2011 Fiscal Year Research-status Report
３次元ベクトル有限要素ビーム伝搬法による光回路のトポロジー最適設計に関する研究
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23560382
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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(系)研究科(研究院), 教授 (70285518)
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| Project Period (FY) |
2011-04-28 – 2014-03-31
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| Keywords | 光導波路 / 最適設計 / 有限要素法 / ビーム伝搬法 |
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| Research Abstract |
光通信の高速大容量化および柔軟な光ネットワークの構築に不可欠な光デバイスの高性能化を目指して、光導波路デバイスの最適設計法についての検討を行った。これまでの光導波路の設計は、既存のデバイス構造の改良であるなど過去の経験によるところが大きいが、本研究では要求されるデバイス特性を実現する光導波路構造を自動的に生成させることを目指している。 まず、方向性結合型光導波路デバイスを考え、伝搬方向に設定したサンプリング点を滑らかな曲線で結ぶことにより導波路構造を表現し、波長分離デバイスの最適設計について検討を行った。最初に最適設計法に遺伝的アルゴリズム、数値解析法にモード結合理論を用いた初期設計を行い、ビーム伝搬法を用いた詳細設計を行うことで効率的に光導波路デバイスの設計ができることを確認した。 次に、より自由度の高い設計を目指し、最適化領域を格子状に離散化し、各格子点での屈折率を設定することで、曲り導波路、分岐導波路、波長分離デバイス等の設計についての検討を行った。最適化には波面整合法を用い、2次元のみならず3次元の光導波路デバイスの最適設計を行っている。格子点ごとに屈折率を設定するとモザイク状の構造が現れやすいが、初期構造の工夫と反復計算の過程で構造に対するフィルタを用いることでこうした問題を回避している。 各格子点での屈折率を設定する方法では構造が複雑化しやすいということが問題になるため、トポロジー最適化における関数展開法による屈折率分布表現についての検討を行った。この方法では２次元、３次元の滑らかな関数の０等値線として構造を表現するため、用いる関数系の選び方により構造を制御しやすく、展開項数の選び方で構造の複雑さも調整しやすい。実際に初期構造と反復計算の手順の工夫も含めて、目的の特性を持ったデバイスを比較的単純な構造で実現できることを確かめた。
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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
当初計画のうち、最適化領域内の屈折率分布の表現法について種々の検討を行い知見を得た。特に関数展開表現において、関数系の設定により対称性も含めて最適化構造をある程度制御できることも確かめた。最適化に必要とされる感度計算と数値解析そのものの効率化に関しては、実際に比較的小規模な３次元光デバイスを設計できることを示している。ただし、より大規模な最適設計においてはさらなる計算の効率化と、部分領域ごとに最適化を行うなどの、最適化手順そのものの見直しも必要であり、今後の課題である。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに得られた知見を基に、光導波路デバイスのより柔軟で効率的な最適設計法についての検討を行っていく。特に、自動最適設計法においては得られる構造が複雑なものとなりやすいが、それを避けるために、構造の単純さといったことを最適化の要素として取り入れるための検討を行う。また、最適設計においては局所的な最適解に陥る問題がしばしば生じるため、最適化の初期条件の選び方についてもさらに検討を加える予定である。また、これらの結果を基に、光通信システムで必要とされる光デバイスの設計を行っていく予定である。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
出張旅費を、本研究で得られた成果を学会において報告するため、および調査研究のために計上している、また、物品費を計算資源確保のための計算機の購入とデータ整理のための消耗物品の購入のために計上している。今年度小額の残額が生じたが、次年度に必要とされる消耗品として使う予定である。
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Research Products
(13 results)
