3次元光導波路不連続の高度解析法の開発と新機能フォトニック結晶光波回路素子の探索

3D光波导不连续性先进分析方法开发及新型功能光子晶体光波路元件探索

基本信息

批准号：
16760263
负责人：
辻寧英
金额：
$ 1.15万
依托单位：
Kitami Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2005
项目状态：
已结题

项目摘要

フォトニック結晶導波路に代表される周期構造導波路まで含め、任意異方性材料からなる光導波路の伝送特性解析のための有限要素法および有限要素時間領域ビーム伝搬法の開発とその高性能化と高速化を行った。以下にその成果のいくつかについて述べる。開放系の問題を有限要素法を用いて解くときには無限領域をいかに取り扱うかが問題となる。完全整合層を用いた境界条件は有用な方策の一つであるが、従来は解析領域が矩形であることを想定していた。その一方で、有限要素法は任意形状への適用性に優れた解析法であり、解析領域も任意の形状を選ぶことができる。ここでは、座標変換を利用することで、任意方向に向いた境界に対して簡便に適用できる完全整合層を考案し、極めて汎用性の高い有限要素法の開発に成功した。フォトニック結晶導波路は超小型の光素子を実現できるものと期待され、さまざまな光デバイスが提案されているが、ここでは、機能デバイスとして、液晶が注入されたフォトニック結晶カップラーを用いた光スイッチを提案し、数値シミュレーションにより動作を確かめた。従来の結合長の差を利用するカップラーに対して、ここで提案したカップラーはフォトニック結晶カプラーに特有のデカップリング現象を利用しているため、デバイスの小型化に有効であり、熱光学を利用するスイッチに比べて高速動作が可能である。これまで光導波路の設計は経験によるところが大きく、その場合、これまでにない新しい構造の創出は固定観念にとらわれるため比較的困難である。ここではトポロジー最適化を利用して、欲しい特性を与えることで自動的に光導波路デバイスの構造を発現できるような最適化手法を開発した。

用于分析任意各向异性材料制成的光波导（包括光子晶体波导等周期结构波导）的传输特性的有限元方法和有限元时域光束传播方法的开发和性能提高。一些结果描述如下。使用有限元方法解决开放系统问题时，问题是如何处理无限域。使用完美匹配层的边界条件是有用的措施之一，但通常假设分析区域是矩形。另一方面，有限元法是一种对任意形状适用性很强的分析方法，分析区域也可以是任意形状。在这里，通过使用坐标变换，我们设计了一个完美匹配的层，可以轻松应用于任何方向的边界，并成功开发了一种极其通用的有限元方法。光子晶体波导有望实现超小型光学器件，我们提出了各种光学器件并通过数值模拟验证了其操作。与利用键长差异的传统耦合器相比，这里提出的耦合器利用光子晶体耦合器特有的去耦现象，使其能够有效地实现器件的小型化，并且与传统的开关相比，可以利用热光学。到目前为止，光波导的设计很大程度上依赖于经验，在这种情况下，创造以前从未存在过的新结构相对困难，因为它受到固定想法的束缚。在这里，我们开发了一种优化方法，利用拓扑优化通过提供所需的特性来自动开发光波导器件的结构。