2015 Fiscal Year Research-status Report
光通信における多値振幅信号とＷＤＭ方式に対応する自動ルーティング回路に関する研究
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15K06043
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| Research Institution | Fukuoka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
前田 洋 福岡工業大学, 情報工学部, 教授 (50264073)
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2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | CIP法 / 非線形誘電体 / 分散性誘電体 / Z変換 / 差分法 / 信号周波数依存性 / 信号振幅依存性 / 周期構造導波路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究テーマは、光波（一般には電磁波）と物質の相互作用により、光信号振幅や周波数に依存する経路制御が可能な材料および構造についての検討を行い、実存する材料パラメータを用いた設計を行うことである。平成27年度には、検討の第一段階として、電磁波の信号振幅に依存して屈折率が変化する非線形誘電体、および周波数に依存して屈折率が変化する分散性誘電体のための数値解析コードの開発を完了した。更に、これらの信号スペクトルを数値解析するための手法についても、マイクロ波帯における実験と比較して良好な解析結果を得られる方法を見出した。
数値解析手法として、Constrained Interpolated Profile(CIP)法を採用した。入力信号について、スペクトル領域においては想定される周波数帯域のみを有する矩形スペクトルとし、それを時間領域において標本化関数で表現した信号を入力とした。これによって、伝送路の特性を一度の計算で得られるようになった。これは、従来の総計算時間の数十分の一程度である。これを、導波路内に共振器構造を設けた場合について適用したところ、共振ピーク周波数が誤差1%程度で求められることが確認できた。
非線形性について、ラマン散乱とカー効果を考慮した。また周波数分散性を有する媒質も考慮した。ラマン散乱と分散性媒質は、時間領域においては、ともに時間に関する畳み込み積分で表される。これは、デジタル信号処理技術で広く用いられているZ変換により、有限の（2つ又は3つ前の離散時間の）過去の計算量のみで評価できる。カー効果についても、テイラー展開（一次関数近似）で過去の離散時間データ評価することができる。従来のCIP法に対して、これらの非線形性と分散性に関する補正を加えるだけで、それらの特徴が現れる計算結果を得ることが出来た。以上2点の成果は、国際学会論文（査読付き）として採択された。
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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
平成27年度には、CIP法を非線形および分散性誘電体に適用するために、(1)周波数応答解析ができるよう既存のコードを改良し、更に、(2)マクスウェル方程式に現れる非線形項や分散項の数値計算への取り込みのための定式化および数値解析を実施した。
(1)について、マイクロ波帯において三角格子状に配置された円形誘電体ピラーを用いたフォトニック結晶の伝送特性実験と、CIP法の数値解析結果を比較した。誘電体ピラーの直径7.5mm、材質はセラミックで、比誘電率は4.0GHz周辺にて36.0である。実験では格子間隔を26.5mmに設定し、完全ストップバンドを実現した。この周波数帯に含まれる3.6GHzから4.2GHzの範囲を入力として取り扱った。欠陥導波路をX字型に設定し、その1つの枝を入力ポート、残り3つの枝を出力ポートとした。出力ポートに均等分配となるよう、最適な非対称X字型構造を決定した。その後、出力ポート中に間隔が異なる3対のピラーを配置しフィルタとした。これらフィルタを透過し出力ポートで観測される共振周波数について、実験と数値計算結果の比較を行ったところ、数値計算によって誤差1%程度で共振周波数を求めることが出来た。
(2)について、線形分散項や非線形ラマン散乱項を、ディジタル・フィルタ理論で用いられるのと同様に、Z変換を用いて有限過去の時間領域における離散データのみで評価できることが知られている。代表者はこれをCIP法に取り込み、分散性と非線形性をあわせ持つ1次元媒質中でのガウス型の包絡線光パルス伝搬の数値解析を行った。包絡線パルス振幅が小さい場合は、線形分散項の寄与が大きく伝搬とともにパルス波形が歪み、振幅が大きい場合は、非線形項の寄与が支配的となってパルスはその中心に向かって集中しながら伝搬する、いわゆるソリトンのような振る舞いを示すことが明らかになった。
以上の結果は、国際会議論文(査読付き）2編として採択が決定している。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度中に得られた周波数応答解析手法および線形分散項と非線形項を2次元周期構造導波路の数値解析に適用する。ピラー型やエアホール型のフォトニック結晶と呼ばれる構造をについて検討する予定である。これらの構造について、すべて線形性の材料である場合の数値解析コードは既に有している。平成28年度には、このコードに補正として非線形性や分散性の項を加えるだけで検討を開始することが出来るので、計画通りに研究が進むものと考えている。平成28年度においては、TEモードを解析の対象とする。TEモードの唯一の電界成分が2次元フォトニック結晶のピラーあるいはエアホールの柱の長さ方向に一致するよう設定することで、電界成分はただ一つとなる。つまり、平成27年度に得られた一次元空間の解析コードがほぼそのまま適用できる。導波路構造の一部に、特に共振器や信号分配器の周辺に、周囲とは異なる非線形性や分散性を有する材料を配置し、これらの材料がその他の周辺媒質とは異なる屈折率を示すように、入力信号振幅や信号周波数を変えて検討を行う。これらの出力周波数特性を観測すれば、分散性や非線形性を有するフォトニック結晶からの出力が、入力包絡線パルス振幅と信号搬送波周波数に対してどのような影響を受けるかを数値計算によって知ることが出来ると考えている。
数値計算は、まず仮想的な分散パラメータを与えてその振る舞いを観測し、その後に現実的な材料パラメータを使用することとする。光通信用半導体材料に関する諸パラメータを得るために、文献を購入して調査することになる。また、数値計算は平成27年度に本研究予算で購入した数値計算用サーバ・コンピュータで行う。データの整理には、大学院生のアルバイトを雇用する。これらの諸パラメータや数値計算結果の妥当性について議論するために、海外の研究者を訪ねる計画である。
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| Causes of Carryover |
研究代表者は、平成27年度一年間にわたって所属大学から海外研修(ダルハウジー大学・カナダ)に派遣されていた。派遣先では、本申請テーマについて研究を進めており、計算サーバの購入と学会への論文投稿は行っていた。計算サーバは所属大学の情報処理センターに設置され、インターネットを介して遠隔で利用可能である。しかし、学会出張などの機会がなかったために、旅費の使用残が発生したためである。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成27年度の残額は、28年度および29年度の旅費や論文投稿代金、大学院生のアルバイト等で使用する計画である。
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Research Products
(5 results)
