3次元光導波路不連続の高度解析法の開発と新機能フォトニック結晶光波回路素子の探索

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フォトニック結晶導波路に代表される周期構造導波路まで含め、任意異方性材料からなる光導波路の伝送特性解析のための有限要素法および有限要素時間領域ビーム伝搬法の開発とその高性能化と高速化を行った。以下にその成果のいくつかについて述べる。開放系の問題を有限要素法を用いて解くときには無限領域をいかに取り扱うかが問題となる。完全整合層を用いた境界条件は有用な方策の一つであるが、従来は解析領域が矩形であることを想定していた。その一方で、有限要素法は任意形状への適用性に優れた解析法であり、解析領域も任意の形状を選ぶことができる。ここでは、座標変換を利用することで、任意方向に向いた境界に対して簡便に適用できる完全整合層を考案し、極めて汎用性の高い有限要素法の開発に成功した。フォトニック結晶導波路は超小型の光素子を実現できるものと期待され、さまざまな光デバイスが提案されているが、ここでは、機能デバイスとして、液晶が注入されたフォトニック結晶カップラーを用いた光スイッチを提案し、数値シミュレーションにより動作を確かめた。従来の結合長の差を利用するカップラーに対して、ここで提案したカップラーはフォトニック結晶カプラーに特有のデカップリング現象を利用しているため、デバイスの小型化に有効であり、熱光学を利用するスイッチに比べて高速動作が可能である。これまで光導波路の設計は経験によるところが大きく、その場合、これまでにない新しい構造の創出は固定観念にとらわれるため比較的困難である。ここではトポロジー最適化を利用して、欲しい特性を与えることで自動的に光導波路デバイスの構造を発現できるような最適化手法を開発した。