3次元高屈折率差光導波路解析理論の開発とナノフォトニクス集積システム設計への応用

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光回路の大規模集積化・高機能化を実現可能とする光導波路として,高屈折率差(HIC)光導波路に注目が集まっている.HIC光導波路はコア部に光が強く閉じ込められるため,半径数μmで導波路を曲げても光波はほとんど放射することなく伝搬する.このようなHIC導波路を用いた光回路の設計には,従来の弱導波近似に基づく光導波路理論をそのまま適用することができない問題がある.そこで我々は,HIC光導波路を基盤とした光回路の設計に対応できる,有限要素法に基づく3次元光導波路解析理論の構築を進めてきた.本手法では,HIC光導波路の急峻な曲がりにも対応可能で,スプリアス解と呼ばれる非物理解の発生しないベクトル型要素を用いている.本手法を用いて反射鏡と共振器を設けたスロット導波路を解析し,その透過特性を評価した.また,最近,導波路の断面形状をリッジ型としたHIC光導波路に注目が集まっている.光の閉じ込めが弱くなるため,光回路が比較的大きくなってしまうが,製造において生じる導波路側壁の表面荒れによる散乱損失を低減できるという利点を有する.リッジ型導波路は,準TMモードに関して基本的に漏れ構造となっているが,特定の導波路幅に対して,この準TMモードの漏れ損失が極めて小さくなることが知られている.最近,SOI基板上に作製されたリッジ型導波路に対して,準TMモードの漏れ損失の導波路幅依存性が実験的に明らかにされたが,その理論的な裏付けはなされていなかった.また,低損失で伝搬できる導波路幅や動作波長の許容範囲は極めて狭く,準TMモード動作させるためには,その改善が必要であった.そこで我々は,リッジ型導波路における準TMモードの漏れ損失を有限要素法に基づく数値解析手法により理論的に評価した.また,低損失で伝搬できる導波路幅と動作波長の許容範囲を拡大するために,リッジにくぼみを設けた構造を新たに提案した.