2021 Fiscal Year Research-status 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。
計算手法の開発については、一昨年度に取りかかった半陰的FDTD法の性能評価を詳細に行った。まず、TMモード解析のための半陰的FDTD法によりTM透過型THz偏光子を解析した。半陰的FDTD法は空間の特定方向の刻みが小さい場合に、その方向に陰解法を適用する。結果として時間刻み幅の上限が緩和され、計算時間の短縮が可能になる。本研究の偏光子ではInSb層が積層されており、その厚み方向に小さな刻みが必要になる。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。その際、導波モードパワーの計算誤差は1%以下となった。さらに、TE波解析のための半陰的FDTD法も新たに開発し、偏光子の消光比が効率よく計算できるようになった。本研究結果は電子情報通信学会和文論文誌に採録され、22年5月に出版予定である。
偏光子の開発については、新たな構造の3次元偏光子を提案した。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EST研究会で公表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2021年度には3次元の半陰的FDTD法を開発予定であったが、2次元半陰的FDTD法の研究成果を論文としてまとめることが主体となり、十分な時間確保ができなかった。しかし、2次元半陰的FDTD法に関しては詳細な精度評価、計算効率評価を行い、3次元手法開発の足がかりとなった。現在、3次元半陰的FDTD法の定式化を進めており、終了次第プログラミングを行う予定である。
また、計画より進展した点として、陰的なクランク・ニコルソン法に基づくFDTD法を、反復法（反復クランク・ニコルソン法）を導入することによって、陽的に解く手法を提案したことである。本手法は、ここで検討している半陰的FDTD法の補完的な手法になると考えられ、解析する構造によっては効率高い計算が出来ると期待される。本手法の成果は、英国の速報誌であるElectronics Lettersに採録され、22年1月に出版された。3次元問題への拡張や分散媒質解析への応用が今後の課題となっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
1)3次元半陰的FDTD法を開発する。細かい刻み幅が必要な方向にのみ陰解法を適用し、計算時間幅の制限を緩和する。現在、定式化がほぼ終了しており、すぐにプログラミングに取りかかる。どの程度計算精度が維持され、また計算時間が短縮できるか、3次元のテラヘルツ導波路を解析し検討する。
2)開発した3次元半陰的FDTD法により、3次元センサ、偏光子の解析を行う。特に、コアの両側面にInSb層を設けた新たなセンサの詳細な設計を行う。バッファ層、InSb層の厚さが消光比特性に及ぼす影響を詳細に検討する。また温度依存性の強いInSbに代わり、温度依存性の小さなInAsを用いた偏光子の検討も行う。消光比の周波数特性を評価し、偏光子としての有効性を議論する。
3)得られた成果を、学会発表（電子情報通信学会、Piersなど）、論文（電子情報通信学会、IEEEなど）で可能な限り公表していく。
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| Causes of Carryover |
21年度はコロナ禍の状況により出張が全くできず、旅費を消費できなかったのが余剰が生まれた原因である。22年度はコロナ禍の状況により積極的に学会出張を行い、研究成果の公表に努める。また、電子情報通信学会やIEEEなどに論文を投稿し、その掲載料として本科研費を使用する予定である。
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