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マルチフィジックスシミュレーション: IEEE Spectrum
マネージャーズガイド

マルチフィジックスモデリングを通してブリルアンオプトメカニカルインタラクションを理解する

カンピナス大学とコーニング大学の研究者は, 電磁気学と固体力学解析を使用して, 違う種類のカップリングを研究しています. それは, 導波路, 光ファイバー, およびその他のナノフォトニック構造におけるブリルアン散乱を強化または抑制するために, 光弾性と移動境界効果がどのように作用し合うかについてです.

Brianne Christopher著
2019年12月

1970年代以降, 光導波路は大きく変化しました. 当時, 導波路はより大きく, 科学者は, 特に光ファイバーの場合, 光弾性効果が設計において重要であることを発見したところでした. オプトメカニクスの分野の導入に伴い, 導波路の移動境界も考慮する必要がありました. 研究者たちは, ブリルアン散乱効果を増加または減少させるために微調整できる両方の効果の間に複雑な相互作用があることに気づきました. ブリルアン散乱とは, Léon Brillouinにちなんで名付けられた, 媒体における光と物質波の間の相互作用です. カンピナス大学とコーニング大学の研究グループは, マルチフィジックスシミュレーションを使用して, このカップリング効果と, ナノフォトニック構造の最適化にどのように使用できるかを解析しています.

2つの効果の物語

ブリルアンオプトメカニカルインタラクションには2つの効果のカップリングが含まれます. まず, 移動境界効果では, デバイスの境界またはジオメトリのみが考慮されます. 一般に, 例えば, 導波路をより薄くするとき, 移動境界効果が作用します. 一方, 光弾性効果では, 含まれる材料が考慮されます. ここでは, 材料の弾性ひずみによって変更されるのは導波路の屈折率です.

テーパー光ファイバーの設計について考えてみてください. ジオメトリを摂動するたびに, デザインで発生するブリルアンオプトメカニカル散乱に影響を与えます. これが移動境界効果です. 光弾性効果は, ファイバーが作られている材料を考慮し, これは相互作用にも影響します.

増強するか抑制するか：そこが問題である

オプトメカニカル設計でブリルアン散乱を考慮する場合, 効果を増強または抑制したい場合がよくあります. たとえば、通常の光ファイバーでは, ブリルアン散乱は, 多くの光を前方に伝搬するのではなく後方に散乱させる通信システムの障害として現れます. これは, 入力ソースからファイバーを通過する光がほとんどまたは全くないことを意味します. これが重要な設計上の考慮事項である例は, 通常のファイバーと加速度計などです(図1).

Three side-by-side images showing examples of Brillouin scattering in nanophotonic structures.
Figure 1. A COMSOL Multiphysics® model of Brillouin scattering in a nanophonic structure, including a tapered fiber (left), integrated waveguide (center), and bulls-eye cavity (right).

テーパーファイバー(左), 統合導波路(中央), およびブルズアイキャビティ(右)を含む, ナノフォニック構造におけるブリルアン散乱の COMSOL Multiphysics® モデル.

では, ブリルアン散乱効果を増強したいのはどのような場合でしょうか? 一例は, 統合された導波路です. 例えば, これらの導波路の機械的相互作用を操作して狭帯域幅のレーザーを作成したり, ブリルアン散乱を使用して非常に正確なフィルターの周波数と波長チャネルを指定したりできます.

カンピナス大学とコーニングリサーチアンドデベロップメントコーポレーションのフォトニクス研究センターで, Gustavo Wiederhecker教授, Paulo Dainese教授, Thiago Alegre教授は, ブリルアンオプトメカニカルインタラクションを引き起こす境界と物質のカップリングを理解しようと研究を進めていました. 主な目標の1つは, ナノフォトニック構造における光弾性効果と移動境界効果のカップリングを理解して, デバイスがブリルアン散乱の強化または抑制を必要とするかどうかに応じて, より効果的な(場合によっては無効な)カップリングを設定することでした.

ブリルアンオプトメカニクスのマルチフィジックスシミュレーション

カンピナス大学のチームはどのようにしてこの複雑な相互作用についてより深く理解したのでしょうか? 1つの方法は, マルチフィジックスシミュレーションを使用することです. チームは COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを使用して, ナノフォトニック構造における光弾性効果と移動境界効果のカップリング, および結果として生じるブリルアン散乱をモデル化しました. シミュレーションが簡単で, 同時に観察に適している2Dシミュレーションから始めました. 「2Dモデルは非常に速く解けます」とAlegre氏は言います. 彼らは, 単一のシリカ棒のような単純な例から始めて, 電磁気学と固体力学の物理学の両方を分析に統合し, 最終的には完全に統合されたナノフォトニック構造を構築しました(図2). 次に, チームはシミュレーション結果を使用して, ブリルアン散乱の主要な側面の1つである光学場と機械場間の重なり積分を計算しました. 「これらの積分を使用できるようになると, オプトメカニカル積分を理解してプロットすることができます. これは非常に役立ちます」とAlegre氏は言います. 「COMSOL Multiphysics® は, この種の分析にアクセスさせてくれる数少ないソフトウェア[製品]の1つです.」

A group of images showing the use of COMSOL Multiphysics to analyze optomechanical couplings in a toroidal cavity..
Figure 2. Top: A full example of the use of COMSOL Multiphysics. A model for the toroidal cavity is used to simulate both the optical and mechanical modes. Bottom: The coupling between these two modes is then simulated for a series of different geometries.

COMSOL Multiphysics の完全な使用例. トロイダルキャビティのモデルは, 光学モードと機械モードの両方をシミュレートするために使用されます. 下：次に, これらの2つのモード間のカップリングは, 一連の異なるジオメトリに対してシミュレーションされます.

カンピナス大学のチームは COMSOL® ソフトウェアのいくつかの機能が特に有用であることを発見しました. その中の最初の機能はマルチフィジックス機能です. 同じ研究で光弾性効果と移動境界効果の両方を解くと, 一方の物理を解いたり, 結果をエクスポートしたり, もう一方に戻って解いたりするのと比較して, それらを簡単に統合できます.

もう1つの便利なツールは, ユーザーインターフェイス(UI)の全体です. 「COMSOL®でのインターフェースの使用は非常に便利です」とAlegre氏は言い, シミュレーションを実行した後, 「すぐに, ユーザーインターフェースに関連する結合係数が表示されます」と付け加えます. チームは, 後処理機能がUIで直接利用できることも気に入っています. 「他のソフトウェアを使用する場合, 後処理コードと全ての統合機能を作成する必要があります」とAlegre氏は言います. 一方, COMSOL Multiphysics には, モデリングワークフローの一部として後処理が含まれています.

将来の研究に向けて道を開く

将来の研究については, カンピナス大学のチームは, オプトメカニカルカップリングに対するさまざまな材料の影響を調査するとともに, ナノフォトニクスにおける材料のハイブリッド統合を検討する予定です. 彼らはまた, より良い導波路を設計するためにさまざまなジオメトリを調査し, ブリルアン散乱デバイスの優れた候補を探しています.

さらに, 彼らの研究の拠点は学術機関であるため, チームは次世代のナノフォトニクス研究者, つまり学生に刺激を与え, 関与させる方法についても考えています. そのために, チームはブリルアン散乱プロジェクト「ナノフォニック構造のブリルアンオプトメカニクス」に沿ってデータリポジトリを作成しました.」APLPhotonics 4, 071101(2019). リポジトリにはモデルとコードが含まれており, 学生はこれらを使用して, 導波管またはキャビティのジオメトリを変更できます. ブリルアンのオプトメカニカルな相互作用をリアルタイムで見ることにより, 学生は独自の優れたアイデアを開発できるかもしれません.