2016 Fiscal Year Research-status Report
関数展開法を用いた３次元光導波路デバイスの汎用的なトポロジー最適設計に関する研究
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15K06009
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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, 工学研究科, 教授 (70285518)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 光導波路 / 自動最適設計 / 有限要素法 / 随伴変数法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高速大容量光通信実現のために、そこで用いられる光導波路デバイスの自動最適設計法について検討を行った。前年度までに、数値解析に有限要素法と感度解析に随伴変数法を用いたトポロジー自動最適設計法を多層構造を含めた最適設計が可能なように拡張し、３次元導波路の設計が可能であることを示すとともに、その有効性を示してきた。しかしながら、３次元有限要素法解析における計算コストが高く、比較的伝搬距離が短いデバイスの最適設計が主であった。
本年度は、まず解析・設計の効率化を図るため、長手方向に緩慢変化包絡線近似を用いた有限要素法を新たに提案し、まず２次元設計においてその有効性を確認した。本手法の適用により、これまで計算機リソースの問題から数十ミクロン程度のデバイスのみを対象としてきたが、長手方向に数千ミクロン規模のデバイスの設計が可能になる。さらに、最適設計によって得られる構造が複雑化することを避けるために、これまでは最適化の反復の一定回数ごとに構造平滑化フィルタを適用していたが、目的関数の中に所望の出力特性に加えて構造平滑化に関する項を加えることで特性の最適化と構造の平滑化を同時に行えることを実証した。従来法では、平滑化を行う際の特性の劣化により解の安定な収束が得られない場合にも、安定な解の収束が得られることを示した。また、これまで偏波の違いについてあまり議論をしてこなかったが、２つの直交偏波に対して同時に最適化を行った偏波分離素子や、複素比誘電率で表される金属媒質が含まれるプラズモニック導波路ダイオードなどの設計例を基礎検討として２次元設計の場合に対して示した。
また、３次元光導波路デバイスの最適設計例として、導波モード分散特性の最適設計についても並行して検討として、軸対称有限要素法を用い、群遅延時間差を低減できる少数モードファイバの設計例を示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
３次元光導波路デバイスの最適設計法の確立を目的として、その基礎となる事項について種々検討を行ってきた。光導波路デバイスの場合、３次元導波路においても構造変化は主に２次元面内であるため、２次元問題として、計算の効率化のための緩慢変化包絡線近似の導入とその有効性の確認、構造平滑化のための目的関数の修正とその有効性の確認、金属などの複素比誘電率を有する材料を用いたプラズモニック導波路デバイスへの本手法の拡張、軸対称有限要素法を用いた解析次元の低減による解析・設計の効率化などの検討を行い今年度の実施計画に対して一定の成果が得られた。さらに、伝搬問題のみならず、目的とする導波モード分散特性を実現するための導波路構造設計にも本手法を拡張し成果を得ることができた。
以上より、前年度に開発した３次元光導波路デバイスの設計プログラムを本年度行った検討を基に拡張していくことで、次年度以降において効率的な３次元光導波路の設計法の確立と実際的な光導波路デバイスの設計を行っていくための方針を示すことができた。
なお、本研究で得られた成果を基に、国内外の学会において研究報告をするとともに、国内外の論文誌に論文が掲載されている。また、電子情報通信学会の和文論文誌編集委員会から本研究内容に関する招待論文を依頼され、論文が掲載されている。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度までに行ってきた２次元設計における基礎検討を基に、既に開発している３次元光導波路デバイスの自動最適設計プログラムを改良し、効率的でより実現性の高い光導波路デバイスの最適設計法の確立を目指す。前年度は主に面内方向の構造の最適化を中心とした検討であったが、面外方向の構造の最適化を目指して多層構造の膜厚の最適化についても検討する予定である。面外構造を最適化する場合、面内構造に対してよりも膜厚の変化に対して特性の感度が非常に大きいことが確認されていて、まずその問題の解決について取り組む。この検討は金属材料などで感度が非常に大きくなるような問題の取り扱いにも活かせるものと考えている。また、誘電体光導波路デバイスを有限要素法解析する際には大きな問題は生じていないように思われるが、有限要素法では媒質境界に完全に適合した要素を用いることが望ましく、そうすることで必要とされる要素数を低減できたり、大きな比誘電率差を有する金属の取り扱いにおいて滑らかな構造境界を表現しやすい。そのため、最適化の各反復において、得られた構造に適合した有限要素メッシュを自動生成することも検討する。これらの検討を基に、各種の光デバイスの設計を通してその有効性を確認し国内・国外の学会において成果を報告するとともに、海外の学術論文誌に論文を投稿していく予定である。
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| Causes of Carryover |
論文掲載料の支出を計画していたが、次年度の助成金と合わせて支出するため次年度に繰り越すこととした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度の助成金と合わせて、今年度掲載決定分の論文掲載料として支出予定である。
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Research Products
(37 results)
