ビーム伝搬法を活用した光導波路素子のためのトポロジー最適設計手法の汎用化

世界的な通信トラヒック量の増大により、さらなる高速・大容量な光通信システムが要請されている。それに伴い、光信号の処理に利用される光回路の極限までの小型化・低損失化が要求されている。近年、光回路の回路要素設計には数値計算を活用した構造最適化が積極的に利用されているが、限られた開発期間で多様な検討を行うために、計算効率の高い最適設計法が求められている。本研究は、計算効率が非常に高い光回路の数値解析技法であるビーム伝搬法を活用した構造最適化法の汎用化を目的として、１）双方向ビーム伝搬法を活用した構造最適化法、２）フルベクトルビーム伝搬法を活用した形状・トポロジー最適設計法、について検討し、これらの設計手法の適用範囲を検証した。初期検討として、２次元双方向ビーム伝搬法を活用した光導波路の最適設計ソルバを作成した。本研究の科研費により購入した計算機を利用して最適化計算を行い、モード次数変換器などの２次元近似設計を通して提案設計手法の妥当性・有用性を確認することができた。この成果は１回の国際会議および2回の国内全国大会にて報告した。また、購入の計算機は超小型なプラズモニックデバイス設計にも活用し、その成果はIEICE Electronics Expressに報告した。その後、提案設計手法を、より実際的な３次元設計問題に対応可能とするため、３次元双方向ビーム伝搬法を活用した光導波路の最適設計ソルバを作成し、引き続き有効性の検証を行っている。これらの研究と並行して、フルベクトルビーム伝搬法を活用した感度計算に基づく新たな形状・トポロジー最適設計法を開発した。素子構造が長手方向に緩やかに変化するデバイスの設計に本設計手法が有効であることを確認できたため、この研究成果をIEEE Journal of Lightwave Technology誌に報告した。

世界的な通信トラヒック量の増大により、さらなる高速・大容量な光通信システムが要請されている。それに伴い、光信号の処理に利用される光回路の極限までの小型化・低損失化が要求されている。近年、光回路の回路要素設計には数値計算を活用した構造最適化が積極的に利用されているが、限られた開発期間で多様な検討を行うために、計算効率の高い最適設計法が求められている。本研究は、計算効率が非常に高い光回路の数値解析技法であるビーム伝搬法を活用した構造最適化法の汎用化を目的として、１）双方向ビーム伝搬法を活用した構造最適化法、２）フルベクトルビーム伝搬法を活用した形状・トポロジー最適設計法、について検討し、これらの設計手法の適用範囲を検証した。初期検討として、２次元双方向ビーム伝搬法を活用した光導波路の最適設計ソルバを作成した。本研究の科研費により購入した計算機を利用して最適化計算を行い、モード次数変換器などの２次元近似設計を通して提案設計手法の妥当性・有用性を確認することができた。この成果は１回の国際会議および2回の国内全国大会にて報告した。また、購入の計算機は超小型なプラズモニックデバイス設計にも活用し、その成果はIEICE Electronics Expressに報告した。その後、提案設計手法を、より実際的な３次元設計問題に対応可能とするため、３次元双方向ビーム伝搬法を活用した光導波路の最適設計ソルバを作成し、引き続き有効性の検証を行っている。これらの研究と並行して、フルベクトルビーム伝搬法を活用した感度計算に基づく新たな形状・トポロジー最適設計法を開発した。素子構造が長手方向に緩やかに変化するデバイスの設計に本設計手法が有効であることを確認できたため、この研究成果をIEEE Journal of Lightwave Technology誌に報告した。