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仿真方法，目的是提高光波导分析的效率。在使用散射算子的一般分析中，基本原理是通过将块结构与级联中的一组输入/输出端口连接起来来评估最终输出特性，但是在这项研究中，在分析区域的四个表面上提供了端口，分别为矩形形状，并改善了分析方法以在四个方向上进行结构连接。基于有限元方法的散射操作员方法，我们直到去年就独立开发了它，它具有高度的用途，因为它通过嵌入任意的波导结构将任意波导结构分为运算符，并通过扩展它来实现四个端口连接，它实现了一个新的区域分析分析，其中分析区域在范围内分裂和水平。具体而言，对于常规有限元方法的边界处理，制定了使用传播算子的边界条件，并得出了散射操作员以从同时线性方程计算每个端口的输入/输出电磁场。为了处理开放的系统区域，有必要在数值计算中抑制分析区域边缘的非物理反射，但是当安排端口围绕分析区域时，由于相邻端口之间不一致的不必要领域的出现，就会成为一个问题。因此，通过将完美的匹配层与边界条件结合使用，并在生成散射操作员的过程中删除了完美的匹配层来解决问题。另外，为了有效地生成与每个输入/输出端口相对应的运算符，我们已经改进了在字段的插值中使用拉格朗日功能。通过比较和检查常规的有限元分析，这是常用的，可以证实可以以足够的准确性进行分析。此外，对于使用缓慢变化的包膜近似的有效有限元方法，该方法允许在不涉及反射波的结构中有效分析，已经开发了一种散射操作员方法，该方法已经开发出多重多重的向前和向后波，因此可以考虑分析在分析区域内发生的反射波。这表明可以在分段区域分析和常规有限元方法之间执行组合分析。