光デバイスの完全自動最適設計システム構築に向けた導波路解析ソフトウェア技術の開発

本年度は光導波路解析の効率化を目的として、散乱演算子に基づく新たな電磁界シミュレーション手法の開発を行った。一般的な散乱演算子による解析では入出力ポートがセットになったブロック構造を縦続に接続することで最終的な出力特性を評価するのが基本であるが、本研究では長方形に分割した解析領域の4面にポートを設け、4方向への構造接続を可能とするように解析手法の改良を行った。昨年度までに独自に開発してきた有限要素法をベースとした散乱演算子法は、任意の導波路構造をメッシュ分割して演算子化するため汎用性が高く、これを拡張し4ポート接続を実現することで、解析領域を縦横に分割した新たな領域分割型解析を実現している。具体的には、従来の有限要素法の境界処理に、伝搬演算子を使った境界条件を定式化し、連立一次方程式から各ポートの入出力電磁界を計算する散乱演算子を導出した。開放系の領域を扱うためには、数値計算上の解析領域端からの非物理的な反射を抑圧する必要があるが、解析領域を囲うようにポートを配置する場合には、隣接ポート間の不整合による不要界の出現が問題となる。そこで完全整合層を境界条件に併用し、散乱演算子を生成する過程で完全整合層を除去することで、問題を解消した。また各入出力ポートごとに対応する演算子を効率的に生成するため、界の補間にラグランジュ関数を用いるように改良を行った。汎用的に利用されている従来の有限要素法解析との比較検討により、十分な精度で解析を行うことが可能であることを確認した。また反射波が伴わない構造において効率的な解析が可能な緩慢変化包絡線近似を適用した効率的な有限要素法について、解析領域内で生じる反射波を考慮した解析を行えるように、新たに前進波と後退波を多重化した散乱演算子法の開発を行った。これにより領域分割型解析と従来の有限要素法等との結合解析が可能になることを示した。

本年度は光導波路解析の効率化を目的として、散乱演算子に基づく新たな電磁界シミュレーション手法の開発を行った。一般的な散乱演算子による解析では入出力ポートがセットになったブロック構造を縦続に接続することで最終的な出力特性を評価するのが基本であるが、本研究では長方形に分割した解析領域の4面にポートを設け、4方向への構造接続を可能とするように解析手法の改良を行った。昨年度までに独自に開発してきた有限要素法をベースとした散乱演算子法は、任意の導波路構造をメッシュ分割して演算子化するため汎用性が高く、これを拡張し4ポート接続を実現することで、解析領域を縦横に分割した新たな領域分割型解析を実現している。具体的には、従来の有限要素法の境界処理に、伝搬演算子を使った境界条件を定式化し、連立一次方程式から各ポートの入出力電磁界を計算する散乱演算子を導出した。開放系の領域を扱うためには、数値計算上の解析領域端からの非物理的な反射を抑圧する必要があるが、解析領域を囲うようにポートを配置する場合には、隣接ポート間の不整合による不要界の出現が問題となる。そこで完全整合層を境界条件に併用し、散乱演算子を生成する過程で完全整合層を除去することで、問題を解消した。また各入出力ポートごとに対応する演算子を効率的に生成するため、界の補間にラグランジュ関数を用いるように改良を行った。汎用的に利用されている従来の有限要素法解析との比較検討により、十分な精度で解析を行うことが可能であることを確認した。また反射波が伴わない構造において効率的な解析が可能な緩慢変化包絡線近似を適用した効率的な有限要素法について、解析領域内で生じる反射波を考慮した解析を行えるように、新たに前進波と後退波を多重化した散乱演算子法の開発を行った。これにより領域分割型解析と従来の有限要素法等との結合解析が可能になることを示した。