光デバイスの完全自動最適設計システム構築に向けた導波路解析ソフトウェア技術の開発

开发波导分析软件技术构建光学器件全自动优化设计系统

基本信息

批准号：
22K20433
负责人：
森本佳太
金额：
$ 1.66万
依托单位：
University of Hyogo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-08-31 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K20433/
关键词：
光デバイス光導波路電磁界解析有限要素法領域分割法

项目摘要

本年度は光導波路解析の効率化を目的として、散乱演算子に基づく新たな電磁界シミュレーション手法の開発を行った。一般的な散乱演算子による解析では入出力ポートがセットになったブロック構造を縦続に接続することで最終的な出力特性を評価するのが基本であるが、本研究では長方形に分割した解析領域の4面にポートを設け、4方向への構造接続を可能とするように解析手法の改良を行った。昨年度までに独自に開発してきた有限要素法をベースとした散乱演算子法は、任意の導波路構造をメッシュ分割して演算子化するため汎用性が高く、これを拡張し4ポート接続を実現することで、解析領域を縦横に分割した新たな領域分割型解析を実現している。具体的には、従来の有限要素法の境界処理に、伝搬演算子を使った境界条件を定式化し、連立一次方程式から各ポートの入出力電磁界を計算する散乱演算子を導出した。開放系の領域を扱うためには、数値計算上の解析領域端からの非物理的な反射を抑圧する必要があるが、解析領域を囲うようにポートを配置する場合には、隣接ポート間の不整合による不要界の出現が問題となる。そこで完全整合層を境界条件に併用し、散乱演算子を生成する過程で完全整合層を除去することで、問題を解消した。また各入出力ポートごとに対応する演算子を効率的に生成するため、界の補間にラグランジュ関数を用いるように改良を行った。汎用的に利用されている従来の有限要素法解析との比較検討により、十分な精度で解析を行うことが可能であることを確認した。また反射波が伴わない構造において効率的な解析が可能な緩慢変化包絡線近似を適用した効率的な有限要素法について、解析領域内で生じる反射波を考慮した解析を行えるように、新たに前進波と後退波を多重化した散乱演算子法の開発を行った。これにより領域分割型解析と従来の有限要素法等との結合解析が可能になることを示した。

今年，我们开发了一种基于散射算子的新电磁场模拟方法，以提高光波导分析的效率。在使用散射算子的一般分析中，最终的输出特性是通过级联具有一组输入和输出端口的块结构来评估的，但在本研究中，分析区域被划分为矩形块，改进了分析方法以实现结构连接。通过在四个侧面提供端口在四个方向上。直到去年我们才独立开发的基于有限元方法的散射算子方法具有很强的通用性，因为它将任意波导结构划分为网格并将其转换为算子，并且已经扩展到实现 4 端口连接。这样，我们就实现了一种新的分区域分析，即垂直和水平划分分析区域。具体来说，我们在传统有限元方法中使用传播算子制定边界条件进行边界处理，并导出了从联立线性方程计算每个端口的输入和输出电磁场的散射算子。为了处理开放系统区域，需要在数值计算中抑制来自分析区域边缘的非物理反射，但是当将端口布置在分析区域周围时，需要抑制外观问题由于不一致而产生不必要的世界。因此，通过使用完美匹配层作为边界条件，并在生成散射算子的过程中去除完美匹配层来解决该问题。此外，为了高效生成每个输入/输出端口对应的算子，我们改进了方法，利用拉格朗日函数进行场插值。通过与常用的传统有限元分析的比较研究，我们确认可以进行足够精度的分析。此外，应用慢变包络近似的高效有限元方法也取得了新进展，可以对不涉及反射波的结构进行高效分析，从而使分析能够考虑到分析域内发生的反射波我们开发了一种将波和后向波复用的散射算子方法。结果表明，这使得可以在域划分分析和传统有限元方法之间进行联合分析。