電磁波工学特論

科目名
Course Title
授業コード 単位数 配当年次 開講期間
Term
科目分類 ナンバリング
コード
曜日
コマ
教室 担当教員氏名
Instructor
電磁波工学特論
Advanced Electromagnetic Waves
P120990001 2 1 後期授業 専門科目 TIELE6615-M1 火2 B5-2B40 久保田 寛和

オフィスアワー

月曜12:15~12:50、17:45~19:00 (対面およびZoomで質問などを受付けます。Zoomの会議室は授業支援システムに掲示します。)

授業目標

電磁波を効果的に活用するためには電磁界の数値解析手法が不可欠であ。本科目ではFDTD法を基にその原理と実際に電磁界解析を行う上での注意点を修得する。
0. Linuxの基本的な使用方法を習得する。
1. 1次元のFDTD法を例として原理と特徴、動作について理解する。
2. 電磁界解析の精度、収束条件に関し、実際の解析を通して理解する。
3. 吸収境界条件(PML)に関して理解しその有効性を実際の解析を通して学ぶ。
4. 損失、分散などがある物質のFDTD法での扱いについて学ぶ。
これらの実際の動作を確認するためLinux上で動作するFDTDソフト(Meep FDTD)を用いた演習を行う。
5. 光ファイバ中の信号伝搬を計算するためのSplit Step Fourier法の原理をPythonによる動作を通して理解する。

教科書

"Understanding the FDTD Method" by John B. Schneider (http://www.eecs.wsu.edu/~schneidj/ufdtd/)

参考書

「FDTD法による電磁界およびアンテナ解析」 宇野亨著 コロナ社
「FDTD 時間領域差分法入門」 橋本 修/阿部琢美 森北出版株式会社
「光導波路の電磁界数値解析法」左貝潤一著 森北出版株式会社

関連科目

光波電子工学特論

授業時間外の学習(準備学習等について)

テキストは出版物(印刷物)がないため、各自ダウンロードすること。
英文なので各自予習をしておくことが好ましい。また、Webページのオンラインドキュメントを参照する場合もあるので、その際にも予習をしておくことが好ましい。
授業中5~10回程度レポート課題を課す。講義時間内に終わらなかった場合には宿題とするので、後日提出すること。

授業の概要

電磁波を効果的に活用するためには電磁界の数値解析手法が不可欠であり、多くの手法が開発されている。本科目では電磁界解析の概要を学ぶとともに、多くの媒質に適用でき、電磁界の時間発展も解析することができるFDTD法の原理について講述する。
あわせて光ファイバ通信システムの解析に用いられるSplit-step Fourier 法の概要について講述する。
また、情報教育教室のPCおよび各自の自席PCを利用し、Meep FDTDを用いた光デバイスの解析の演習とPythonによりSplit-step Fourier 法のプログラムを作成し光ファイバ中の光伝搬解析を行う。Meep FDTDはPython内から使用する。

授業計画

第1回 ・概要説明
・計算環境の整備:MEEP とPython開発環境のセットアップ
MEEP FDTD, Python, PyDev
準備学習等 特になし
第2回 計算誤差
Numerical Artifacts
〜計算機を信じてはいけない〜
準備学習等 Text: chapter 1 を予習しておくこと
第3回 電磁界解析の精度
Brief Review of Time domain simulation
〜計算機をウソツキにしないために知っておくべきこと〜
ref.
T. Weiland, et al., “A practical guide to 3-D simulation,” IEEE Microwave Magazine, 9 (2008) 62–75.
Munteanu, et al., “It's About Time.” IEEE Microwave Magazine, 11 (2010) 60-69. doi:10.1109/MMM.2010.935775.
準備学習等 左記参考文献を読んでおくこと
第4回 1次元FDTD法
Fundamentals of the FDTD method
準備学習等 Text: chapter 3.1~3.5 を予習しておくこと
第5回 境界条件とPML
Boundary conditions and Perfectly matched layer
準備学習等 Text: chapter 3.6, 6 and 11 を予習しておくこと
第6回 Meep FDTDの概要と実パラメータへの換算
Meep FDTD and scaling of the Maxwell's Equation
準備学習等 MeepのWebサイトでIntroduction,Text: chapter 4 を予習しておくこと
第7回 FFTと透過率の計算
S parameter and Transmission Spectrum
準備学習等 Text: chapter 5.3-5.8 を予習しておくこと
MeepのWebサイトTutorialを見ておくこと
第8回 計算結果の可視化
Visualization of the simulation results
準備学習等 特になし
第9回 波源(入力信号)
Source (Input signal)
準備学習等 MeepのExamplesフォルダのサンプルを取り出しておくこと。
MeepのWebサイトTutorialを見ておくこと
第10回 遠方界
Far field (radiation)
準備学習等 http://ab-initio.mit.edu/wiki/index.php/Meep_Tutorial/Near-to-far-field_spectra
第11回 FDTD法のグリッド分散
Grid Ddispersion
準備学習等 例題をMeep FDTD で行うので、Textbook chapter 7.4を予習しておくこと
第12回 材料分散
Dispersive material
準備学習等 Text: chapter 10 を予習しておくこと
第13回 非線形性媒質
Nonlinearity
準備学習等 主に Kerr 効果の扱いを行うので、Meep FDTD のTutorial を予習しておくこと
第14回 並列化
Parallel Processing
準備学習等 Text: chapter 13 を予習しておくこと
第15回 Split Step Fourier法
Split Step Fourier Method
準備学習等
第16回 (対面)
定期試験:FDTD法の基本知識に関する出題
準備学習等

成績評価

成績は達成目標にもとづき、毎回のレポートの評価(50%)および定期試験(50%)により判定する。
Probrem (50%) + Final Exam (50), Probrem sets are given each week, they are due next week during the recitation.

レポートは、必ず講義で示された期日までに提出する。レポートの得点は正しい結果を示すことで60%となる。これまでに学習した内容を含めテキストの内容に基づいた正しい考察が加わった場合に満点となる。
C (合格) となるためにはレポートと試験それぞれ60%以上の成績が必要であることに加え、レポートの提出数が2/3以上であることが必要である。レポートの内容が不正確である場合には再提出を命じることがある。

備考(実務経験の活用を含む)

オンライン講義を併用して授業を行う場合がある。オンラインの場合は講義時間にZoom等にて質問を受け付ける。
UNIX (Linux)でテキストを編集できること。エディタの種類は問わない。テキスト内はC言語で記述されているが、C言語は使わずPythonを使用する。Pythonの基本は講義で述べるため、Pythonの使用経験がなくても構わない。
講義スケジュールは進捗状況により変更する場合がある。これに合わせ、オンライン実施する日が変更になる場合がある。変更時には前回までに講義・授業支援システムで周知する。
なお、授業開始前日までに受講申請を終えておくこと。