高精度フォトニック結晶のシミュレーションと設計

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14550034
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: COLE James B 筑波大学, 電子・情報工学系, 助教授 (20280901)
• 研究分担者: 蔡 東生 筑波大学, 電子・情報工学系, 助教授 (70202075)
• キーワード: フォトニック結晶 / マクスウェル方程式 / 波動方程式 / FDTD法 / GNSFD法 / 波動場 / Mie散乱 / 光回路

研究概要

<はじめに>フォトニック結晶とは、光の波長程度のスケールで屈折率が周期的にかわる構造である。たとえば誘電媒質中に空孔を格子状に並べた構造がこれにあたる。空孔の一部を選択的にとり除くと極微な光集積回路を作ることができる。光を導くことだけではなく、PCを使って光の特質を操ることもできる新技術である。このような光集積回路は、電子回路に比較して少なめに見積もっても2桁以上の高速で情報を処理したり、伝達したりできるようになると期待されている。しかし、可視や近赤外域のフォトニック結晶を作成するのは、技術的にも難しく多大な費用もかかるので実際に作成する前にその特性を予測する事が重要となる。無限に大きな完全結晶には解析的な手法があるが、これらは一般に使いにくく、また任意の構造をした結晶は取り扱えないので、数値的な解法で優れたものが必要になる。時間領域差分近似(FDTD)法はこのような光伝播の問題を解くのに適した方法であり、我々はこれを利用してシミュレーションを実施した。
<最近の成果>1.パルス圧縮デバイス。二次元計算ではフォトニック結晶の導波管は光パルスを圧縮できることをみつけた。光パルス圧縮デバイスが実現すると、光通信と情報処理の分野では画期的な貢献となる可能性をひめている。2.ナノメトル・サイズ光共振器。完全フォトニック結晶の中に一個の欠陥を存在させるとナノメトル・サイズ光共振器を作成できることが分かった。このような光共振器をつかって光データを保存できるデバイスが期待される。3.光スウィッチ(switch)。フォトニック結晶の回路で光が通る道は屈折率によって変わる。高精度数値シミュレーションの結果では、屈折率を変えるとピコ秒の単位で光の通る道を切り替えられることを発見した。現在、特許の申請を検討中である。
<今後の方針>以上の研究をもとに事実的デバイスを作ることが可能かを調べる。

研究成果

• [文献書誌] J.B.Cole, Saswatee Banerjee: "High Accuracy FDTD Algorithm for the Conducting Maxwell's Using a Nonstandard Finite Difference Model"Proceeding of the 19^<th> Annual Review of Progress in Applied Computational Electromagnetics. (in press). (2003)
• [文献書誌] J.B.Cole: "High Accuracy FDTD Simulation and Visualization of Electromagnetic ropagation and Scattering on a Laptop"Proceeding of the 19^<th> Annual Review of Progress in Applied Computational Electromagnetics. (in press). (2003)
• [文献書誌] Saswatee Banerjee, J.B.Cole, Toyohiko Yatagai: "Application of a High Accuracy Nonstandard Finite Differences Time Domain Method in the Analysis of Subwavelength Optical Gtratings"Proceeding of the 19^<th> Annual Review of Progress in Applied Computational Electromagnetics. (in press). (2003)
• [文献書誌] S.Yamada, Y.Watanabe, Y.Katayama, J.B.Cole: "Simulation of optical pulse propagation in a two-dimensional photonic crystal waveguide using a high accuracy finite-difference time-domain algorithm"Journal of Applied Physics. vol 93 no 4. 1859-1863 (2003)
• [文献書誌] J.B.Cole: "High-Accuracy Yee Algorithm Based on Nonstandard Finite Differences : New Developments and Verifications"IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Vol.50・9. 1185-1191 (2002)
• [文献書誌] J.B.コール, 山田重樹, 片山良史: "高精度FDTD法によるフォトニック結晶中の光伝播現象のシミュレーション"レーザー学会誌"レーザー研究". Vol.30, no.2. 75-80 (2002)