WEKO3
アイテム
テラヘルツ帯誘電体導波路デバイスの最適設計
http://hdl.handle.net/10258/0002000467
http://hdl.handle.net/10258/0002000467cbdeb284-7154-4847-9317-10a492fe45fa
| 名前 / ファイル | ライセンス | アクション |
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A574.pdf (18.3 MB)
Download is available from 2026/6/30.
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A574_abstract.pdf (531 KB)
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| アイテムタイプ | 学位論文 / Thesis or Dissertation(1) | |||||||||||
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| 公開日 | 2026-06-04 | |||||||||||
| エンバーゴ | ||||||||||||
| 日付 | 2026-06-30 | |||||||||||
| 日付タイプ | Available | |||||||||||
| タイトル | ||||||||||||
| タイトル | テラヘルツ帯誘電体導波路デバイスの最適設計 | |||||||||||
| 言語 | ja | |||||||||||
| タイトル | ||||||||||||
| タイトル | Optimal Design of THz-band Dielectric Waveguide Devices | |||||||||||
| 言語 | en | |||||||||||
| 言語 | ||||||||||||
| 言語 | eng | |||||||||||
| 資源タイプ | ||||||||||||
| 資源タイプ識別子 | http://purl.org/coar/resource_type/c_db06 | |||||||||||
| 資源タイプ | doctoral thesis | |||||||||||
| アクセス権 | ||||||||||||
| アクセス権 | embargoed access | |||||||||||
| アクセス権URI | http://purl.org/coar/access_right/c_f1cf | |||||||||||
| 著者 |
モード, イクイベル ホセイン パトワリー
× モード, イクイベル ホセイン パトワリー
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| 抄録 | ||||||||||||
| 内容記述タイプ | Abstract | |||||||||||
| 内容記述 | 高速・大容量通信システムの実現のために、テラヘルツ（THz）帯の利用が検討されているが、従来の導波管を用いた場合、低損失でコンパクトなTHz導波管部品の開発は依然として課題が多い。平行板誘電体導波管（PPDW）と非放射誘電体（NRD）線路は、THz受動デバイス設計の有望な候補として注目されている。しかし、これらのプラットフォーム上での機能デバイスの最適設計と効率的な設計手法の開発は、まだ十分には検討されていない。その潜在能力を最大限に引き出すには、デバイスレベルの能力を徹底的に探求する必要がある。 本論文では、寸法最適化、モザイク状最適化、トポロジー最適化など、いくつかの最適化手法を用いた、PPDWおよびNRDプラットフォーム上の導波路デバイスの新しい設計方法論を提案している。まず、THz回路アプリケーション向けの高性能PPDWデバイスを実現するために、随伴変数法（AVM）を用いた勾配法に基づく新しい効率的なモザイク状設計アプローチを提案している。モザイク状設計アプローチの有用性を、T分岐、3分岐、モード分割デバイス、およびTHzバンドパスフィルターといったPPDWデバイスを設計することによって検証している。 次に、遺伝的アルゴリズム（GA）と実効屈折率法（EIM）に基づいて、THz NRDグレーティングバンドパスフィルタの効率的な最適設計法を開発している。GAを使用して、いくつかのTHzバンドパスフィルタ、単一通過帯域バンドパスフィルタ、周波数調整可能なバンドパスフィルタ、帯域幅調整可能なバンドパスフィルタを設計し、最適化プロセスで2次元フルベクトル有限要素法と組み合わせたEIMを使用して導体損失を推定することにより、効率的にフィルタの設計が行えることを示している。EIMで得られた結果は、3次元有限要素法（3D-FEM）によっても検証している。さらに、この論文では、関数展開法と共分散行列適応進化戦略（CMA-ES）に基づくTHz NRDラットレース回路のトポロジー最適設計を行っている。最適化されたデバイスは、従来のNRDラットレースデバイスの出力ポートに不要なLSE01モードが現れるという困難を克服し、デバイス性能の大幅な向上を達成している。 最後に、関数展開法と CMA-ES を活用した THz サブ波長グレーティング NRD (SWG-NRD) ガイドと、LSM パス/LSE ストップNRD ガイドおよび SWG-NRD ガイドとの接続カプラのトポロジー最適設計を行っている。最適化された接続カプラは、このプラットフォームの既存のテーパカプラと比較して、結合長を 4.5 ～ 9 倍短縮し、反射損失が大幅に抑制されている。提案されたマッチングカプラ、SWG-NRD ガイド、および設計手法の有用性は、パワースプリッタ、3 dB 波長無依存カプラ (WINC)、およびマッハツェンダー干渉計 (MZI) インターリーバなどのいくつかのデバイスを設計することによって検証している。 本論文で示した設計手法および設計されたPPDWおよびNRDガイドデバイスは、挿入損失を最小限に抑えながら高い伝送効率を実現しており、THz通信システムへのデバイスへの適用可能性を示している。 |
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| 言語 | ja | |||||||||||
| 抄録 | ||||||||||||
| 内容記述タイプ | Abstract | |||||||||||
| 内容記述 | The terahertz (THz) band offers significant potential for high-speed, large-capacity communication systems. Although the development of low-loss and compact THz waveguide components remains challenging while using conventional waveguides, the parallel-plate dielectric waveguides (PPDW) and non-radiative dielectric (NRD) guides represent promising candidates for THz passive device design. However, the optimal design of functional devices on these platforms and the development of efficient design methodologies have not yet been fully addressed. A dedicated exploration of these guides’ device-level capabilities is necessary to unlock their full potential. In this thesis, we present novel design methodologies of waveguide devices on PPDW and NRD platforms using several optimization methods, such as, size optimization, mosaic-like optimization, and topology optimization. First, we present a novel and efficient mosaic-like design approach based on gradient method with adjoint variable method (AVM) to realize high performance PPDW devices for THz circuit applications. The mosaic structure in the design region is expressed by using density method with an appropriate initial solution. The usefulness of our mosaic-like design approach is confirmed by designing several PPDW devices, T-branch, three branch, mode splitting device, and THz bandpass filter. Then, we present THz NRD grating bandpass filters and develop an efficient optimal design method to realize these devices based on genetic algorithm (GA) and effective index method (EIM). We design several THz bandpass filters, single pass-band bandpass filter, frequency-tunable bandpass filter, and bandwidth-tunable bandpass filter by using GA, and show the practical application of these designed filters by estimating the conductor loss using EIM combined with 2D-FVFEM in the optimization process. The results obtained with EIM are also verified by three-dimensional finite element method (3D-FEM). Furthermore, the thesis presents topology optimal design of THz NRD rat-race circuit based on function expansion method and covariance matrix adaptation evolution strategy (CMA-ES). The proposed method overcomes the difficulty of appearing unwanted LSE01 mode in the output ports for conventional NRD rat-race devices, thus the optimized devices achieved the significant improvement in the device performance. Finally, we present the THz sub-wavelength grating NRD (SWG-NRD) guide and topology optimal design of LSM-pass/LSE-stop standard NRD and SWG-NRD guides connecting coupler utilizing function expansion method and CMA-ES. The optimized connecting coupler can greatly suppress the reflection loss with 4.5 to 9 times reduced coupling length compared to the existing taper couplers in this platform. The usefulness of the proposed matching coupler, SWG-NRD guide, and the design technique are confirmed by designing several devices, power splitters, 3-dB wavelength-insensitive coupler (WINC), and Mach-Zehnder interferometer (MZI) interleaver. The designed PPDW and NRD guide devices show high transmission efficiencies with minimal insertion losses, confirming the relevance of the developed methodologies, and devices’ possible application in the THz integrated communication systems. |
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| 言語 | en | |||||||||||
| 学位授与機関 | ||||||||||||
| 学位授与機関識別子Scheme | kakenhi | |||||||||||
| 学位授与機関識別子 | 10103 | |||||||||||
| 学位授与機関名 | 室蘭工業大学 | |||||||||||
| 言語 | ja | |||||||||||
| 学位授与機関名 | Muroran Institute of Technology | |||||||||||
| 言語 | en | |||||||||||
| 学位名 | ||||||||||||
| 学位名 | 博士（工学） | |||||||||||
| 言語 | ja | |||||||||||
| 学位の種別 | ||||||||||||
| 言語 | ja | |||||||||||
| 値 | 課程博士 | |||||||||||
| 学位授与番号 | ||||||||||||
| 学位授与番号 | 甲第574号 | |||||||||||
| 報告番号 | ||||||||||||
| 言語 | ja | |||||||||||
| 値 | 甲第574号 | |||||||||||
| 学位記番号 | ||||||||||||
| 言語 | ja | |||||||||||
| 値 | 博甲第574号 | |||||||||||
| 研究科・専攻 | ||||||||||||
| 言語 | ja | |||||||||||
| 値 | 工学専攻 | |||||||||||
| 学位授与年月日 | ||||||||||||
| 学位授与年月日 | 2026-03-23 | |||||||||||
| 著者版フラグ | ||||||||||||
| 出版タイプ | VoR | |||||||||||
| 出版タイプResource | http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85 | |||||||||||
