2022 Fiscal Year Annual Research 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 – 2023-03-31
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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。
最終年度では、3次元の半陰的FDTD法を定式化、実装し、THz導波路偏光子を解析した。定式化では半導体の分散性を考慮するため、新たに台形則に基づく帰納的畳み込み法を3次元手法に組み込んだ。偏光子の厚み方向に計算精度が必要になり細かい空間刻みを用いるため、この方向にのみ陰解法を組み込んだ。従来の陽的FDTD法と比較した結果、同等の計算精度を得ながら、計算時間を約20％に低減できた。現在はこの成果を論文として公表すべく準備中である。
研究期間全体としては、1)2次元の半陰的FDTD法の確立、2)新たな3次元偏光子の提案、3)3次元の半陰的FDTD法の確立、4)反復法を用いた新たなFDTD法の提案、の成果が得られた。
1)については、デバイスの厚み方向とTHz波の進行方向の刻みの比率を1:16とした場合、計算時間を従来の陽的FDTD法の36%まで減じることができた。この結果を電子情報通信学会論文誌で公表した。2)従来の偏光子では、モードの干渉を用いてTE波を除去していたため、デバイス長を正確に選択する必要があった。これに対して新たな偏光子では、コアの両側面にInSb層を付加しプラズモンの励振によりTE波を減衰させて除去する。結果として、デバイス長の選択に細心の注意を払う必要がなくなり、デバイス設計が容易になった。この結果を、電子情報通信学会ソサイエティ大会、国際会議(ISAP2020)で公表した。3)は上述したとおりである。4)については、2件の英文論文として公表した。
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