導波路とは

導波路は、電磁波をある場所から別の場所へ導く特殊な構造物であり、多くの場合、2つ以上の部品を接続して情報を伝達するために用いられます。導波路は通常、断面が矩形または円形で、マイクロ波、電波、光波（光導波路）を低損失で伝送します。

導波路が各電磁波を伝搬する方法に影響を与える要因には、以下のようなさまざまなものがあります。

• 導波路の形状
• 導波路のサイズ
• 使用材料の特性（剛性や柔軟性など）

導波路は、同軸ケーブルと混同されることがよくあります。いずれも電磁波を誘導する伝送線路であるためです。しかし、導波路と同軸ケーブルの構造と伝搬方法は異なります。同軸ケーブルは絶縁体で隔てられた2つの導体を用いて電磁波を伝送するのに対し、導波路の内部では電磁波が中空構造内を伝搬し、さまざまな「モード」をとります。光導波路は、2つの材料間の屈折率の差を利用することで、光波を目的地に確実に伝搬させる仕組みになっています。マイクロ波などの用途で使用される非光導波路は、インピーダンスや材料の伝導率を利用して電磁放射を閉じ込め、波を導きます。

本稿では、導波路とは何か、そして現在さまざまな種類の導波路がどのように使用されているかを、特に光導波路に焦点を当てて詳細に考察します。

光導波路は、さまざまな光周波数（多くの場合、赤外領域）で光を伝送する素子であり、光信号のルーティングや制御に広く用いられています。

最も一般的な光導波路は、光通信で使用される光ファイバーです。光ファイバーは慣例的に石英ガラスで製造されており、光をファイバーに沿って導くために、高屈折率のコアと低屈折率のクラッドを備えています。

稀に、平面光導波路も見られます。これらはオンチップ導波路として知られており、シリコンオンインシュレータ、ガリウムヒ素、ニオブ酸リチウム、リン化インジウムなどの半導体チップ上に光導波路が形成されます。オンチップ導波路には、リブ型、ストリップ型、マイクロストリップ型、ロード型、逆リブ型、フォトニック結晶型など、さまざまな形状があります。

他の導波路とは異なる挙動を示すフォトニック結晶は、光導波路の新たな分野として注目されています。フォトニック結晶の中を伝搬できない光は、導波路の屈折率ではなく、この結晶のパターンによって導かれます。また、特定の波長の光は、半導体の電子バンドギャップに類似した結晶のフォトニックバンドギャップによって遮断されます。フォトニック結晶は基本的には「光の半導体」です。

導波路には多くの種類があり、光導波路のほか、マイクロ波周波数、高周波（RF）、およびその他の電磁波を導くために使用される導波路があります。

円形導波路

円形導波路は、主にマイクロ波と電波を横電界（TE）モードおよび横磁界（TM）モードで伝送するために使用される中空管です。波は、多くの場合、金属製の導波路を介して、円形の経路に沿って伝送されます。

この種の導波路は一般に、無線通信、マイクロ波バックホール、レーダー用途で使用されます。

コプレーナ導波路

コプレーナ導波路は、中央の導体ストリップと2つのグラウンドプレーンを持つ導体を備えた矩形導波路であり、すべての導体が基板材料（プリント基板など）の同一面に配置されています。コプレーナ導波路は、マイクロ波デバイス、ミリ波（mmWave）回路、およびモノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）でマイクロ波を伝送するために使用されます。

フレキシブル導波路

フレキシブル導波路は他の導波路とは異なり、より剛性の高い導波路では対応できない限られた空間に収まるように、ねじったり曲げたりすることができます。銅製、真鍮製、またはアルミニウム製で、柔軟な外層を有するフレキシブル導波路は、柔軟性を確保するために波状構造や螺旋構造が採用されているものがあります。しかし、これらの構造は、導波路内に抵抗や信号減衰を引き起こす可能性もあります。

フレキシブル導波路は、ツイスタブル（ねじり可能）、ベンダブル（曲げ可能）、フレキシブルツイスタブル（柔軟性があり、ねじり可能）の3つタイプに分類されます。これらは主に通信および航空宇宙分野でマイクロ波を伝送するために利用されています。

ゼロモード導波路

ゼロモード導波路（ZMW）は、光の波長よりも小さい体積に光を閉じ込める光導波路です。この閉じ込めを実現するために、光の観測体積を縮小する微小な開口部などのナノスケール構造を利用しています。

ZMWは他の光導波路とは異なり、伝搬する光モードをサポートせず、代わりにプラズモニクス、量子光学、単一分子または蛍光イメージングに用いられています。

誘電体導波路

誘電体導波路は、光ファイバーやオンチップ導波路を構築するために使用されている円筒形の導波路であり、高屈折率のコアと低屈折率のクラッドを備えています。光波は、全反射の原理により伝搬します。つまり、光が密度の高い媒体から密度の低い媒体へ移動しようとすると、その界面で反射し、密度の高い媒体に戻されます。これにより、光波がファイバーコア内に閉じ込められ、低損失での長距離伝送が可能となります。誘電体導波路は光通信や集積光学で広く利用されています。

すべての導波路は、モードを介して電磁波を伝搬させます。光導波路におけるモードとは、光が導波路内を伝搬する際に取る形状を指します。導波路が小さいほどモード数は少なくなりますが、大きい導波路ほどより多くの伝搬モードをサポートします。光モードの場合、導波路全体で断面形状が一定であることが不可欠です。断面形状が変化すると、散乱が発生し、導波路内の減衰（信号損失）に影響が及ぶためです。

横電界モードと横磁界モード

横電界（TE）モードと横磁界（TM）モードは、マイクロ波を伝搬させるために用いられている2つの一般的な導波路モードです。両方を組み合わせたモードはTEMモードとして知られています。これらのモードは光導波路でも見られることがあります。

TEモードとTMモードは、伝搬中の電磁界の方向によって定義されます。電磁界は、特定の時間に特定の方向を指し示すベクトルです。TEモードでは、電界が波の伝搬方向（水平または垂直）に対して横方向（垂直方向）にあり、TMモードでは、磁界が伝搬方向に対して横方向にあります。光導波路では、マイクロ波や電波の伝搬におけるモードとは異なり、TEモードまたはTMモードの近似である準TEモードおよび準TMモードがとられることがあります。

シングルモードファイバーとマルチモードファイバー

光ファイバー導波路では、光がシングルまたはマルチモードのいずれかで伝搬します。シングルモードファイバーは非常に小さなコアを持ち、マルチモードファイバーははるかに大きなコアを持ちます。シングルモードファイバーは、シリコンフォトニクスや長距離光通信に使用されています。これは、より小さなコアがサポートするモードの数が少なく、光（およびその中に含まれる情報）が効率的に長距離を伝送できるからです。しかし、コアが小さいため、光を導波路に入射させるのは困難です。光をパルス化してファイバーに入射させるには、特殊なレーザーと光学部品が必要になります。

一方、マルチモードファイバーは長距離通信には適していません。これは、複数のモードが存在すると、光のパルスが異なる速度で伝播し、拡散するからです。マルチモードファイバーは、ローカルエリアネットワーク（LAN）やデータセンターなどの短距離通信ネットワークに適しています。

導波路（光学式と非光学式の両方）には、以下のようなさまざまな用途があります。

• 光通信（電気通信）
• フォトニック集積回路（PIC）
• 光学センサー
• レーザー
• 干渉計
• レーダー
• マイクロ波およびRF通信
• プリント基板（PCB）
• 光回路
• 光送信機
• テラヘルツ（THz）通信
• 拡張現実（AR）や仮想現実（VR）などの複合現実システム。これらは、従来の導波路とは異なる、より大きな導波路（ライトガイドと呼ばれる）を使用している。

光通信

光通信は、誘電体導波路を使用して、光をある場所から別の場所へ導き、システム間で情報を転送する最大の商業応用分野の1つです。シングルモードファイバーは長距離通信に、マルチモードファイバーは短距離通信に使用されます。

符号化された情報は、半導体レーザーが生成した光パルスに載せられて光ファイバーに送られます。この情報は、レーザーの駆動電流を変調するか、またはレーザーとは別の外部変調器を使用して、光信号に符号化されます。その後、この光波はファイバーを通過し、フォトダイオードやトランスインピーダンス増幅器を搭載した導波路受信機によって受信されます。これらの受信機は、ファイバーからの高周波光信号を電気信号に変換することで、データ伝送を実現します。

光導波路の材料特性は重要です。また、適切な屈折率に加えて、材料の吸収特性も重要です。これは、光の吸収が多すぎると信号損失が発生するからです。導波路が透明で、ガラスや透明なプラスチックで作られているのは、このためです。不透明なクラッド材は過度の光を吸収し、ファイバーに過度の減衰を引き起こす可能性があります。

ほとんどの光通信（電気通信など）は導波路を使用しますが、すべての光通信技術が導波路を必要とするわけではありません。代表的な例として、空気中（すなわち自由空間）に光を伝搬させ、送信機と受信機の間でデータを伝送する自由空間光（FSO）通信が挙げられます。

フォトニック集積回路

光導波路は、フォトニック集積回路（PIC）においても、回路の「配線」として使用されています。これは、電子集積回路（IC）の従来の配線と同じ役割を果たしますが、電子ではなく光を介して信号を伝送します。この導波路は、PIC上のさまざまな部品を接続するために用いられます。

光ファイバーのモードサイズはPICよりもはるかに大きいため、光の焦点を調整するレンズなどの部品を用いて、PICを光ファイバーと結合することがよくあり、光をより小さなスケールに集束させることで、損失を減らしています。

PICには、導波路を使用する多くの部品が組み込まれています。具体的には、以下のものがあります。

• スプリッタ：1本の導波路からの光波を2本の導波路に分ける。
• カプラ：2本の異なる導波路からの光波を1本の導波路に統合する。
• リング共振器：円形または楕円形の形状をしており、PIC上でフィルタまたは変調器として使用される。
• スパイラル導波路：PIC上で信号を遅延させる。
• 格子カプラ：チップから光ファイバーへ、または光ファイバーからチップへ光を垂直方向に結合する。
• 光スイッチ：導波路内の屈折率を変化させ、光信号をPIC内で制御し、ルーティングする。

光学センサー

光導波路は光学センサーに広く使用されています。化学センシングにおいては、気体または液体分子が存在すると、検出可能な応答が生じます。これらの分子は導波路と結合するか、干渉を引き起こし、導波路内の屈折率を変化させます。これを測定し、定量化することで、目的の化学種を特定することができます。光導波路を使用する他の一般的な用途には、光検出および測距（LiDAR）、ビジョンセンサー、光ファイバーセンサーなどがあります。

光導波路の製造には、以下の技術が使用されます。

• リソグラフィ
• レーザー描画
• 薄膜堆積
• 光ファイバー線引き
• 直接描画法

オンチップの光導波路に使用される半導体チップは、従来のICチップの製造に用いられているのと同じ半導体製造技術によって製造されています。 具体的には、以下の技術が用いられています。

• フォトリソグラフィ
• プラズマエッチング
• 反応性イオンエッチング（RIE）
• 化学気相成長（CVD）
• 有機金属気相成長（MOCVD）
• 物理蒸着（PVD）
• 原子層堆積（ALD）
• 分子線エピタキシー（MBE）

導波路の表面粗さが散乱や光損失を引き起こす可能性があるため、製造プロセスの精度が極めて重要です。半導体と同様に、高感度を維持し、汚染を防ぐためには、製造プロセスと環境の両方が非常に重要になります。

モードソルバーを使用することで、導波路をシミュレーションし、そのモードを予測することができます。Ansys Lumerical製品は、エンジニアが光導波路をシミュレーションするのに役立ち、高周波電磁界シミュレーションソフトウェアであるAnsys HFSSは、RFおよびマイクロ波シミュレーションに使用できます。エンジニアは、シミュレーションを用いることで、広範な試行錯誤のプロトタイピングを必要とせずに、導波路をより適切に設計することができます。

例として、シミュレーションソフトウェアで実現できることを以下に示します。

• さまざまな材料とサイズの多様な導波路の設計
• XおよびY導波路の断面の最適化（たとえば、伝搬がZ方向の場合）
• 導波路で使用するモード（TEモード、TMモード、シングルモード、またはマルチモード）の計算
• 光が移動する導波路のモードの伝搬定数と実効屈折率の計算
• 電界のX、Y、Z成分を含む、導波路の電界プロファイルを計算
• 伝搬波に干渉がないことの確認
• 導波路の曲げによって生じる損失など、潜在的な損失の計算

導波路の特性を調査するとともに、導波路が組み込まれるシステムをシミュレーションすることで、より優れたオンチップ設計を開発することもできます。

たとえば、シミュレーションを活用することで、モードが導波路を伝搬する様子を調べることができます。スプリッタやカプラでの光の挙動を見て、光が効率的に結合または分割されることを確認し、より大きな光学系またはフォトニック系内の損失を最小限に抑えることもできます。

また、光回路を設計する際には、シミュレーションを用いて他の部品を解析することで、それらが意図した用途に最適な特性、機能、特徴を備えているかどうかを確認することができます。

シミュレーションが高度な導波路の設計と最適化にどのように役立つかを知りたい方は、Ansysの技術チームに今すぐお問い合わせください。

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