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．

光波导器件的优化设计方法被广泛采用，以实现光通信中更高的速度、更大的容量和更低的功耗。优化设计通常需要大量的计算成本，而高自由度的设计受到所需时间和内存容量的限制，这是提高器件性能的主要障碍。在本研究中，为了提高光波导器件的设计效率，我们将在广泛使用的有限元法（FEM）的基础上，使用称为传播算子法的光波传播特性提取方法来开发一种有效的方法。光波导分析的目的是开发一种数值分析方法。在去年之前的初步研究中，我们正在开发一种用于二维光波导分析的分析方法，今年我们正在开发一种公式和分析方法，以将其扩展为更加实用的三维光波导分析。首先，我们提出了一种用于任意轴对称光波导的散射算子方法，该方法基于具有圆柱坐标系的全矢量 FEM，可以分析具有 2D 网格的 3D 结构。在公式中，采用边缘/节点混合元素作为全矢量有限元中经常出现的问题的伪解决方案的对策，并通过在输入和输出端引入用于边界处理的传播算子来实现。通过与传统有限元法、时域有限差分法、双向光束传播法的比较，证实了该方法的有效性和实用性。我们还证实了它在分析等离子波导中的有用性，这需要很高的分析精度。这些研究成果在国际学术期刊1个、国际会议1个、国内国家级会议1个上发表报告。接下来，我们改进了具有通用输入和输出集的二端口散射算子，并研究了可以在二维平面中垂直和水平连接分析区域的四端口散射算子。该分析方法在不产生辐射波的问题中得到应用，并验证了其有效性。目前的结果，我们已经在日本全国会议上做了一份报告，今后我们计划提高稳定性和准确性，以便可以进行包括辐射特性在内的分析，并进一步验证该方法。