多層超薄膜三次元光導波路の等価回路による電磁界解析

摘要

三次元光導波路不連続部の厳密な解析は光集積回路の正確な設計において重要である。本報告では、従来から用いられているモード理論に基づいた横方向等価回路を、単一モード・単一偏波保持特性で知られる2種類の異なる屈折率からなる多層超薄膜三次元光導波路の伝搬方向不連続構造に適用している。伝搬方向の不連続ステップ構造の解析において、異なる導波路幅の各々の断面構造の固有伝送モードは各々130個以上計算され、それにより伝搬方向解析に有用な多開口理想変圧器を用いた等価多線条伝送線路が導出される。また、導波路の主要モード入射により生じる透過および反射量の厳密な計算から、不連続部において電力保存則を満たすことと、電磁界の接線成分の連続性が保たれていることが確認される。これにより不連続部における透過・反射電力特性や電磁界の動的ふるまいが計算され、これらの合理的な解析結果が得られることを示した。%Rigorous analysis of step discontinuities for 3-D optical waveguides is needed for the exact design of optical integrated circuits. In this paper, so far developed equivalent networks in lateral direction and that along wave propagation with a step discontinuity based on mode theory is applied to the rigorous field analysis of the step discontinuity of thin-film multilayered 3-D optical waveguides, which are known as "Polarization Maintaining Waveguide". Eigen propagation modes for the waveguide with different widths at both sides of the step discontinuity are calculated up to over the 130th mode, giving the equivalent multi-transmission line network along wave propagation and equivalent ideal transformer bank for the step. Then the reflected and transmitted higher modes including the dominant mode are calculated for a dominant mode incidence, whose validity is confirmed by power conservation and continuity of the tangential electromagnetic field at step. Also, radiated power at the step is estimated, dynamic behavior of the field is calculated and demonstrated, these calculations are used to give reasonable analytical results with success.