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ANSYS LUMERICAL
Lumerical MODE：導波路モードと平面回路の伝搬
FDE、varFDTD、EME の3つのソルバーを備えます。導波路断面のモード解析から、平面集積光回路や長尺テーパーの伝搬解析まで、3D FDTD では計算負荷が大きくなる問題を効率的に扱えます。
概要
モード解析から長距離伝搬までを1つの環境で
FDE（有限差分固有モード）は導波路断面を 2 次元の固有値問題として解き、実効屈折率、モード分布、分散、伝搬損失を求めます。伝搬計算そのものが不要なため、非常に高速です。
varFDTD は 3D 構造を 2D の実効屈折率分布に縮約し、面内を 2D FDTD で解析します。異なる垂直スラブモード間の結合が小さい平面構造に適し、光軸を仮定せず面内の全方向への伝搬を扱えます。
EME（固有モード展開法）は構造を断面が一様な区間に分割し、各区間のモードを接続していきます。双方向の伝搬を扱えます。一度モード分解を行えば、モード計算をやり直さずに伝搬長を変更できるため、長さの掃引や最適化を効率的に行えます。
MODE のソルバー構成
解析対象に応じて選べる3つのソルバー
01
FDE
導波路断面の固有モード、実効屈折率、損失、分散を評価。
02
varFDTD
平面集積光回路の面内伝搬を 2.5D で効率的に解析。
03
EME
モード計算をやり直さずに伝搬長を効率的に掃引。
使いどころ
向く場合と、向かない場合
他の手法のほうが速く正確に解ける場面もあります。以下は選択の目安です。
異なる垂直スラブモード間の結合が強い構造や、面外への放射・伝搬が重要な構造では、varFDTD の実効屈折率近似が適さない場合があります。その場合は、解析対象に応じて EME や 3D FDTD を検討します。
MODE を使う
- 導波路の実効屈折率とモード分布を知りたい
- 数百 µm 以上の平面回路を伝搬させる
- テーパーやスプリッタの長さを最適化する
- 曲げ損失やモード変換を評価する
- ファイバーとの結合効率を求める
別の手法を検討する
- 3D で強い散乱・放射を伴う任意形状 → FDTD
- 曲面・斜め界面を含む複雑な断面 → FEEM
- 周期構造の回折効率 → RCWA
- 回路全体のリンク性能 → INTERCONNECT
解きたい対象と規模に応じて、MODE の3つのソルバーと他製品のソルバーを使い分けます。
代表的な用途
どの分野で使われているか
ファイバー結合
エッジカプラ、スポットサイズ変換器
入力と出力
何を与えると、何が得られるか
断面形状、材料、波長、デバイス構造を設定し、モード特性、伝搬特性、S パラメータなどを評価します。
INPUT
何を用意すればよいか
| 断面構造 | 層構成、幅、厚み、材料 |
| 波長 | 単一波長または掃引範囲 |
| モード数 | 計算する固有モードの本数 |
| 伝搬構造 | varFDTD では面内のレイアウト、EME では伝搬方向に沿った構造変化 |
MODE
導波路解析
OUTPUT
何が得られるか
| 実効屈折率 | モードごとの n_eff と群屈折率 |
| モード分布 | 断面の電磁界プロファイル |
| S パラメータ | ポート間の透過・反射 |
| 損失 | 伝搬損失、曲げ損失、結合効率 |
解析ワークフロー
実際の進めかた
MODE では、解析対象に適したソルバーを選び、目的のモードや伝搬特性を正しく設定・確認することが重要です。
01
断面形状と材料を定義する
導波路やファイバの断面を作り、材料を割り当てます。
02
目的に応じてソルバーを選ぶ
断面のモードを求めるなら FDE、テーパなど長い伝搬なら EME、面内デバイスの平面伝搬なら varFDTD を使います。
03
解析領域とメッシュ、境界条件を設定する
エバネッセント成分まで収まる領域を取り、メッシュセル数または最大メッシュステップを決めます。
04
ソルバーごとの解析条件を設定して計算する
FDE では、Search near n / in range と Number of trial modes を適切に設定し、目的のモードが Mode List に含まれていることをモード分布から確認します。波長掃引では対象モードを選択し、Track selected mode を使用して同じモードを追跡します。
05
結果を確認し、次の設計工程へ活用する
FDE では実効屈折率・損失・モード分布・分散、varFDTD では電磁界分布・透過特性・モード結合や S パラメータ、EME ではポート間の透過・反射や S マトリクスなどを確認します。必要に応じて、FDE の導波路特性や varFDTD / EME の S パラメータを INTERCONNECT などの次工程で利用できます。
よくあるご質問
MODE についてよくいただく質問
導入前によくいただく質問をまとめました。
varFDTD と 3D FDTD の結果はどれくらい一致しますか。
一律の一致率はありません。varFDTD は 3D 構造を 2D の実効屈折率分布に縮約して解析するため、異なる垂直スラブモード間の結合が小さい平面構造で特に有効です。こうした条件では 3D FDTD と良好に整合する場合があります。一方、スラブモード間の結合が無視できない場合や、面外への伝搬・放射が重要な構造では varFDTD の近似が適さないことがあるため、必要に応じて 3D FDTD で検証します。
EME はどういう場面で有利ですか。
長いテーパーやスポットサイズ変換器、MMI、周期デバイスなど、伝搬距離の長い構造に適しています。一度モード分解を行えば、モード計算をやり直さずに伝搬長を変更できるため、長さの掃引や最適化を効率的に行えます。
ビーム伝搬法との違いは何ですか。
一般的な BPM は緩変化包絡近似を用い、主な伝搬方向を前提とします。varFDTD は面内では光軸を仮定せず全方向への伝搬を扱い、EME は双方向の固有モード展開によって反射を含む伝搬を解析します。高屈折率コントラストや長い導波路構造など、解析対象に応じてこれらのソルバーを使い分けます。
Zemax からのビームを取り込めますか。
はい。ZBF 形式を介して Zemax OpticStudio のビームデータを MODE に取り込めます。FDE ではモードとの重なりやパワー結合を評価でき、EME では Port へ ZBF データを直接インポートできます。MODE の結果を ZBF として OpticStudio へ戻すことも可能です。
日本語サポートとトレーニング
解析設定から結果の妥当性の判断まで、ご相談いただけます。実際に操作するハンズオン形式のトレーニングもご用意しています。
サポート →
トレーニング →
ご相談前にお知らせいただけると助かること
- 対象波長と材料
- デバイス構造とおおよその寸法
- 評価したい特性と目標値
- 既存の解析データや測定結果の有無
- 想定しているスケジュール
お伝えいただけない情報があっても構いません。差し支えのない範囲で結構です。
解きたい構造で、実際に動かしてみてください
デモではお客様の対象に近い構造を題材にします。計算規模と所要時間の目安もその場でお伝えできます。