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2011 年度 実施状況報告書

周波数依存型3次元LOD―FDTD法の開発とプラズモンデバイス解析への応用

研究課題

研究課題/領域番号 23560415
研究機関法政大学

研究代表者

柴山 純  法政大学, 理工学部, 准教授 (40318605)

研究期間 (年度) 2011-04-28 – 2014-03-31
キーワードFDTD法 / LOD-FDTD法 / 周波数依存性媒質 / プラズモニクス / 光導波路
研究概要

本研究の目的は、3次元(3D)の微小プラズモン導波路デバイスを極めて高速に解析できる、局所的一次元(LOD)法に基づく陰的な有限差分時間領域(FDTD)法を開発することである。 本年度では、周波数依存型3D-LOD-FDTD法の定式化とプログラミングを行った。分散媒質を評価する技法に台形則に基づく帰納的手法と、簡素な定式化が可能な2段階のLOD法を採用した。波長に比べ大きなプラズモンデバイスを解析するために、ワークステーションの立ち上げも行った。ギャッププラズモン導波路におけるパルスの伝搬解析を通して、3D-LOD-FDTD法の性能評価を行った。結果として、時間刻み幅に対して無条件安定な3D-LOD-FDTD法を確立することができた。従来の伝統的な陽的FDTD法に比べ、精度を損なうことなく計算時間は約半分に抑えられた。応用例として、プラズモングレーティングのバンドギャップの内と外の電磁波の伝搬を可視化した。さらなる計算効率の向上を目指し、非分散媒質解析用のLOD-FDTD法のために提案されたFundamental法を2次元(2D)の周波数依存LOD-FDTD法に導入した。 以上の成果は、論文(IEEE Photonics Technology Letters)として公表した。さらに, 国際会議(11th International Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices)や、電子情報通信学会でも報告を行った。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本年度の目的は3D-LOD-FDTD法の確立である。プラズモンデバイスの解析では、従来陽的なFDTD法が用いられていた。しかし、実際の計算では空間の刻み幅を小さく選ぶ必要があり、時間刻み幅も極めて小さく選ばざるを得なかった。結果として、3次元のデバイス解析では、計算の長時間化が避けられなかった。時間刻み幅を大きく選べる、3D-LOD-FDTD法の確立が急務であった。 まず、3D-LOD-FDTD法の定式化を行った。その際、2D-LOD-FDTD法で用いた計算ステップを分割しない簡素な方法は3D-LOD-FDTD法に適用できないことを突き止めた。結果として、3D-LOD-FDTD法では計算ステップを厳密に2段階に分割し、周波数分散性を取り込む必要のあることを見出した。厳密な定式化に基づきプログラミングをPC上で行いつつ、その動作確認を小さなデバイス解析で行った。さらに、PCでは取り扱えない大きなデバイス解析のためにWSを立ち上げた。WS上でプログラムを実行させ、3D-LOD-FDTD法の性能評価を行った。結果として、無条件安定な3D-LOD-FDTD法を確立できた。得られた結果は国内外の会議で逐次報告した。さらに、速報誌に成果を公表した。 以上のように、当初の実施計画通り研究は順調に進展している。

今後の研究の推進方策

前年度で3D-LOD-FDTD法の開発が済んだが、さらに計算効率を向上できる目途が得られた。これは最近報告されたFundamental法を活用することで可能である。そこで、今年度の前半は、Fundamental法に基づく3D-LOD-FDTD法の開発を行う。これまで、2次元問題での予備検討が済んでおり、3次元問題への拡張を優先する。Fundamental法に基づく3D-LOD-FDTD法が確立され次第、速報誌への投稿、会議での発表を行う。プログラミング、会議での報告は研究協力者にも参加してもらう。電子情報通信学会(ソサイエティー大会、総合大会)、Asia Pacific Microwave Conferenceへの参加を予定している。 引き続いて今年度の後半では、開発した3D-LOD-FDTD法を用いて種々のプラズモンデバイスを設計する。特に、プラズモングレーティングフィルタのサイドローブ抑止、プラズモン微少共振器の共振波長の可変特性に関する研究を行う。得られた結果は逐次、会議、論文等で発表していく。

次年度の研究費の使用計画

成果発表を積極的に行うために学会発表のための予算を計上している。研究に協力した大学院生とともに参加するので前年度と予算に差が出ている。中間報告を論文誌に投稿するための学会誌投稿料も計上している。協力者への謝金も計上している。

  • 研究成果

    (24件)

すべて 2012 2011

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件) 学会発表 (18件)

  • [雑誌論文] Frequency-dependent formulations of a Drude-critical points model for explicit and implicit FDTD methods using the trapezoidal RC technique2012

    • 著者名/発表者名
      Jun Shibayama, Keisuke Watanabe, Ryoji Ando, Junji Yamauchi, and Hisamatsu Nakano
    • 雑誌名

      IEICE Transactions on Electronics

      巻: E95-C ページ: 725-732

    • DOI

      10.1587/transele.E95.C.725

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Efficient LOD-BOR-FDTD implementation based on a fundamental scheme2012

    • 著者名/発表者名
      Jun Shibayama, Takuto Oikawa, Junji Yamauchi, and Hisamatsu Nakano
    • 雑誌名

      IEEE Photonics Technology Letters

      巻: 24 ページ: 957-959

    • DOI

      10.1109/LPT.2012.2190502

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reformulation of the ADI-BPM using a fundamental scheme2012

    • 著者名/発表者名
      J. Shibayama, A. Yokomizo, J. Yamauchi, and H. Nakano
    • 雑誌名

      IEICE Electronics Express

      巻: 9 ページ: 365-370

    • DOI

      10.1587/elex.9.365

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A 3-D LOD-FDTD method for the wideband analysis of optical devices2011

    • 著者名/発表者名
      J. Shibayama, R. Ando, J. Yamauchi, and H. Nakano
    • 雑誌名

      IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology

      巻: 29 ページ: 1652-1658

    • DOI

      10.1109/JLT.2011.2138680

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Frequency-dependent 3-D LOD-FDTD method for the analysis of plasmonic devices2011

    • 著者名/発表者名
      J. Shibayama, R. Ando, J. Yamauchi, and H. Nakano
    • 雑誌名

      IEEE Photonics Technology Letters

      巻: 23 ページ: 1070-1072

    • DOI

      10.1109/LPT.2011.2154361

    • 査読あり
  • [雑誌論文] An LOD-FDTD method for the analysis of a periodic structure at oblique incidence2011

    • 著者名/発表者名
      Y. Wakabayashi, J. Shibayama, J. Yamauchi, and H. Nakano
    • 雑誌名

      Radio Science

      巻: 46 ページ: RS0F03, 1-9

    • DOI

      10.1029/2011RS004730

    • 査読あり
  • [学会発表] Three-dimensional analysis of a surface plasmon resonance waveguide sensor for detecting material absorption2012

    • 著者名/発表者名
      J. Shibayama, A. Yokomizo, J. Yamauchi, and H. Nakano
    • 学会等名
      Progress in Electromagnetic Research Symposium
    • 発表場所
      Kuala Lumpur, Malaysia
    • 年月日
      2012 – 0330
  • [学会発表] BPM and FDTD analyses of a metal-insulator-metal type terahertz waveguide2012

    • 著者名/発表者名
      J. Shibayama, Y. Uchizono, J. Yamauchi, and H. Nakano
    • 学会等名
      Progress in Electromagnetic Research Symposium
    • 発表場所
      Kuala Lumpur, Malaysia
    • 年月日
      2012 – 0329
  • [学会発表] テラヘルツストップバンドフィルタ及び共振器のFDTD解析2012

    • 著者名/発表者名
      柴山 純, 内薗洋祐, 山内潤治, 中野久松
    • 学会等名
      信学総合大会
    • 発表場所
      岡山大学、岡山
    • 年月日
      2012 – 0323
  • [学会発表] Fundamental法を用いたADI-BPMの再定式化2012

    • 著者名/発表者名
      柴山 純, 横溝明大, 山内潤治, 中野久松
    • 学会等名
      信学総合大会
    • 発表場所
      岡山大学、岡山
    • 年月日
      2012 – 0323
  • [学会発表] LOD-BOR-FDTD法の簡素な定式化2012

    • 著者名/発表者名
      柴山 純, 及川拓人, 山内潤治,中野久松
    • 学会等名
      信学総合大会
    • 発表場所
      岡山大学、岡山
    • 年月日
      2012 – 0322
  • [学会発表] マッハツェンダ干渉を用いた導波路型SPRセンサの不等間隔メッシュFDTD解析2012

    • 著者名/発表者名
      柴山 純, 佐々木直紀, 山内潤治,中野久松
    • 学会等名
      信学総合大会
    • 発表場所
      岡山大学、岡山
    • 年月日
      2012 – 0322
  • [学会発表] クレッチマン型SPRセンサを用いた複素屈折率評価の可能性2012

    • 著者名/発表者名
      山内潤治, 吉村智哉, 柴山 純, 中野久松
    • 学会等名
      信学総合大会
    • 発表場所
      岡山大学、岡山
    • 年月日
      2012 – 0322
  • [学会発表] Fundamental法の周波数依存型LOD-FDTD法への応用2012

    • 著者名/発表者名
      山内潤治,平野智之,柴山 純,中野久松
    • 学会等名
      信学総合大会
    • 発表場所
      岡山大学、岡山
    • 年月日
      2012 – 0321
  • [学会発表] 周期構造解析のための3次元LOD-FDTD法2012

    • 著者名/発表者名
      若林 佑, 柴山 純, 山内潤治,中野久松
    • 学会等名
      信学総合大会
    • 発表場所
      岡山大学、岡山
    • 年月日
      2012 – 0321
  • [学会発表] 差分法による光導波路解析の最近の研究動向2011

    • 著者名/発表者名
      柴山 純
    • 学会等名
      信学エレクトロニクスシミュレーション研究会 第1回エレクトロニクスシミュレーションワークショップ(招待講演)
    • 発表場所
      NTT武蔵野研究開発センタ
    • 年月日
      2011 – 1121
  • [学会発表] Higdon形吸収境界条件の2 次元LOD-FDTD法への適用2011

    • 著者名/発表者名
      柴山 純,及川拓人, 山内潤治, 中野久松
    • 学会等名
      信学ソサイエティ大会
    • 発表場所
      北海道大学、札幌
    • 年月日
      2011 – 0915
  • [学会発表] 陰的FDTD法の時間刻み幅の上限に関する一考察(II)2011

    • 著者名/発表者名
      柴山 純, 山内潤治, 中野久松
    • 学会等名
      信学ソサイエティ大会
    • 発表場所
      北海道大学、札幌
    • 年月日
      2011 – 0915
  • [学会発表] 導波路型光吸収SPRセンサの3 次元BPM解析2011

    • 著者名/発表者名
      柴山 純, 横溝明大, 山内潤治, 中野久松
    • 学会等名
      信学ソサイエティ大会
    • 発表場所
      北海道大学、札幌
    • 年月日
      2011 – 0915
  • [学会発表] マッハツェンダ干渉を用いた導波路型SPRセンサの固有モード解析2011

    • 著者名/発表者名
      柴山 純, 佐々木直紀, 横溝明大, 内薗洋祐, 山内潤治, 中野久松
    • 学会等名
      信学ソサイエティ大会
    • 発表場所
      北海道大学、札幌
    • 年月日
      2011 – 0915
  • [学会発表] MIM型テラヘルツ導波路のBPM及びFDTD解析2011

    • 著者名/発表者名
      柴山 純, 内薗洋祐, 山内潤治, 中野久松
    • 学会等名
      信学ソサイエティ大会
    • 発表場所
      北海道大学、札幌
    • 年月日
      2011 – 0913
  • [学会発表] Analysis of a gap plasmonic waveguide using the frequency-dependent 3-D LOD-FDTD method2011

    • 著者名/発表者名
      J. Shibayama, R. Ando, J. Yamauchi, and H. Nakano
    • 学会等名
      The 11th International Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices (NUSOD)
    • 発表場所
      Rome, Italy
    • 年月日
      2011 – 0905
  • [学会発表] Technique for improving the implicit BOR-FDTD method based on the locally one-dimensional scheme2011

    • 著者名/発表者名
      J. Shibayama, T. Oikawa, J. Yamauchi, and H. Nakano
    • 学会等名
      13th International Symposium on Microwave and Optical Technology (ISMOT)
    • 発表場所
      Prague, Czech Republic
    • 年月日
      2011 – 0622
  • [学会発表] Analysis of periodic structures at oblique incidence using an LOD-FDTD method2011

    • 著者名/発表者名
      Y. Wakabayashi, J. Shibayama, J. Yamauchi, and H. Nakano
    • 学会等名
      Integrated Photonics Research, Silicon and Nano Photonics (IPR)
    • 発表場所
      Toronto, Canada
    • 年月日
      2011 – 0613

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公開日: 2013-07-10  

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