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今回のキーワード
光導波路間のaidabaticカップリング 結合波理論による光結合のモデリング
はじめに
近年、データセンターやAIアクセラレータの急速な発展に伴い、電気配線の限界（帯域・消費電力・信号劣化）が顕在化しつつあります。その解決策として注目されているのが光電融合です。電気信号を可能な限り短距離化し、長距離・広帯域伝送を光で担う構成は、今後の高性能計算基盤において不可欠な技術になると考えられています。
このような光集積回路において、極めて重要な要素技術の一つが光結合です。
導波路間、チップ間、あるいは異種材料プラットフォーム間でいかに低損失・広帯域に光を移送できるかは、システム性能を大きく左右します。
その中でも特に重要なのが、adiabatic（断熱的）光結合です。
断熱結合は、構造をゆっくりと変化させることでモード変換を高効率に実現する手法であり、製造誤差耐性や広帯域性に優れるという特長を持ちます。実際、シリコンフォトニクスのスポットサイズコンバータやテーパー型カプラなど、多くの実デバイスがこの原理に基づいて設計されています。
しかしながら、
なぜ「ゆっくり変化させる」と高効率になるのか？
adiabatic条件とは何を意味しているのか？
結合長やテーパー角度はどのように決まるのか？
といった問いに対して、直感的理解だけでは不十分な場合もあります。
本記事では、結合波モード理論を出発点として、adiabatic光結合を理論的に整理します。
この記事を書くうえでは以下の論文を参考にしましたので、リンクを張っておきます
この論文では数式の変形で、行間がかなり飛ばされているので、今回位置から導出を行いましたので、ご紹介します。
今回の解析対象
今回は以下に示すようにadiabatic coupling問題についてcoupled mode theoryを用いたアプローチから検討してみます。
二つの光導波路の光学的結合で現れる偶対称モードと奇対称モード
まず解析を行うにあたり結合波方程式を用いた偶モード・奇モードの解析を行います。
これは添付の論文の(2.1)式の導出過程になります。
ちょっと長くなりましたが、こういった方法で偶・奇モードを表現することができます。
次は引き続き論文で示している数式の導出過程を行います。
次の記事はこちら↓
※本記事は筆者個人の見解であり、所属組織の公式見解を示すものではありません。
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