Development of Multi-Objective Topology Optimization for Photonic Devices with Desired Properies
| Project/Area Number |
21K04169
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
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| Research Institution | Muroran Institute of Technology |
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Principal Investigator |
辻 寧英 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 教授 (70285518)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
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| Keywords | 光デバイス / 自動最適設計 / トポロジー最適化 / 有限要素法 / ビーム伝搬法 / 関数展開法 / 随伴変数法 / 共分散行列適応進化戦略 / トポロジー最適設計 / 多目的最適化 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では作製可能性により重きを置いた汎用的で多目的な最適設計法の開発を目指す．そのため，これまでの検討でまだ達成できていない次のことを明らかにしていく．まず，デバイス特性と作製の難易度やトレランスなどの複数の目的関数を用意したときの多目的トポロジー最適設計手法の開発を行う，次に，トポロジー最適設計された構造から特性に寄与する本質的な構造とそれ以外の構造を分離し，デバイス動作の物理を明らかにするとともに、構造の単純化手法の検討を行う．これに加えて，自動最適設計の初期段階で用いる各種の近似を用いた効率的な数値解析手法の適用可能性と最適設計に適した高精度で高効率な解析法の開発を試みる．
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| Outline of Annual Research Achievements |
目的の特性を与えるだけで最適なデバイス構造をトポロジーまで含めて設計するトポロジー最適設計法の開発を進めており，実際に様々な問題に適用して３次元光導波路デバイスを含めて目標の特性を実現するデバイスが設計できることを確認してきた．本年度は，これまでの知見を活かしつつ，実際の作製を考慮して構造に制約を設けた設計についても積極的に検討を行った．具体的にはモザイク状構造の設計を効率的に行うために随伴変数法を応用し，ミリ波帯での様々な特性を持ったデバイスが設計できることを確認した．この手法は光領域への応用も容易で，従来のDBSなどでの最適設計に比べて設計効率が高い．また，変換光学を応用した光素子の最適設計についても検討を進めた．ビーム伝搬法を活用した設計のため，長手方向に構造不連続がない素子について変換光学を用いて等価直線導波路に置き換えての解析設計を可能にし，様々なモード変換素子の設計例を示した．このような素子は実際の作製が比較的容易で実用上のメリットが高いと思われる．方向性結合型の素子の設計への応用も検討を進めている．また，様々な光学効果を取り入れた素子の最適設計についても検討を進めた．特に非線形カー効果を利用した光デバイスの解析設計では，従来の反復有限要素法の反復法を改良し，解の安定性と効率を大幅に改善することができた．また，有限要素法そのものの解析効率を高める試みとして新たにPUFEMの検討を進め，２次元，３次元の基本的な素子の解析を大幅に効率化できることを示した．最適設計においては大域的な最適解の探索をいかに効率的に行うかが重要であり，最適化手法として新たに共分散行列適応進化戦略CMA-ESやベイズ最適化の活用を積極的に進め，随伴変数法による感度解析と併用することで効率的な解探索が行える可能性を示した．
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Report
(3 results)
Research Products
(146 results)
