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Development of Multi-Objective Topology Optimization for Photonic Devices with Desired Properies

具有所需特性的光子器件的多目标拓扑优化的开发

基本信息

批准号：
21K04169
负责人：
辻寧英
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Muroran Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

前年度の検討を引き継ぎ，実際の作製を考慮してより単純な構造で目的の特性を実現するための検討と光デバイスに対する設計手法をミリ波デバイスに応用することを中心に検討を行った．光デバイスのトポロジー最適設計で，関数展開法の表現関数として新たにメタボールを表す関数を導入し，基本的な回路素子から波長分離素子などの波長依存デバイスの設計を通してその有用性を確認した．メタボールの半径に制約を加えることで構造の先鋭化や微細化を避けられることが示された．さらに，構造の曲率半径および線幅に制約を課した設計についても検討を行い，関数展開法の枠組みのなかで目的関数に制約条件を加えることができるようにした．最適解の探索方法について，従来の勾配法と進化的手法をハイブリッド化した最適化手法を提案し，進化的手法に比べて解探索効率が高く，勾配法に比べて大域探索能力が高いことを示した．また，勾配の計算が難しい場合に対して共分散行列適応進化戦略を新たに導入し，いくつかの設計例を通してその有用性を確認した．本研究は光デバイスの設計を主としているが，ここで開発した技術は周波数帯の異なるミリ波，THz波デバイスの設計へも容易に応用でき，ミリ波帯伝送路として期待の高い非放射誘電体線路(NRDガイド)を基盤とするNRD素子の設計に応用し様々なデバイスの設計例を示した．また，NRDガイドでは面外放射が本質的に起こらないことを利用して，モザイク状構造デバイスの設計にも着手しバイナリ型の進化的最適化手法を整備し，バイナリ型のハーモニーサーチが安定して効率的に解探索が可能であることを示した．最適設計では効率的な数値シミュレーション手法の開発が重要であるが，3次元構造を有するNRDガイドを厳密に2次元解析できる新しいFDTD法を提案し，3次元解析の結果と比較することでその有用性を示した．

In the past year, the design method for the design of the optical system was discussed. The design method for the optical system was discussed. To confirm the usefulness of the design of the wavelength dependent optical system, the performance relationship of the relationship expansion method is introduced into the wavelength dependent optical system. This shows that the radius of the menu element is restricted, and the sharpening and refinement of the structure can be avoided. In addition, the curvature radius of the structure is too large to restrict the design. In the discussion, the relationship expansion method is used to construct the target relationship. The optimal solution exploration method is more efficient than the evolutionary method, and the matching method is more efficient than the evolutionary method in large domain exploration. In addition, the calculation of matching is difficult, and the usefulness of the design example is confirmed. This study focuses on the design of optical waveguide elements, and provides an example of how to design optical waveguide elements based on the NRD elements. In addition, the NRD has developed an optimization method for the evolution of out-of-plane radiation in the design of the out-of-plane radiation structure, and has explored the possibility of solving the problem of out-of-plane radiation stability. The numerical value of the optimal design ratio is important for the development of the FDTD method, and the usefulness of the proposed FDTD method is demonstrated by comparing the results of the three-dimensional analysis.

项目成果

期刊论文数量（90）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Efficient Full-Vectorial Finite Element Analysis for Circularly Symmetric Waveguides

圆对称波导的高效全矢量有限元分析

DOI：
10.1109/jlt.2022.3160506
发表时间：
2022
期刊：
Journal of Lightwave Technology
影响因子：
4.7
作者：
Morimoto Keita;Iguchi Akito;Tsuji Yasuhide
通讯作者：
Tsuji Yasuhide

座標変換有限要素ビーム伝搬法を活用したモード変換光デバイスの最適設計

坐标转换有限元光束传播法优化设计模式转换光学器件

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
橋本和磨，坂田光;トリパティ・サロジ;木村巧，井口亜希人，辻寧英
通讯作者：
木村巧，井口亜希人，辻寧英

Google Scholar Citations

DOI：
发表时间：
2014
期刊：
影响因子：
0
作者：
Anne E. Rauh
通讯作者：
Anne E. Rauh

Optimal design of NRD guide devices using 2D full-vectorial finite element method

NRD导向装置二维全矢量有限元优化设计

DOI：
10.1587/elex.18.20210243
发表时间：
2021
期刊：
IEICE Electronics Express
影响因子：
0.8
作者：
Yuichi Kasatani;Hiroki Yoshikawa and Arata Tsukamoto;T. Bashir， K. Morimoto， A. Iguchi， Y. Tsuji， T. Kashiwa， and S. Nishiwaki
通讯作者：
T. Bashir， K. Morimoto， A. Iguchi， Y. Tsuji， T. Kashiwa， and S. Nishiwaki

共分散行列適応進化戦略を用いたNRDガイド周波数分離素子のトポロジー最適設計

基于协方差矩阵自适应进化策略的NRD引导频率分离元件优化拓扑设计

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
X. Han;K. Tsushima;M. Sato;T. Shirai;M. Sato;S. Ito;T. Ishizaki;K. Shibukawa;K. Agata and K. Shimomura;稗田直哉，井口亜希人，辻寧英，森本佳太，柏達也
通讯作者：
稗田直哉，井口亜希人，辻寧英，森本佳太，柏達也