されているが、限られた開発期間で多様な検討を行うために、計算効率の高い最適設計法が求められている。本研究は、計算効率が非常に高い光回路の数値解析技法であるビーム伝搬法を活用した構造最適化法の汎用化を目的として、１）双方向ビーム伝搬法を活用した構造最適化法、２）フルベクトルビーム伝搬法を活用した形状・トポロジー最適設計法、について検討し、これらの設計手法の適用範囲を検証した。初期検討として、２次元双方向ビーム伝搬法を活用した光導波路の最適設計ソルバを作成した。本研究の科研費により購入した計算機を利用して最適化計算を行い、モード次数変換器などの２次元近似設計を通して提案設計手法の妥当性・有用性を確認することができた。この成果は１回の国際会議および2回の国内全国大会にて報告した。また、購入の計算機は超小型なプラズモニックデバイス設計にも活用し、その成果はIEICE Electronics Expressに報告した。その後、提案設計手法を、より実際的な３次元設計問題に対応可能とするため、３次元双方向ビーム伝搬法を活用した光導波路の最適設計ソルバを作成し、引き続き有効性の検証を行っている。これらの研究と並行して、フルベクトルビーム伝搬法を活用した感度計算に基づく新たな形状・トポロジー最適設計法を開発した。素子構造が長手方向に緩やかに変化するデバイスの設計に本設計手法が有効であることを確認できたため、この研究成果をIEEE Journal of Lightwave Technology誌に報告した。

随着全球通信交通的增加，人们需要更高速度，大容量的光学通信系统。因此，需要微型化和损失减少到用于处理光学信号的光电的极限。近年来，使用数值计算的结构优化已在光电电路的电路元素的设计中积极使用，但是为了在有限的开发期内进行各种研究，需要具有高计算效率的最佳设计方法。这项研究旨在使用光束传播，一种具有极高计算效率的光学电路的数值分析技术概括结构优化方法，并检查了1）使用双向光束传播的结构优化方法以及2）使用完整矢量传播的形状和拓扑最佳设计方法，并验证了这些设计方法的应用范围。作为一项初步研究，我们使用二维双向光束传播方法创建了用于光学波导的最佳设计求解器。使用科学研究基金购买的计算机对本研究进行了优化计算，并且可以通过二维近似设计（例如模式订单转换器）确认所提出的设计方法的有效性和实用性。在一次国际会议和两个全国会议上报告了这一结果。购买的计算机还用于设计超压缩的等离子设备，并将结果报告给IEICE Electronics Express。从那时起，为了启用提出的设计方法来处理更实用的三维设计问题，已经创建了使用三维双向光束传播方法的光学波导的最佳设计求解器，并继续验证有效性。与这些研究同时，我们使用全矢量束传播方法基于灵敏度计算开发了一种新的形状和拓扑最佳设计方法。由于确认这种设计方法可以有效地设计设备结构的纵向变化的设备，因此我们向IEEE Lightwave Technology报告了这项研究结果。