光と物質の相互作用向上に向けた新規非線形光学デバイスの提案

通信トラフィックの増大に伴い，ネットワーク機器における電力消費も増加し，2025年には現在の総消費電力量の1/4にあたる2400億キロワット時まで増加すると見込まれている．現状のネットワークでは，伝送してきた光信号をいったん電気信号に変換し，電子デバイスで処理を行ったあと再度光信号に戻して伝送している．このような冗長な処理は高速化および低消費電力化の妨げとなっており，光信号を光のまま制御する光デバイスの実現は次世代の光通信システムにとって必要不可欠である．当該年度は光デバイスの最適化設計について検討を行った．一般的に，光デバイスは先行研究の改良や設計者の着想によって考案される．他方，近年の光デバイスへのさらなる高性能化の要求を受けて，遺伝的アルゴリズムやトポロジー最適化，波面整合(Wavefront matching: WFM)法などの最適化手法を用いた光デバイス設計が注目を集めている．特に，WFM法はビーム伝搬法に基づく最適化手法であり，所望の出射光フィールド分布が得られる屈折率分布を決定論的に得ることができる．また，数値解析手法にビーム伝搬法を用いているため，伝搬距離の長い光導波路デバイスを効率的に最適化することが可能である．これまでWFM法は数値解析や測定実験から，その効果が実証されてきた．しかしながら，これまでに適用されたWFM法はスカラ解析，セミベクトル解析に限られてきたため，シリコンをコアとする高屈折率差導波路等の最適化には対応できなかった．そこで本研究では，フルベクトル有限要素ビーム伝搬法に基づくWFM法の開発を行い，フルベクトル解析が必要な偏波制御素子の最適化設計を行った．また，ビーム伝搬法を適用することができない反射を含む光デバイスに適用するため，導波路不連続問題のための有限要素法に基づく波面整合法を開発した．

通信トラフィックの増大に伴い，ネットワーク機器における電力消費も増加し，2025年には現在の総消費電力量の1/4にあたる2400億キロワット時まで増加すると見込まれている．現状のネットワークでは，伝送してきた光信号をいったん電気信号に変換し，電子デバイスで処理を行ったあと再度光信号に戻して伝送している．このような冗長な処理は高速化および低消費電力化の妨げとなっており，光信号を光のまま制御する光デバイスの実現は次世代の光通信システムにとって必要不可欠である．当該年度は光デバイスの最適化設計について検討を行った．一般的に，光デバイスは先行研究の改良や設計者の着想によって考案される．他方，近年の光デバイスへのさらなる高性能化の要求を受けて，遺伝的アルゴリズムやトポロジー最適化，波面整合(Wavefront matching: WFM)法などの最適化手法を用いた光デバイス設計が注目を集めている．特に，WFM法はビーム伝搬法に基づく最適化手法であり，所望の出射光フィールド分布が得られる屈折率分布を決定論的に得ることができる．また，数値解析手法にビーム伝搬法を用いているため，伝搬距離の長い光導波路デバイスを効率的に最適化することが可能である．これまでWFM法は数値解析や測定実験から，その効果が実証されてきた．しかしながら，これまでに適用されたWFM法はスカラ解析，セミベクトル解析に限られてきたため，シリコンをコアとする高屈折率差導波路等の最適化には対応できなかった．そこで本研究では，フルベクトル有限要素ビーム伝搬法に基づくWFM法の開発を行い，フルベクトル解析が必要な偏波制御素子の最適化設計を行った．また，ビーム伝搬法を適用することができない反射を含む光デバイスに適用するため，導波路不連続問題のための有限要素法に基づく波面整合法を開発した．