光導波路デバイスの効率的な数値解析手法・自動最適設計法に関する研究

光波导器件高效数值分析方法及自动优化设计方法研究

基本信息

批准号：
21J15173
负责人：
森本佳太
金额：
$ 1.25万
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：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

光通信の高速大容量化，省電力化を目指し，光導波路デバイスの最適設計法が広く活用されている．最適設計では一般に膨大な計算コストを必要とし，自由度の高い設計には所要時間やメモリ容量による制約を受けるため，デバイス性能改善の大きな障壁となっている．本研究では，光導波路デバイスの設計効率を高めるため，光導波路解析で広く利用されている有限要素法(FEM)をベースとして，伝搬演算子法と呼ばれる光波の伝搬特性抽出法を利用した効率的な数値解析手法の開発を目的としている．昨年度までの初期検討では2次元光導波路解析のための解析手法を開発を行っており，本年度は，より実用的な3次元光導波路の解析のための拡張を行うための定式化と解析法の開発を行った．まず3次元構造を2次元メッシュで解析可能な円筒座標系のフルベクトルFEMに基づき，任意の軸対称光導波路を対象とした散乱演算子法を提案した．定式化では，フルベクトルFEMでしばしば問題となるスプリアス解の対策として辺/節点混合要素を採用し，入出力端の境界処理には伝搬演算子を導入することで散乱演算子化を実現している．提案手法は，従来のFEM，有限差分時間領域法，双方向ビーム伝搬法との比較検討により，妥当性と有用性を確認した．また高い解析精度が要求されるプラズモニック導波路の解析においても有用性を確認した．これらの研究成果は，国際学術論文誌1件，国際会議1件，国内全国大会1件で報告を行った．続いて，一般的な入出力がセットになった2ポートの散乱演算子を改良し，2次元面内の解析領域を縦横に接続可能な4ポートの散乱演算子の検討を行った．解析法は放射波が生じない問題において実装され，妥当性を示した．ここまでの結果に関して，国内全国大会で1件の報告を行っており，今後は放射特性を含めた解析を行えるように安定性と精度の改良を行い，手法のさらなる検証を進める方針である．

光学波导设备的最佳设计方法被广泛用于在光学通信中获得高速和节能。最佳设计通常需要巨大的计算成本，并且具有高度自由度的设计受到所需时间和内存容量的限制，这是设备性能改善的主要障碍。在这项研究中，为了提高光波导设备的设计效率，其目的是开发一种有效的数值分析方法，该方法利用基于有限元方法（FEM）的光波的传播特性提取方法，称为传播算子方法，该方法在光学波导分析中广泛使用。在直到去年的最初研究中，我们已经开发了一种用于2D光学波导分析的分析方法，今年我们开发了一种公式和分析方法来增强更实用的3D光学波导分析的分析。首先，我们提出了一种基于圆柱坐标系的完整矢量fem的任意轴对称光学波导的散射算子方法，该方法可以使用二维网格分析三维结构。在该公式中，边缘/节点混合元素被用作伪造解决方案的对策，该解决方案通常是全矢量fem中的问题，并且通过引入传播操作员在输入/输出终端引入边界处理来实现散射操作员。用常规的FEM，有限的差异时间域法和双向光束传播方法对所提出的方法进行了相对检查，并确认了有效性。在血浆波导的分析中也证实了它的有用性，这需要高分分析精度。这些研究结果在一个国际学术期刊，一个国际会议和一次全国会议上报告。接下来，我们改进了两个端口的散射操作员，其中包括一组通用输入和输出，并检查了四个端口的散射操作员，这些端口可以垂直和水平地连接二维平面中的分析区域。在没有产生辐射波并显示有效性的问题中实施了分析方法。我们已经在全国会议上报告了一个结果，将来，我们计划通过提高稳定性和准确性来进一步验证该方法，以便可以进行包括辐射特征在内的分析。