光導波路デバイスの効率的な数値解析手法・自動最適設計法に関する研究

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光通信の高速大容量化，省電力化を目指し，光導波路デバイスの最適設計法が広く活用されている．最適設計では一般に膨大な計算コストを必要とし，自由度の高い設計には所要時間やメモリ容量による制約を受けるため，デバイス性能改善の大きな障壁となっている．本研究では，光導波路デバイスの設計効率を高めるため，光導波路解析で広く利用されている有限要素法(FEM)をベースとして，伝搬演算子法と呼ばれる光波の伝搬特性抽出法を利用した効率的な数値解析手法の開発を目的としている．昨年度までの初期検討では2次元光導波路解析のための解析手法を開発を行っており，本年度は，より実用的な3次元光導波路の解析のための拡張を行うための定式化と解析法の開発を行った．まず3次元構造を2次元メッシュで解析可能な円筒座標系のフルベクトルFEMに基づき，任意の軸対称光導波路を対象とした散乱演算子法を提案した．定式化では，フルベクトルFEMでしばしば問題となるスプリアス解の対策として辺/節点混合要素を採用し，入出力端の境界処理には伝搬演算子を導入することで散乱演算子化を実現している．提案手法は，従来のFEM，有限差分時間領域法，双方向ビーム伝搬法との比較検討により，妥当性と有用性を確認した．また高い解析精度が要求されるプラズモニック導波路の解析においても有用性を確認した．これらの研究成果は，国際学術論文誌1件，国際会議1件，国内全国大会1件で報告を行った．続いて，一般的な入出力がセットになった2ポートの散乱演算子を改良し，2次元面内の解析領域を縦横に接続可能な4ポートの散乱演算子の検討を行った．解析法は放射波が生じない問題において実装され，妥当性を示した．ここまでの結果に関して，国内全国大会で1件の報告を行っており，今後は放射特性を含めた解析を行えるように安定性と精度の改良を行い，手法のさらなる検証を進める方針である．