2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of a frequency-dependent semi-implicit FDTD method and its application to the design of waveguide-based THz devices
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19K04537
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| Research Institution | Hosei University |
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Principal Investigator |
柴山 純 法政大学, 理工学部, 教授 (40318605)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | FDTD法 / テラヘルツ波 / 表面プラズモン共鳴 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は2つある。ひとつは、半導体InSbの薄膜を持つテラヘルツ(THz)帯での導波路型デバイス設計のための半陰的有限差分時間領域(FDTD)法を開発することである。もうひとつは、開発した半陰的FDTD法を用いてTHz表面プラズモン共鳴(SPR)センサ、および偏光子を解析・設計することである。
計算手法の開発については、まず半陰的FDTD法を開発する前段として、完全陰解法の局所一次元(LOD)FDTD法を開発した。LOD-FDTD法を用いてTM透過THz導波路型偏光子を解析し、電子情報通信学会の総合大会で発表した。加えて、半陰的FDTD法の開発にも取り掛かった。ハイブリッドプラズモニック導波路を用いた偏光子を計算し、研究成果の一部を電子情報通信学会の研究会で公表した。さらに、大規模計算を実行するためワークステーションを購入した。従来の陽的FDTD法の実装を行い、大規模3次元解析を可能にした。
上記のワークステーションを用いて3次元導波路型SPRセンサの解析を行った。詳細な設計を2次元センサで行い、センサ部のコア幅よりも入出力部のコア幅を薄くすることで、SPRの強くなることを見出した。この知見をもとに、3次元センサを解析した。2次元構造と同様に、3次元構造においても、入出力部のコア幅を薄くすることで、特性改善の図れることを明らかにした。センサ長の最適化も図り、広い温度域で従来のセンサに比べ鋭い吸収応答が得られることを見出した。この結果の一部は、URSI-Japan Radio Science Meeting、および電子情報通信学会の総合大会で公表した。
上記陽解法を用いた別の成果として、半導体InSbを誘電体柱にコートして導波路上に配列したグレーティングカップラ、センサの解析も行った。透過特性に加え放射特性も詳細に議論し、成果を電子情報通信学会英文誌に公表した。
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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
19年度の研究目的は、1)分散性媒質を扱うための3次元周波数依存型半陰的FDTD法の定式化、2)ワークステーションの購入とアルゴリズムの実装、3)3次元導波路型SPRセンサの設計を行うことである。
1)については、2次元モデルの定式化を行い、成果の一部を学会発表した。2)についてはワークステーションを購入し、陽的FDTD法の実装が済んだ。3)についても、2)で立ち上げたワークステーションにより3次元の導波路型SPRセンサが解析できるようになった。
以上のように、研究はおおむね順調に進んでいるが、1)について3次元モデルの定式化までは着手しておらず、計画以上には進展していない。20年度は特に半陰的FDTD法の3次元モデルへの拡張が大きなテーマとなる。
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| Strategy for Future Research Activity |
1)3次元の半陰的FDTD法を開発する。開発した手法を用いて3次元センサを解析する。測定感度の観点からセンサはプラズモン共鳴での出力パワーがより小さくなることが好ましい。そこで、-40 dB以下が得られる構造を探る。温度センサとして動作させる際の感度評価も行い、構造を最適化しながら2次元構造並みの感度7.5×10-3 THz/Kを目指す。現実的なセンサを想定し試料槽を設けたセンサも検討する。必要な試料量を明確にする。
2)InSbは温度に対してTHz帯での誘電率が大きく変化するため、温度センサとしては好適である。他方、InAsはInSbに比べ温度に対して誘電率が大きく変化しない。そこで、温度に対して安定性の高いセンサを目指し、InAsを用いたSPRセンサの検討にも着手する。
3)偏光子の解析にも取りかかる。2本の平行導波路からなる方向性結合器の片方の導波路にInSbを装荷し、プラズモニック導波路を構成する。各々の導波路のTE、TMモードの伝搬定数を厳密に調査し、センサに入力するTM波のみを取り出す偏光子の構造を探る。
4)偏光子においては不要なTE波がセンサ特性を悪化させるので、それを低減し消光比をできる限り稼ぎたい。3)の単独導波路の固有モード解析だけでなく、方向性結合器に励起されるスーパーモードの解析も行い、消光比-20 dB以下が得られる構造を見出す。
5)得られた成果を、学会発表、論文等で可能な限り公表していく。
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| Causes of Carryover |
大学内で学部教授会主任（副学部長相当）を仰せつかり、大学を長期間離れることができなくなった。結果として、学会出張に参加できなくなり、旅費が消費できなかった。20年度は学会に積極的に参加し、余剰分を可能な限り活用していく。
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Research Products
(15 results)
