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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Structural optimization for design of high performance photonic devices based on bi-directional beam propagation method.

Research Project

Project/Area Number 20K22408
Research InstitutionMuroran Institute of Technology

Principal Investigator

井口 亜希人  室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 助教 (00872996)

Project Period (FY) 2020-09-11 – 2022-03-31
Keywords光導波路デバイス / 数値電磁界解析 / 双方向ビーム伝搬法 / 構造最適設計
Outline of Annual Research Achievements

本研究は,新規光回路デバイスの創出を目指して,双方向ビーム伝搬法を活用した構造最適化法の効率化を目的としている.はじめに,双方向ビーム伝搬法そのものの計算効率化を目指して,双方向ビーム伝搬解析に必要な行列平方根,行列指数関数の近似・計算方法に関する検討を行った.双方向ビーム伝搬解析では行列平方根をそのまま計算することに一つの特徴があり,各種反復解法や行列分解に基づく直接法の有効性が報告されていた.しかし,それら手法の比較検討がなされていなかったため,最適設計の観点から有効な方法を比較検討により調査した.具体的に,Denman-Beavers反復法,Schur分解に基づく直接法,およびそれらの変種手法を比較した. その結果,精度・計算時間の観点からSchur分解に基づく直接法が計算効率の観点から有用であることを確認した.
次に,構造最適化における設計変数に対する特性感度の計算効率化に関する検討を行った.双方向ビーム伝搬法では,デバイスを長手方向に分割し,分割した領域の伝搬演算子を計算する.各分割領域の伝搬演算子は独立に計算可能であり,並列計算が可能である.この特徴を活用して,特性感度の計算効率化を図る方法を検討した.
これらの検討と並行して,有限要素メッシュに基づく双方向ビーム伝搬法について検討を行った.光ファイバなどの軸対称光導波路に対しては,軸対称有限要素法が有効である.軸対称有限要素法に基づく双方向ビーム伝搬法は既に検討されているが,スカラ近似解析のみ提案されていた.プラズモニック導波路や屈折率差の大きな導波路では,フルベクトル解析が必要となる.そこで軸対称光導波路のためのフルベクトル有限要素双方向ビーム伝搬法の定式化を新たに行った.汎用的に利用されている手法との比較を通して,本手法の有効な範囲を明らかにした.

  • Research Products

    (40 results)

All 2022 2021

All Journal Article (13 results) (of which Peer Reviewed: 13 results,  Open Access: 3 results) Presentation (27 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] 3次元光デバイスの効率的なトポロジー最適設計に関する検討2022

    • Author(s)
      奥谷 怜平 ,森本 佳太,井口 亜希人,辻 寧英
    • Journal Title

      電子情報通信学会論文誌C

      Volume: J105-C Pages: 176-184

    • DOI

      10.14923/transelej.2021STP0006

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] ビーム伝搬法を活用した光回路デバイスの構造最適設計2022

    • Author(s)
      井口亜希人,辻 寧英
    • Journal Title

      電子情報通信学会論文誌C

      Volume: J105-C Pages: -

    • DOI

      10.14923/transelej.2021JCI0014

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Optimal design of broadband non-radiative dielectric guide devices using binary genetic algorithm and 2D-FVFEM2022

    • Author(s)
      T. Bashir, K. Morimoto, A. Iguchi, Y. Tsuji, T. Kashiwa, and S. Nishiwaki
    • Journal Title

      International Journal of Numerical Modeling: Electronic Networks, Devices and Fields

      Volume: - Pages: e2984

    • DOI

      10.1002/jnm.2984

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Optimal design of optical waveguide devices utilizing beam propagation method with ADI scheme2022

    • Author(s)
      A. Iguchi and Y. Tsuji
    • Journal Title

      IEICE Transactions on Electronics

      Volume: E105-C Pages: -

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Topology optimal design of NRD guide devices using function expansion method and evolutionary approaches2022

    • Author(s)
      N. Hieda, K. Morimoto, A. Iguchi, Y. Tsuji, and T. Kashiwa
    • Journal Title

      IEICE Transactions on Electronics

      Volume: E105-C Pages: -

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Efficient full-vectorial finite element analysis for circularly symmetric waveguides2022

    • Author(s)
      K. Morimoto, A. Iguchi, and Y. Tsuji
    • Journal Title

      Journal of Lightwave Technology

      Volume: - Pages: -

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Two-Dimensional Full-Vectorial Finite Element Analysis of NRD Guide Devices2021

    • Author(s)
      Y. Tsuji, K. Morimoto, A. Iguchi, T. Kashiwa, and S. Nishiwaki
    • Journal Title

      IEEE Microwave and Wireless Components Letters

      Volume: 31 Pages: 345-348

    • DOI

      10.1109/LMWC.2021.3060179

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 進化的手法と勾配法を用いた多目的最適設計による光デバイスの構造単純化に関する検討2021

    • Author(s)
      富安柾斗,森本佳太,井口亜希人,辻 寧英
    • Journal Title

      電子情報通信学会論文誌C

      Volume: J104-C Pages: 146-154

    • DOI

      10.14923/transelej.2020STP0004

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] モード結合理論と機械学習を用いた3 次元光導波路デバイスの最適設計の効率化に関する研究2021

    • Author(s)
      工藤滉司,森本佳太,井口亜希人,辻 寧英
    • Journal Title

      電子情報通信学会論文誌C

      Volume: J104-C Pages: 137-145

    • DOI

      10.14923/transelej.2020STP0003

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Novel scattering operator for arbitrary finite element models in optical waveguides2021

    • Author(s)
      K. Morimoto, A. Iguchi, and Y. Tsuji
    • Journal Title

      Journal of Lightwave Technology

      Volume: 39 Pages: 2941-2948

    • DOI

      10.1109/JLT.2021.3060444

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Bidirectional Beam Propagation Method Based on Axi-Symmetric Full-Vectorial Finite Element Method2021

    • Author(s)
      A. Iguchi, K. Morimoto, and Y. Tsuji
    • Journal Title

      IEEE Photonics Technology Letters

      Volume: 33 Pages: 707-710

    • DOI

      10.1109/LPT.2021.3089166

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Optimal design of dielectric flat lens utilizing Bayesian optimization2021

    • Author(s)
      K. Kudo, K. Morimoto, A. Iguchi, Y. Tsuji, and T. Kashiwa
    • Journal Title

      Microwave and Optical Technology Letters

      Volume: 63 Pages: 1978-1983

    • DOI

      10.1002/mop.32837

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Optimal design of NRD guide devices using 2D full-vectorial finite element method2021

    • Author(s)
      T. Bashir, K. Morimoto, A. Iguchi, Y. Tsuji, T. Kashiwa, and S. Nishiwaki
    • Journal Title

      IEICE Electronics Express

      Volume: 18 Pages: 20210243

    • DOI

      10.1587/elex.18.20210243

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] ハーモニーサーチを用いたモザイク状構造NRDデバイスの最適設計2022

    • Author(s)
      山岸 昂平, 井口 亜希人, 辻 寧英, 柏 達也
    • Organizer
      令和3年度IEICE北海道支部学生会インターネットシンポジウム
  • [Presentation] 平行導体間に形成するTHz帯PhC導波路に関する研究2022

    • Author(s)
      風間 啓佑, 井口 亜希人, 辻 寧英
    • Organizer
      令和3年度IEICE北海道支部学生会インターネットシンポジウム
  • [Presentation] モード変換を利用したNRDガイド周波数分離素子のトポロジー最適設計2022

    • Author(s)
      稗田 直哉, 井口 亜希人, 辻 寧英, 柏 達也
    • Organizer
      令和3年度IEICE北海道支部学生会インターネットシンポジウム
  • [Presentation] 進化的手法と感度情報を併用した3次元光デバイスの最適設計に関する検討2022

    • Author(s)
      奥谷 怜平, 森本 佳太, 井口 亜希人, 辻 寧英
    • Organizer
      令和3年度IEICE北海道支部学生会インターネットシンポジウム
  • [Presentation] Aggressive Space Mappingを用いた光デバイスの最適設計に関する研究2022

    • Author(s)
      須藤 穂子, 井口 亜希人, 辻 寧英, 柏 達也
    • Organizer
      令和3年度IEICE北海道支部学生会インターネットシンポジウム
  • [Presentation] 波動伝搬を考慮したPUFEMによる光デバイスに関する研究2022

    • Author(s)
      北浦 憲, 井口 亜希人, 辻 寧英
    • Organizer
      令和3年度IEICE北海道支部学生会インターネットシンポジウム
  • [Presentation] 適応座標降下法を活用したベイズ最適化によるプラズモニックデバイスの設計に関する検討2022

    • Author(s)
      丸山 皓貴, 井口 亜希人, 辻 寧英, 柏 達也
    • Organizer
      令和3年度IEICE北海道支部学生会インターネットシンポジウム
  • [Presentation] LSEモードを利用したNRDガイド素子のトポロジー最適設計2022

    • Author(s)
      稗田 直哉,井口 亜希人,辻 寧英,柏 達也
    • Organizer
      電子情報通信学会総合大会
  • [Presentation] 伝搬演算子を用いた光導波路の有限要素法解析2022

    • Author(s)
      森本 佳太,井口 亜希人,辻 寧英
    • Organizer
      電子情報通信学会総合大会
    • Invited
  • [Presentation] 進化的手法と勾配法を組み合わせた光デバイスのトポロジー最適設計2021

    • Author(s)
      奥谷怜平,森本佳太,井口亜希人,辻 寧英
    • Organizer
      電子情報通信学会
  • [Presentation] 焼き鈍し的手法を用いたNRDガイド素子のトポロジー最適設計2021

    • Author(s)
      稗田直哉,井口亜希人,辻 寧英,柏 達也
    • Organizer
      電子情報通信学会
  • [Presentation] 3次元プラズモニックデバイスのベイズ最適化2021

    • Author(s)
      丸山皓貴,井口亜希人,辻 寧英,柏 達也
    • Organizer
      電子情報通信学会
  • [Presentation] 軸対称フルベクトル有限要素法を用いた効率的な導波路デバイスの解析2021

    • Author(s)
      森本佳太,井口亜希人,辻 寧英
    • Organizer
      電子情報通信学会
  • [Presentation] 双方向ビーム伝搬法を用いたグレーティングカプラの設計に向けた一検討2021

    • Author(s)
      井口亜希人,辻 寧英
    • Organizer
      電子情報通信学会ソサエティ大会
  • [Presentation] 進化的手法によるモザイク状構造NRD素子の最適設計2021

    • Author(s)
      山岸 昂平,井口 亜希人,辻 寧英,柏 達也
    • Organizer
      電気・情報関係学会北海道支部連合大会
  • [Presentation] Space Mapping Techniqueを用いた光デバイスの設計に関する研究2021

    • Author(s)
      須藤 穂子,井口 亜希人,辻 寧英,柏 達也
    • Organizer
      電気・情報関係学会北海道支部連合大会
  • [Presentation] PUFEMによる光導波路解析に関する研究2021

    • Author(s)
      北浦 憲,井口 亜希人,辻 寧英
    • Organizer
      電気・情報関係学会北海道支部連合大会
  • [Presentation] ベイズ最適化を用いた3次元プラズモニック導波路デバイスの設計に関する研究2021

    • Author(s)
      丸山 皓貴,井口 亜希人,辻 寧英,柏 達也
    • Organizer
      電気・情報関係学会北海道支部連合大会
  • [Presentation] 進化的手法と勾配法を組み合わせた汎用的なトポロジー最適設計に関する研究2021

    • Author(s)
      奥谷 怜平,森本 佳太,井口 亜希人,辻 寧英
    • Organizer
      電気・情報関係学会北海道支部連合大会
  • [Presentation] 2枚の導体板間に形成するTHz帯導波路に関する研究2021

    • Author(s)
      風間 啓祐,井口 亜希人,辻 寧英
    • Organizer
      電気・情報関係学会北海道支部連合大会
  • [Presentation] 焼き鈍し的手法を用いたNRDガイド周波数分離素子のトポロジー最適設計2021

    • Author(s)
      稗田 直哉,井口 亜希人,辻 寧英,柏 達也
    • Organizer
      電気・情報関係学会北海道支部連合大会
  • [Presentation] Optimal Design of Photonic Devices Using Time-Domain Beam Propagation Method2021

    • Author(s)
      A. Iguchi and Y. Tsuji
    • Organizer
      2021 International Applied Computational Electromagnetics Society (ACES) Symposium
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Topology optimal design of NRD guide devices using simulated annealing like scheme2021

    • Author(s)
      N. Hieda, A. Iguchi, Y. Tsuji, and T. Kashiwa
    • Organizer
      PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bayesian optimization of three-dimensional plasmonic devices2021

    • Author(s)
      H. Maruyama, A. Iguchi, Y. Tsuji, and T. Kashiwa
    • Organizer
      PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Flexible scattering operator technique for analysis of axi-symmetric optical devices2021

    • Author(s)
      K. Morimoto, A. Iguchi, and Y. Tsuji
    • Organizer
      PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Comparative study of optimization method for design of NRD guide devices with mosaic-like structure2021

    • Author(s)
      T. Bashir, K. Morimoto, A. Iguchi, and Y. Tsuji
    • Organizer
      PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Optimal Design of 90°-Bend in NRD Guide Using DBS Algorithm and 2D-FVFEM2021

    • Author(s)
      T. Bashir, K. Morimoto, A. Iguchi, Y. Tsuji, and T. Kashiwa
    • Organizer
      2021 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting (APS/URSI)
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2022-12-28  

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