Theses supervised by Prof. Dr. Hamza Kurt
44 theses · TOBB Economics and Technology University
Metayüzeylerin tasarımı ve optoelektronik aygıt uygulamaları
Son zamanlarda, meta-yüzeyler ışığın dalga boyundan daha küçük ölçeklerde ışığın faz, genlik ve polarizasyonunu modüle etmek için ümit vaat eden bir yöntem olarak ortaya çıkmıştır. Meta-yüzeyleri, ışığın fazını eğimli optik yol boyunca toplayarak manipule eden geleneksel optik malzemelerle karşılaştırdığımızda nano boyutlu antenlerden oluşan meta-yüzeyler düz bir yüzey boyunca ışığı kontrol ederler. Bununla birlikte, tamamen dielektrikten oluşan metayüzeyler geleneksel optik elementlerin yerine kayıplı plazmonik bileşenlerden daha iyi olan ve daha az üretim zorluğu getiren çok ince metayüzeylerin kullanılmasına yol açmaktadır. Genel metayüzey yaklaşımı olan çapları değişen nano sütunlardan oluşan metayüzey yerine farklı yaklaşım olarak nano delik yapılar denenmiştir. Nano delik ile tasarlanan mercek yapısı ile görünür bölgede 70% üzerinde odaklama verimliliği elde edilmiştir. Ayrıca karşılaştırmalı olarak nano sütun ve nano delik ile oluşturulan iki farklı metayüzey incelenmiş ve nano delik ile oluşturulan yapıların daha iyi performans sağladığı gösterilmiştir. Geleneksel optik malzemeler ile ayarlanabilir odak uzunluğu çalışmaları mevcuttur. Tezin üçüncü kısmında, Moiré mercek yapısı metayüzey yaklaşımı ile yeniden tasarlanmıştır. Birbirlerine dik olarak yerleştirilen iki zıt faza sahip metayüzeyden oluşan yapı metayüzeylerden birinin kendi ekseni etrafında dönmesi ile farklı odak oluşturur. Yapının odak noktası değişimi ve performansı incelenmiştir.Ayrıca, çok odaklı ayarlanabilir sistem önerilmiştir. Bu yapı sayesinde çok odak ve tek odaklı bir sitem elde edilebilir. Güneş pilleri, gelen ışığın faklı dalgaboylarına ayrılması ve her bir dalgaboyunun uygun foto-voltaik malzemeler tarafından soğurulmasıyla daha verimli çalışırlar. Tezin dördüncü bölümünde ışığı dalgaboylarına ayrıştırmak için metayüzey tabanlı bir tasarım önerilmiştir. Bu tasarımda ışığı öncelikle bükücü bir metayüzey ile faklı açılarda bükerek ayırmayı daha sonra ayrılan farklı dalgaboyuna sahip hüzmeleri uygun bir düzlemde odaklamaya çalışılmıştır. foto-voltaik malzemeler üzerine meta-yüzey tabanlı bir mercek ile odaklanması gösterilmiştir. Işığın doğada bir doğru boyunca ilerlemediği hüzme türleri çeşitli yöntemlerle gerçekleştirilmiştir. Tezin beşinci bölümünde doğrusal olarak hareket etmeyen Bessel tipi ışınlar metayüzey tabanlı bir tasarımla üretilmiştir. Tasarlanan metayüzeyler sahip oldukları özel faz dağılımları ile ışığa başlangıç fazı sağlayacak ve ışık istenilen yörüngede hareket ettirmiştir. Tasarlanan metayüzey karekteri nedeniyle geniş dalga boyu aralığında bu tarz ışınları üretmiştir. Tezin altıncı bölümünde Baş Üstü Gösterge tasarımı yapılmıştır. Geleneksel elemanların aksine daha az yer kaplayan ve daha verimli olan dalga kılavuzu yapılı sistem tasarlanmıştır. Dalga kılavuzu ve ızgara yapıları ile tasarlanan yapının çalışması gösterilmiştir.
Hava araçları için optik arayüz kullanarak sanal küresel seyrüsefer uydu verisi oluşturma
Bu çalışmada, hava araçlarının küresel seyrüsefer uydu sistemi (Global Navigation Satellite System, GNSS) verileri karıştırıldığı durumlarda kullanılmak üzere sanal küresel seyrüsefer uydu sistemi verisi oluşturma amaçlanmıştır. Günümüzde GNSS verileri düşük maliyetli radyo frekansı körelticiler tarafından bozularak, GNSS verilerini kullanan aygıtları kullanılmaz hale getirmektedir. Çalışmada, elektrooptik tabanlı yer istasyonu ile hava aracı arasındaki eğimli mesafe, yükseliş ve yanca açıları hesaplanarak hava aracının konum bilgisi GNSS verilerinden bağımsız bir şekilde belirlenmektedir. Elektrooptik tabanlı bu yapıda 3 farklı sensor kullanılmaktadır. Lazer mesafe ölçer yer istasyonu ile hava aracı arasındaki mesafeyi ölçmek için, manyetik alan ölçer yanca açısını ölçmek için ve ivmeölçer yükseliş açısını ölçmek için kullanılmaktadır. Çalışmada deneysel olarak STEVAL-STLKT01V1 geliştirme kartından elde edilen sensör verileri işlenerek sensörlerin ölçüm hatalarının konum hatasına etkisi analiz edilmiştir. Bu çalışmada yardımcı seyrüsefer sistemi geliştiricilere yöntemler sunulmuş ve sensor ölçüm hatalarının konum hatasına etkisi analiz edilerek, ödünleşim çalışmalarına ışık tutulmuştur.
Pasif optik cihazlardan, dalgaboyu çoğullayıcı, optik modçoğullayıcı/tekilleyici ve optiksel güç bölücü cihazlarınınhedef öncelikli algoritma ile tersine tasarımı ve analizi
Tümleşik fotonik cihazlar, optik ara bağlantılar ve sensörlerden, medikal görüntüleme sistemlerine ve hatta kuantum mekaniği barındıran teknolojilere kadar çok çeşitli uygulamalarda teknolojinin gelişmesi ile gün geçtikçe daha da fazla kilit rol oynamaktadır. Işığın istenilen tayfsal bölgede doğru bir şekilde sezilmesi doğru ve kayıpsız iletimi, yüksek verimlilik ve dayanıklılık günümüz teknolojisinde aranan özellikler olmuştur. Bununla birlikte üretim teknolojileri ve artan malzeme bilgisi ışığında minyatürleşmeye giden teknolojik cihazlarda bu özelliklerin korunması hedeflenmiştir. Ancak, bu optik-fotonik fotonik cihaz tasarım yöntemleri, ne yazık ki dijital elektronik ve havacılık teknolojileri gibi diğer alanların çok gerisinde kalmıştır. Bunun sebeplerinden en önemlisi optimizasyon, bilgisayar gücü ve üretim tekniklerinin son on yılda ancak gelişmesi ve bu cihazlar için kullanılmayı amaçlanması gösterilebilir. Fotonik cihazlar, analitik teoriler ve manuel parametre taramalarının bir kombinasyonu kullanılarak büyük ölçüde elle tasarlanmış ve sonuç olarak yalnızca spesifik parametreler değiştirilerek kısıtlı kütüphaneler oluşturulmuş ve böylece tasarımlar mevcut gerçeklikler üzerinden yapılmıştır. Bunun sonucu olarak ise birkaç on mikrometreden yüzlerce mikrometreleri bulan cihazlar tasarlanmak zorunda kalmış ve bu da günümüz ihtiyaçlarına cevap veremez hale gelmiştir. Tersine tasarım ise günümüzde ihtiyaç haline gelen yüksek performans, düşük güç tüketimi ve boyut hedefine karşılık verecek bir yaklaşım metodudur. Bu tezde, pasif optik-fotonik cihazların tasarımını yukarıda bahsedilen sınırlı tasarım parametresinden kurtararak sayısız değişkenleri barındıran ve tasarımcıya daha önce görülmemiş bir tasarım alanı vadeden tersine tasarım yöntemlerinden biri olan hedef öncelikli algoritma ile yapılmış çalışmalarımız anlatılmaktadır. Bu tasarım yaklaşımında, daha önce ulaşılamamış fonksiyonellik, kompaktlık, sağlamlık ve üretim çeşitliliği mottosu ile tamamen dielektrik pasif optik haberleşme cihazlarının tasarımı gösterilip, fabrikasyon için tasarlanan yapının ayrıklaştırılması üzerine bulgular paylaşılmaktadır. Tezin ilk bölümünde genel konsepte tersine ve geleneksel tasarımları anlatıp literatürden örnekler gösterilip genel anlamda bilgiler sağlanmıştır. Tezin ikinci kısmında ise çalışmalarımızda kullanıp geliştirdiğimiz hedef öncelikli algoritmanın işleyişinden bahsedilmiş olur detayları ve yapıya ulaşma basamakları detaylıca anlatılmıştır. Üçüncü bölümde ise bu algoritma ve simülasyon programları kullanılarak tasarlanan dalgaboyu çoğullayıcı ve tekilleyici sistemleri, mod çoğullayıcı sistemleri ve son olarak optik güç bölücü sistemleri tasarlanmış ve detayları ile açıklanmıştır. Üçüncü bölümün son kısmında ise yapılan diğer çalışmalar ve devam eden çalışmalar hakkında yüzeysel bilgiler verilmiştir. Son bölümde ise yapılan çalışmalar ve yapılabilecekler hakkında öneri ve görüşlerde bulunulmuş ve önümüzdeki on yılda hesaplama gücünün ve optimizasyon tekniklerinin gelişmesi ile nelerle karşılaşacağımız üzerine ön görülerde bulunulmuştur. Anahtar Kelimeler: Tersine dizayn, Optimizasyon, Fotonik, Optik, Dalgaboyu çoğullayıcı/tekilleyici, Optiksel güç bölücü, Mod çoğullayıcı
Kompakt ve az güç tüketen elektro-optik modülatörler için tersine tasarım ile üretilen optik yapı elemanları
Elektro-optik modülatörlerin kullanımı boyut ve verimlilik açısından kısıtlıdır. Elektro-optik modülatörlerin performans kriterleri arasında yer alan dalga kılavuzu uzunluğu ve bu dalga kılavuzuna uygulanan elektrik alanın yarattığı yapıcı ve yıkıcı girişimler bu cihazların en önemli özelliği olan elektro-optik etkiler yoluyla incelenmelidir. Bilindik elektro-optik modülatörlerden biri olan Mach-Zehnder Modülatör bu kapsamda incelenebilir. Mach-Zehnder Modülatörler Y-eklem parçalarından oluşturulabilmektedir. Bu parçalardan Y-eklem yapıların performansından ödün vermeden Y-eklemin kol uzunluğunun kısaltılabilmesi önem arz etmektedir. Kol uzunluğu cihazın boyutuna doğru orantıyla etki edecektir. Aynı şekilde, modülasyon etkisinin kullanılması için ihtiyaç olan aktivasyon gerilimi de boyut değiştikçe değişime uğrayacaktır. Yüzey alanının azalmasıyla beraber, güç tüketimi de azalacak ve böylece maliyet açısından da daha karlı yapılar üretilebilecektir. Bu noktada, tasarımların boyut ve güç olarak daha makul seviyelere çekilebilmesi gerekmektedir. Ortaya çıkan performans sonuçları, sezgisel yöntemle yapılan fotonik tasarımlarla incelenmiştir. Ancak, sezgisel yöntemlerle dene-yanıl yapılarak tasarlanan fotonik sistemler hem performans açısından yetersiz kalabilmekte, hem de belli bir boyuttan daha küçük olamamaktadır. Günümüzde, fotonik tasarımları tersine tasarım yöntemleriyle geliştirerek yapılabilecek tasarımların çeşitliliği artırılabilmektedir. Sezgisel yöntemlerle elde edilen performanslara benzer seviyelerde cihazlar daha küçük boyutlarda ve böylece az güç tüketecek şekilde tasarlanabilmektedir. Bunun için optik ve geometrik parametrelerin değiştirilmesi ve hazırlanacak konfigürasyonda farklılığa gidilerek tasarım tarzının değiştirilmesi gerekmektedir. Topoloji değişikliği yaparak geometri açısından daha başarılı yapılara ulaşılabilmektedir. Kırıcılık indisi dağılımı serbest bırakılarak elektrik alan dağılımı üzerinde yapılan değişimler gözlenerek iteratif algoritmalarla istenilen seviyelerde başarım oranına, istenilen boyutlarda varılabilmektedir. Normalde, sezgisel yöntemle yapılabilen tasarımların çözüm kümesi parametreler ile limitli iken, tersine tasarım topolojisi kullanarak hazırlanan tasarımların parametre uzayı çok daha fazla olmaktadır. Bu sebeple, tez kapsamında elektro-optik modülatörlerin temel fonksiyonları incelenmiş ve burada ortaya çıkan küçültme ve verimlilik sorunlarına tersine tasarım yöntemiyle çözüm getirilmiştir. Tersine tasarım yöntemleri incelenmiş ve yöntemlerden biri olan hedef öncelikli algoritma ile SPINS arasındaki fark anlatılmıştır. Tez çalışmasında kullanılan SPINS ile iki farklı yapı tasarlanmıştır. Yapılan çalışmalarda tasarlanan yapılardan biri 3D yazıcı ile üretilmiş olup deneyler sonucunda ümit verici sonuçlara erişilmiştir. Bu tasarımlar elektro-optik modülatörlerin modellenmesinde farklı konfigürasyonların ve başarılı, kompakt ve az güç tüketen tasarımların önünü açabilir.
Inverse design of photonic structures with particle swarm optimization, objective-first algorithm and deep learning
Photonics is a term that refers to a group of emerging technologies that focus on the storage, transmission, and processing of data using light beams. Photonic devices are components used to create, manipulate, or perceive light. By increasing the functionality of photonic devices, more effective applications can be obtained in many areas of use such as light detection, telecommunications, information processing, photonic computing, lighting, metrology, spectroscopy, holography, medicine, biophotonics, and military technology. Therefore, it is important to examine the interaction of photons with micrometer and nanometer-scale structures. The design of the photonic environment is the first step to be handled in this direction. The traditional design methods suffer from a long design cycle and do not take full advantage of the design space. The lack of a strategy for broadband applications, the inability to overcome complex design problems, and the design of structures in restricted parameter space, limit the performance of devices designed with traditional methods. The inverse design method is proposed to overcome these problems. It is a method based on the question of whether it is possible to design a photonic device whose electromagnetic response is predetermined. Inverse design methods are used to determine the material distributions required for the structure to provide the desired electromagnetic response. In other words, the best structure that gives the predetermined electromagnetic response is generated. In inverse design, a large parameter space is scanned with various optimization algorithms and high-performance devices can be obtained. Convenient optimization methods should be selected for near-optimum designs according to the design requirements of the device and the defined problems. In this thesis, the inverse design of various structures with Particle Swarm Optimization, Objective-first Algorithm, and Artificial Neural Networks is presented. In this context, these methods are given in detail, in the second part of the thesis. In the third part of the thesis, anti-reflective coatings, optical beam splitters, and broadband achromatic lens designs are optimized with the specified methods. The figure of merits for the designed structures are given in detail and compared with the structures in the literature. Besides, using PLA material, a low refractive index lens structure is fabricated with 3D printing and tested at microwave frequencies. The experimental results are agreed with the numerical results. The limits of the used algorithms are founded and expanded.
Zamansal çoklama yöntemiyle küçük boyutlarda cam elyaf polimer katkılı mandrel tabanlı fiber optik akustik algılayıcılarla dizin oluşturulması
Akustik basınç algılama için konvansiyonel yöntemlerde piezo elektrik tabanlı seramikler kullanılmaktadır. Fakat, düşük bütçe, küçük ebat, yüksek hassasiyet ve en önemlisi elektromanyetik girişimlerden etkilenmemesi sebebiyle fiber optik sistemler, akustik ölçümlerde kullanılmaya başlanılmıştır. Fiber optik tabanlı akustik sistemler, liman gözetleme, askeri gemilerde çekili dizin sonarı ve yan dizin sonarı gibi pek çok alanda konvansiyonel sonar çözümlerine alternatif oluşturmaktadır. Askeri alanlardaki başarısının yanısıra fiber optik sistemler deniz altında petrol/gaz arama çalışmaları ve sismik araştırmalarda da kullanılmaktadır. Fiber tabanlı akustik algılama için dünyada FBG (Fiber Bragg Grating) teknolojisi ve mandrel tabanlı girişim (interforemetrik) sistemler üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Yüksek hassasiyeti sebebiyle mandrel tabanlı Mach-Zehnder girişim sistemi bu tez kapsamında tercih edilmiştir. Bu yöndeki bir sistemde lazer ışığı fiber içerisinde iki kısma ayrılmaktadır. Lazer ışığının bir kısmı referans mandrele sarılı fibere giderken diğer kol ise üzerine gelen akustik basınca tepki veren sensör mandrel üzerine sarılı fibere gitmektedir. İki kol arasındaki faz farkı sensör mandrel üzerine gelen akustik dalga hakkında bilgi vermektedir. Tez kapsamında algılayıcı genel tasarımı yapılmış ve sensör kolu olarak kullanılan malzeme yapısı optimize edilmiştir. Farklı malzeme yapıları göz önünde bulundurularak sensör mandrel yapısı analiz edilmiştir. Akustik basınç algılama hassasiyeti ve dayanıklılık göz önünde bulundurularak cam elyaf katkılı polimer (GFRP) sensör mandrel malzemesi olarak tercih edilmiştir. Yapılan literatür araştırmaları sonucunda ulaşabildiğimiz bilgi dahilinde çam elyaf katkılı bir polimerle bu yönde bir çalışmaya rastlanılmamıştır. İlk defa detaylandırılan bu çalışmaların sonuçları umut vericidir. Bu yöndeki bir sistemde akustik bilginin çözümlenebilmesi için girişim düzeneğindeki sensör kolu ve referans kolu arasındaki faz farkı bilgisi elde edilmelidir. Akustik bilginin çözümlenmesinde çevresel etkilerden kaynaklı faz sönümlemesinin de önüne geçebilmek için faz kaynaklı taşıyıcı (PGC, Phase Generated Carrier) yöntemi tez kapsamında kullanılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda yaklaşık -150 dB re rad/µP hassasiyete sahip fiber optik akustik algılayıcılar elde edilmiştir. Algılama için en önemli paremetre olan gürültü seviyesi için hem modelleme yapılmış hem de gerçek veriler toplanmıştır. Çalışmalar sonucunda sistem gürültü seviyesinin 50 dB re µP a/√ Hz altında olduğu görülmüştür. Son olarak bu yöndeki bir sistemin en önemli avantajı algılayıcıların aynı hat üzerinden kolayca çoklanabilmesidir. Bu kapsamda farklı alternatifler üzerine araştırmalar yapılmıştır. En önemli çoklama teknikleri Frekans Bölmeli Çoklama (FDM, Frequency Division Multiplexing), Dalgaboyu Bölmeli Çoklama (WDM, Wavelength Division Multiplexing) ve Zaman Bölmeli Çoklama (TMD, Time Division Multiplexing)'dır. Diğer çoklama yöntemlerine göre ebatların ve maliyetlerin düşmesi dolayısıyla TDM yöntemi tercih edilmiş bu yöntem üzerine çalışmalar yapılmıştır.
Zamansal çoklama yöntemiyle küçük boyutlarda cam elyaf polimer katkılı mandrel tabanlı fiber optik akustik algılayıcılarla dizin oluşturulması
Akustik basınç algılama için konvansiyonel yöntemlerde piezo elektrik tabanlı seramikler kullanılmaktadır. Fakat, düşük bütçe, küçük ebat, yüksek hassasiyet ve en önemlisi elektromanyetik girişimlerden etkilenmemesi sebebiyle fiber optik sistemler, akustik ölçümlerde kullanılmaya başlanılmıştır. Fiber optik tabanlı akustik sistemler, liman gözetleme, askeri gemilerde çekili dizin sonarı ve yan dizin sonarı gibi pek çok alanda konvansiyonel sonar çözümlerine alternatif oluşturmaktadır. Askeri alanlardaki başarısının yanısıra fiber optik sistemler deniz altında petrol/gaz arama çalışmaları ve sismik araştırmalarda da kullanılmaktadır. Fiber tabanlı akustik algılama için dünyada FBG (Fiber Bragg Grating) teknolojisi ve mandrel tabanlı girişim (interforemetrik) sistemler üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Yüksek hassasiyeti sebebiyle mandrel tabanlı Mach-Zehnder girişim sistemi bu tez kapsamında tercih edilmiştir. Bu yöndeki bir sistemde lazer ışığı fiber içerisinde iki kısma ayrılmaktadır. Lazer ışığının bir kısmı referans mandrele sarılı fibere giderken diğer kol ise üzerine gelen akustik basınca tepki veren sensör mandrel üzerine sarılı fibere gitmektedir. İki kol arasındaki faz farkı sensör mandrel üzerine gelen akustik dalga hakkında bilgi vermektedir. Tez kapsamında algılayıcı genel tasarımı yapılmış ve sensör kolu olarak kullanılan malzeme yapısı optimize edilmiştir. Farklı malzeme yapıları göz önünde bulundurularak sensör mandrel yapısı analiz edilmiştir. Akustik basınç algılama hassasiyeti ve dayanıklılık göz önünde bulundurularak cam elyaf katkılı polimer (GFRP) sensör mandrel malzemesi olarak tercih edilmiştir. Yapılan literatür araştırmaları sonucunda ulaşabildiğimiz bilgi dahilinde çam elyaf katkılı bir polimerle bu yönde bir çalışmaya rastlanılmamıştır. İlk defa detaylandırılan bu çalışmaların sonuçları umut vericidir. Bu yöndeki bir sistemde akustik bilginin çözümlenebilmesi için girişim düzeneğindeki sensör kolu ve referans kolu arasındaki faz farkı bilgisi elde edilmelidir. Akustik bilginin çözümlenmesinde çevresel etkilerden kaynaklı faz sönümlemesinin de önüne geçebilmek için faz kaynaklı taşıyıcı (PGC, Phase Generated Carrier) yöntemi tez kapsamında kullanılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda yaklaşık -150 dB re rad/µP hassasiyete sahip fiber optik akustik algılayıcılar elde edilmiştir. Algılama için en önemli paremetre olan gürültü seviyesi için hem modelleme yapılmış hem de gerçek veriler toplanmıştır. Çalışmalar sonucunda sistem gürültü seviyesinin 50 dB re µP a/√ Hz altında olduğu görülmüştür. Son olarak bu yöndeki bir sistemin en önemli avantajı algılayıcıların aynı hat üzerinden kolayca çoklanabilmesidir. Bu kapsamda farklı alternatifler üzerine araştırmalar yapılmıştır. En önemli çoklama teknikleri Frekans Bölmeli Çoklama (FDM, Frequency Division Multiplexing), Dalgaboyu Bölmeli Çoklama (WDM, Wavelength Division Multiplexing) ve Zaman Bölmeli Çoklama (TMD, Time Division Multiplexing)'dır. Diğer çoklama yöntemlerine göre ebatların ve maliyetlerin düşmesi dolayısıyla TDM yöntemi tercih edilmiş bu yöntem üzerine çalışmalar yapılmıştır.
Zamansal çoklama yöntemiyle küçük boyutlarda cam elyaf polimer katkılı mandrel tabanlı fiber optik akustik algılayıcılarla dizin oluşturulması
Akustik basınç algılama için konvansiyonel yöntemlerde piezo elektrik tabanlı seramikler kullanılmaktadır. Fakat, düşük bütçe, küçük ebat, yüksek hassasiyet ve en önemlisi elektromanyetik girişimlerden etkilenmemesi sebebiyle fiber optik sistemler, akustik ölçümlerde kullanılmaya başlanılmıştır. Fiber optik tabanlı akustik sistemler, liman gözetleme, askeri gemilerde çekili dizin sonarı ve yan dizin sonarı gibi pek çok alanda konvansiyonel sonar çözümlerine alternatif oluşturmaktadır. Askeri alanlardaki başarısının yanısıra fiber optik sistemler deniz altında petrol/gaz arama çalışmaları ve sismik araştırmalarda da kullanılmaktadır. Fiber tabanlı akustik algılama için dünyada FBG (Fiber Bragg Grating) teknolojisi ve mandrel tabanlı girişim (interforemetrik) sistemler üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Yüksek hassasiyeti sebebiyle mandrel tabanlı Mach-Zehnder girişim sistemi bu tez kapsamında tercih edilmiştir. Bu yöndeki bir sistemde lazer ışığı fiber içerisinde iki kısma ayrılmaktadır. Lazer ışığının bir kısmı referans mandrele sarılı fibere giderken diğer kol ise üzerine gelen akustik basınca tepki veren sensör mandrel üzerine sarılı fibere gitmektedir. İki kol arasındaki faz farkı sensör mandrel üzerine gelen akustik dalga hakkında bilgi vermektedir. Tez kapsamında algılayıcı genel tasarımı yapılmış ve sensör kolu olarak kullanılan malzeme yapısı optimize edilmiştir. Farklı malzeme yapıları göz önünde bulundurularak sensör mandrel yapısı analiz edilmiştir. Akustik basınç algılama hassasiyeti ve dayanıklılık göz önünde bulundurularak cam elyaf katkılı polimer (GFRP) sensör mandrel malzemesi olarak tercih edilmiştir. Yapılan literatür araştırmaları sonucunda ulaşabildiğimiz bilgi dahilinde çam elyaf katkılı bir polimerle bu yönde bir çalışmaya rastlanılmamıştır. İlk defa detaylandırılan bu çalışmaların sonuçları umut vericidir. Bu yöndeki bir sistemde akustik bilginin çözümlenebilmesi için girişim düzeneğindeki sensör kolu ve referans kolu arasındaki faz farkı bilgisi elde edilmelidir. Akustik bilginin çözümlenmesinde çevresel etkilerden kaynaklı faz sönümlemesinin de önüne geçebilmek için faz kaynaklı taşıyıcı (PGC, Phase Generated Carrier) yöntemi tez kapsamında kullanılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda yaklaşık -150 dB re rad/µP hassasiyete sahip fiber optik akustik algılayıcılar elde edilmiştir. Algılama için en önemli paremetre olan gürültü seviyesi için hem modelleme yapılmış hem de gerçek veriler toplanmıştır. Çalışmalar sonucunda sistem gürültü seviyesinin 50 dB re µP a/√ Hz altında olduğu görülmüştür. Son olarak bu yöndeki bir sistemin en önemli avantajı algılayıcıların aynı hat üzerinden kolayca çoklanabilmesidir. Bu kapsamda farklı alternatifler üzerine araştırmalar yapılmıştır. En önemli çoklama teknikleri Frekans Bölmeli Çoklama (FDM, Frequency Division Multiplexing), Dalgaboyu Bölmeli Çoklama (WDM, Wavelength Division Multiplexing) ve Zaman Bölmeli Çoklama (TMD, Time Division Multiplexing)'dır. Diğer çoklama yöntemlerine göre ebatların ve maliyetlerin düşmesi dolayısıyla TDM yöntemi tercih edilmiş bu yöntem üzerine çalışmalar yapılmıştır.
Yapay zeka ile metamalzeme ve metayüzey yapılarının tasarımı
Metamalzemeler, doğal yollarla oluşturulamayacak, negatif veya sıfır kırılma indisi, görünmezlik ve perdeleme gibi yeni optik niteliklere sahip malzemelere erişme imkanı sağlayabilmektedir. Metamalzemelere bu özellikleri kazandırabilmek için gerekli Maxwell denklemlerinin çözümü ve süreç optimizasyonunun deneme-yanılma sistemine bağımlı olması insan faktörünün yeteneklerinin kısıtıyla birleşince yeni optik özellikli metamalzemelerin gelişimi yavaş ilerlemekteydi. Son on yılda kripto para evreninin güdümüyle gelişen ekran kartları yapay zeka ve derin öğrenme evrenini geliştirmiştir. Bu gelişim sonlu eleman modelleme, sonlu fark zaman alanı yöntemleri ile geliştirilen algoritmaların derin öğrenme ve yapay zeka uygulamalarıyla hızlandırılmasına ve yeni metamalzeme keşfetme sürecinin hızlanmasına yardımcı olmuştur. Yüksek odaklama verimliliğine sahip geniş bant, düşük indisli lens tasarımına yönelik hedef öncelikli algoritma kullanılarak 3.2um-16um tasarım alanında 10.000 iterasyon yapılarak 1300-1700nm dalga boylarında akromatik lens Lumerical programı ile %80 verimlilik ve 0.7 açıklık ile başarılmıştır. Nano yapının üretim imkansızlığını gidermek için Bruggeman uygulaması yapılarak yine %80 verimlilik ve 0.7 açıklık ile başarılmıştır. Simulasyon verileri 13.300 kat büyütülerek üretilerek test edilmiş ve %65 verimlilik 0.71 Enine Elektrik ve 0.69 Enine Manyetik polarizasyonda başarılmıştır. Yine yüksek indisli lens tasarımı hedef öncelikli algoritma ile yapılmış ve 0.8um-9.6um tasarım alanında 1.2um odak uzaklığı mesafesinde 1.86 açıklık değeri ile tasarlanmış ve tasarım parametrelerinden yalnızca %4 verim farkı ile üretilip denenmiştir. Si02 yüzey üzerine TiO2 silindirler kullanılarak tasarlanmak istenen bir ışın bölücü için Lumerical programıyla 13767 simulasyon bir hafta gibi uzun bir sürede oluşturulmuştur. Bu verilerden 11014'ü derin öğrenme algoritmalarıyla çoğaltılarak Lumerical programında 60 yıl sürecek 6.2milyon veri 1 saat gibi bir sürede oluşturularak silindirik yapıların boyutları belirlenerek ışın bölücü tasarlanmıştır.
Yapay zeka ile metamalzeme ve metayüzey yapılarının tasarımı
Metamalzemeler, doğal yollarla oluşturulamayacak, negatif veya sıfır kırılma indisi, görünmezlik ve perdeleme gibi yeni optik niteliklere sahip malzemelere erişme imkanı sağlayabilmektedir. Metamalzemelere bu özellikleri kazandırabilmek için gerekli Maxwell denklemlerinin çözümü ve süreç optimizasyonunun deneme-yanılma sistemine bağımlı olması insan faktörünün yeteneklerinin kısıtıyla birleşince yeni optik özellikli metamalzemelerin gelişimi yavaş ilerlemekteydi. Son on yılda kripto para evreninin güdümüyle gelişen ekran kartları yapay zeka ve derin öğrenme evrenini geliştirmiştir. Bu gelişim sonlu eleman modelleme, sonlu fark zaman alanı yöntemleri ile geliştirilen algoritmaların derin öğrenme ve yapay zeka uygulamalarıyla hızlandırılmasına ve yeni metamalzeme keşfetme sürecinin hızlanmasına yardımcı olmuştur. Yüksek odaklama verimliliğine sahip geniş bant, düşük indisli lens tasarımına yönelik hedef öncelikli algoritma kullanılarak 3.2um-16um tasarım alanında 10.000 iterasyon yapılarak 1300-1700nm dalga boylarında akromatik lens Lumerical programı ile %80 verimlilik ve 0.7 açıklık ile başarılmıştır. Nano yapının üretim imkansızlığını gidermek için Bruggeman uygulaması yapılarak yine %80 verimlilik ve 0.7 açıklık ile başarılmıştır. Simulasyon verileri 13.300 kat büyütülerek üretilerek test edilmiş ve %65 verimlilik 0.71 Enine Elektrik ve 0.69 Enine Manyetik polarizasyonda başarılmıştır. Yine yüksek indisli lens tasarımı hedef öncelikli algoritma ile yapılmış ve 0.8um-9.6um tasarım alanında 1.2um odak uzaklığı mesafesinde 1.86 açıklık değeri ile tasarlanmış ve tasarım parametrelerinden yalnızca %4 verim farkı ile üretilip denenmiştir. Si02 yüzey üzerine TiO2 silindirler kullanılarak tasarlanmak istenen bir ışın bölücü için Lumerical programıyla 13767 simulasyon bir hafta gibi uzun bir sürede oluşturulmuştur. Bu verilerden 11014'ü derin öğrenme algoritmalarıyla çoğaltılarak Lumerical programında 60 yıl sürecek 6.2milyon veri 1 saat gibi bir sürede oluşturularak silindirik yapıların boyutları belirlenerek ışın bölücü tasarlanmıştır.
Yapay zeka ile metamalzeme ve metayüzey yapılarının tasarımı
Metamalzemeler, doğal yollarla oluşturulamayacak, negatif veya sıfır kırılma indisi, görünmezlik ve perdeleme gibi yeni optik niteliklere sahip malzemelere erişme imkanı sağlayabilmektedir. Metamalzemelere bu özellikleri kazandırabilmek için gerekli Maxwell denklemlerinin çözümü ve süreç optimizasyonunun deneme-yanılma sistemine bağımlı olması insan faktörünün yeteneklerinin kısıtıyla birleşince yeni optik özellikli metamalzemelerin gelişimi yavaş ilerlemekteydi. Son on yılda kripto para evreninin güdümüyle gelişen ekran kartları yapay zeka ve derin öğrenme evrenini geliştirmiştir. Bu gelişim sonlu eleman modelleme, sonlu fark zaman alanı yöntemleri ile geliştirilen algoritmaların derin öğrenme ve yapay zeka uygulamalarıyla hızlandırılmasına ve yeni metamalzeme keşfetme sürecinin hızlanmasına yardımcı olmuştur. Yüksek odaklama verimliliğine sahip geniş bant, düşük indisli lens tasarımına yönelik hedef öncelikli algoritma kullanılarak 3.2um-16um tasarım alanında 10.000 iterasyon yapılarak 1300-1700nm dalga boylarında akromatik lens Lumerical programı ile %80 verimlilik ve 0.7 açıklık ile başarılmıştır. Nano yapının üretim imkansızlığını gidermek için Bruggeman uygulaması yapılarak yine %80 verimlilik ve 0.7 açıklık ile başarılmıştır. Simulasyon verileri 13.300 kat büyütülerek üretilerek test edilmiş ve %65 verimlilik 0.71 Enine Elektrik ve 0.69 Enine Manyetik polarizasyonda başarılmıştır. Yine yüksek indisli lens tasarımı hedef öncelikli algoritma ile yapılmış ve 0.8um-9.6um tasarım alanında 1.2um odak uzaklığı mesafesinde 1.86 açıklık değeri ile tasarlanmış ve tasarım parametrelerinden yalnızca %4 verim farkı ile üretilip denenmiştir. Si02 yüzey üzerine TiO2 silindirler kullanılarak tasarlanmak istenen bir ışın bölücü için Lumerical programıyla 13767 simulasyon bir hafta gibi uzun bir sürede oluşturulmuştur. Bu verilerden 11014'ü derin öğrenme algoritmalarıyla çoğaltılarak Lumerical programında 60 yıl sürecek 6.2milyon veri 1 saat gibi bir sürede oluşturularak silindirik yapıların boyutları belirlenerek ışın bölücü tasarlanmıştır.
Görünür ve kızılötesi spektrumda metayüzey tasarım ve analizi
İletim ve yansıma modunda tasarlanabilen metayüzeyler ışığın faz, polarizasyon ve genliğinin eşsiz bir şekilde kontrolünü sağlarlar. Bu etkin özelliklerinden dolayı, metayüzeyler ışık kontrolünde çeşitli optik fonksiyonlar için fevkalade ilgi çekmişlerdir. Bu tez kapsamında metalik ve tamamen dielektrik malzemelerden oluşan metayüzeyler tasarlanarak görünür ve kızılötesi bantta ışık bükme, odaklama, düzlem dalgadan girdap ışık demeti oluşturma, hüzme ayırıcı ve asimetrik ışık iletimi gibi çeşitli optik uygulamalar gerçekleştirilmiştir. Gelişmiş optik uygulamalarda tek yönlü ışık iletimi önemli bir ihtiyaç haline gelmiştir. Tezin üçüncü bölümünde, görünür dalgaboyunda geniş bantlı ve polarizasyon bağımsız bir asimetrik iletim mekanizması gösterilmiştir. Safir alttaş üzerine periyodik olarak yerleştirilmiş yamuk şekilli alüminyum metallerden oluşan metayüzey her iki aydınlatma yönü için istenilen optik tepkiyi elde etmek için tasarlanmıştır. Metayüzeyin asimetrik iletim dalgaboyu aralığı Wood-Rayleigh anomali ile ilgilidir. Bu tasarım tüm görünür batta %50'den fazla ileri yön iletimine, %28'den az ters yön iletimine ve 3 dB'den büyük kontrast oranına sahiptir. Işın ayırıcı interferometre ve spektroskop gibi çeşitli optik sistemlerde gerekli bir bileşendir. Tezin dördüncü bölümünde, görünür bantta polarizasyon bağımsız faz gradyan tamamen dielektrik metayüzey kullanarak oluşturulan ışın ayırıcı önerilmiş ve analiz edilmiştir. Metayüzey periyodik olarak sıralanmış birim hücrelerden oluşmaktadır ve metayüzeyde komşu birim hücreler arasındaki faz farkı π radyandır. Metayüzeydeki faz gradyanın işareti periyodik olarak değişmektedir. İki tarafa ayrılan ışınların toplam iletimleri ve ayrılma açılarının %90 ve ± 46.8° olduğu belirlenmiştir. Tezin beşinci bölümünde, görünür batta cam alttaş üzerine yerleştirilen tamamen dielektrik faz gradyan metayüzeyden oluşan asimetrik iletim yapısı önerilmiştir. Bu yapının çalışma performansını incelemek için elektromanyetik dalga ve ışın analiz teknikleri birlikte kullanılmıştır. Yüksek kontrastlı geniş bantlı asimetrik iletimin 500 nm - 715 nm dalgaboyu aralığında gerçekleştiği gösterilmiştir. Özellikle, 532 nm dalgaboyunda ileri ve ters uyarımlar arasındaki iletim farkı yaklaşık %90'dır. Tezin altıncı bölümünde, iletim davranışı geometrik ve yapısal değişiklikler olmadan harici uyarımla ayarlanabilen bir orta kızılötesi filtre önerilmiştir. Filtrenin oda sıcaklığında bir optik diyot gibi davrandığı, bununla birlikte ısıl olarak tetiklenen vanadyum dioksitin faz geçişi nedeniyle çift yönlü izolatör gibi çalıştığı gösterilmiştir. Önerilen filtre hassas kızılötesi sensörleri korumak için akıllı kızılötesi yapı olarak kullanılabilir. Bu tezin yedinci bölümünde, kızılötesi spektrumunda faz geçiş materyali olan vanadyum dioksit kullanılarak ayarlanabilir bir düzlemsel katmanlı ince film yapısı gösterilmiştir. Saçılma rezonanslarında 400 nm dalgaboyu kayması elde edilmiştir. Düzlemsel katmanlı ince filme bir metayüzey katman eklenerek, bu modifiye edilmiş tasarımın iletim ve yansıtma özellikleri teorik olarak incelenmiştir. Düzlemsel katmanlı ince film yapısına kıyasla, iletim kontrastı, Mie tipi saçılma nedeniyle artmıştır.
Görünür ve kızılötesi spektrumda metayüzey tasarım ve analizi
İletim ve yansıma modunda tasarlanabilen metayüzeyler ışığın faz, polarizasyon ve genliğinin eşsiz bir şekilde kontrolünü sağlarlar. Bu etkin özelliklerinden dolayı, metayüzeyler ışık kontrolünde çeşitli optik fonksiyonlar için fevkalade ilgi çekmişlerdir. Bu tez kapsamında metalik ve tamamen dielektrik malzemelerden oluşan metayüzeyler tasarlanarak görünür ve kızılötesi bantta ışık bükme, odaklama, düzlem dalgadan girdap ışık demeti oluşturma, hüzme ayırıcı ve asimetrik ışık iletimi gibi çeşitli optik uygulamalar gerçekleştirilmiştir. Gelişmiş optik uygulamalarda tek yönlü ışık iletimi önemli bir ihtiyaç haline gelmiştir. Tezin üçüncü bölümünde, görünür dalgaboyunda geniş bantlı ve polarizasyon bağımsız bir asimetrik iletim mekanizması gösterilmiştir. Safir alttaş üzerine periyodik olarak yerleştirilmiş yamuk şekilli alüminyum metallerden oluşan metayüzey her iki aydınlatma yönü için istenilen optik tepkiyi elde etmek için tasarlanmıştır. Metayüzeyin asimetrik iletim dalgaboyu aralığı Wood-Rayleigh anomali ile ilgilidir. Bu tasarım tüm görünür batta %50'den fazla ileri yön iletimine, %28'den az ters yön iletimine ve 3 dB'den büyük kontrast oranına sahiptir. Işın ayırıcı interferometre ve spektroskop gibi çeşitli optik sistemlerde gerekli bir bileşendir. Tezin dördüncü bölümünde, görünür bantta polarizasyon bağımsız faz gradyan tamamen dielektrik metayüzey kullanarak oluşturulan ışın ayırıcı önerilmiş ve analiz edilmiştir. Metayüzey periyodik olarak sıralanmış birim hücrelerden oluşmaktadır ve metayüzeyde komşu birim hücreler arasındaki faz farkı π radyandır. Metayüzeydeki faz gradyanın işareti periyodik olarak değişmektedir. İki tarafa ayrılan ışınların toplam iletimleri ve ayrılma açılarının %90 ve ± 46.8° olduğu belirlenmiştir. Tezin beşinci bölümünde, görünür batta cam alttaş üzerine yerleştirilen tamamen dielektrik faz gradyan metayüzeyden oluşan asimetrik iletim yapısı önerilmiştir. Bu yapının çalışma performansını incelemek için elektromanyetik dalga ve ışın analiz teknikleri birlikte kullanılmıştır. Yüksek kontrastlı geniş bantlı asimetrik iletimin 500 nm - 715 nm dalgaboyu aralığında gerçekleştiği gösterilmiştir. Özellikle, 532 nm dalgaboyunda ileri ve ters uyarımlar arasındaki iletim farkı yaklaşık %90'dır. Tezin altıncı bölümünde, iletim davranışı geometrik ve yapısal değişiklikler olmadan harici uyarımla ayarlanabilen bir orta kızılötesi filtre önerilmiştir. Filtrenin oda sıcaklığında bir optik diyot gibi davrandığı, bununla birlikte ısıl olarak tetiklenen vanadyum dioksitin faz geçişi nedeniyle çift yönlü izolatör gibi çalıştığı gösterilmiştir. Önerilen filtre hassas kızılötesi sensörleri korumak için akıllı kızılötesi yapı olarak kullanılabilir. Bu tezin yedinci bölümünde, kızılötesi spektrumunda faz geçiş materyali olan vanadyum dioksit kullanılarak ayarlanabilir bir düzlemsel katmanlı ince film yapısı gösterilmiştir. Saçılma rezonanslarında 400 nm dalgaboyu kayması elde edilmiştir. Düzlemsel katmanlı ince filme bir metayüzey katman eklenerek, bu modifiye edilmiş tasarımın iletim ve yansıtma özellikleri teorik olarak incelenmiştir. Düzlemsel katmanlı ince film yapısına kıyasla, iletim kontrastı, Mie tipi saçılma nedeniyle artmıştır.
Görünür ve kızılötesi spektrumda metayüzey tasarım ve analizi
İletim ve yansıma modunda tasarlanabilen metayüzeyler ışığın faz, polarizasyon ve genliğinin eşsiz bir şekilde kontrolünü sağlarlar. Bu etkin özelliklerinden dolayı, metayüzeyler ışık kontrolünde çeşitli optik fonksiyonlar için fevkalade ilgi çekmişlerdir. Bu tez kapsamında metalik ve tamamen dielektrik malzemelerden oluşan metayüzeyler tasarlanarak görünür ve kızılötesi bantta ışık bükme, odaklama, düzlem dalgadan girdap ışık demeti oluşturma, hüzme ayırıcı ve asimetrik ışık iletimi gibi çeşitli optik uygulamalar gerçekleştirilmiştir. Gelişmiş optik uygulamalarda tek yönlü ışık iletimi önemli bir ihtiyaç haline gelmiştir. Tezin üçüncü bölümünde, görünür dalgaboyunda geniş bantlı ve polarizasyon bağımsız bir asimetrik iletim mekanizması gösterilmiştir. Safir alttaş üzerine periyodik olarak yerleştirilmiş yamuk şekilli alüminyum metallerden oluşan metayüzey her iki aydınlatma yönü için istenilen optik tepkiyi elde etmek için tasarlanmıştır. Metayüzeyin asimetrik iletim dalgaboyu aralığı Wood-Rayleigh anomali ile ilgilidir. Bu tasarım tüm görünür batta %50'den fazla ileri yön iletimine, %28'den az ters yön iletimine ve 3 dB'den büyük kontrast oranına sahiptir. Işın ayırıcı interferometre ve spektroskop gibi çeşitli optik sistemlerde gerekli bir bileşendir. Tezin dördüncü bölümünde, görünür bantta polarizasyon bağımsız faz gradyan tamamen dielektrik metayüzey kullanarak oluşturulan ışın ayırıcı önerilmiş ve analiz edilmiştir. Metayüzey periyodik olarak sıralanmış birim hücrelerden oluşmaktadır ve metayüzeyde komşu birim hücreler arasındaki faz farkı π radyandır. Metayüzeydeki faz gradyanın işareti periyodik olarak değişmektedir. İki tarafa ayrılan ışınların toplam iletimleri ve ayrılma açılarının %90 ve ± 46.8° olduğu belirlenmiştir. Tezin beşinci bölümünde, görünür batta cam alttaş üzerine yerleştirilen tamamen dielektrik faz gradyan metayüzeyden oluşan asimetrik iletim yapısı önerilmiştir. Bu yapının çalışma performansını incelemek için elektromanyetik dalga ve ışın analiz teknikleri birlikte kullanılmıştır. Yüksek kontrastlı geniş bantlı asimetrik iletimin 500 nm - 715 nm dalgaboyu aralığında gerçekleştiği gösterilmiştir. Özellikle, 532 nm dalgaboyunda ileri ve ters uyarımlar arasındaki iletim farkı yaklaşık %90'dır. Tezin altıncı bölümünde, iletim davranışı geometrik ve yapısal değişiklikler olmadan harici uyarımla ayarlanabilen bir orta kızılötesi filtre önerilmiştir. Filtrenin oda sıcaklığında bir optik diyot gibi davrandığı, bununla birlikte ısıl olarak tetiklenen vanadyum dioksitin faz geçişi nedeniyle çift yönlü izolatör gibi çalıştığı gösterilmiştir. Önerilen filtre hassas kızılötesi sensörleri korumak için akıllı kızılötesi yapı olarak kullanılabilir. Bu tezin yedinci bölümünde, kızılötesi spektrumunda faz geçiş materyali olan vanadyum dioksit kullanılarak ayarlanabilir bir düzlemsel katmanlı ince film yapısı gösterilmiştir. Saçılma rezonanslarında 400 nm dalgaboyu kayması elde edilmiştir. Düzlemsel katmanlı ince filme bir metayüzey katman eklenerek, bu modifiye edilmiş tasarımın iletim ve yansıtma özellikleri teorik olarak incelenmiştir. Düzlemsel katmanlı ince film yapısına kıyasla, iletim kontrastı, Mie tipi saçılma nedeniyle artmıştır.
Fotonik yapıların hedef-ilk algoritması ile tersine tasarımı
Fotonik aygıtlar entegre optik devrelerin tasarımında kullanılan temel elemanlardır. Sezgisel olarak parametre uzayının taranması veya sezgisel olmayan eniyileme algoritmalarının kullanılması fotonik aygıt tasarım yöntemleridir. Sezgisel yöntemlerde fotonik yapının boyut, dielektrik sabiti gibi yapısal parametrelerin deneme-yanılma yöntemi ile incelenmesi ile tasarım gerçekleştirilir. Bu yöntemler iyi bir başlangıç noktasından başlama zorunluluğu ve uzun simülasyon maliyeti gerektirir. Parametre uzayını taramaya yönelik bazı arama algoritmaları da deneyime dayalı yönteme alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Bu yöntemlerde cihaz performanslarındaki verimlilik ve fonksiyonellik gibi birçok belirleyici değişken göz önünde bulundurulduğunda daha kapsayıcı ve kontrollü bir tasarım yöntemine ihtiyaç duyulmuştur. Bu sebeple, literatürde hedef-ilk metodu olarak da adlandırılan tersine fotonik tasarım yöntemi ortaya çıkmıştır. Hedef-ilk tersine tasarım algoritması literatürde pek çok lineer fotonik cihaza etkili bir şekilde uygulanmış güncel bir eniyileme yöntemidir. Hedef-ilk algoritması tasarım problemini tersine problem olarak ele alır ve iyi bir noktadan başlama zorunluluğunu ortadan kaldırır. Hedef-ilk algoritmada sınır değer problemi olarak tanımlanan amaca yönelik fotonik yapı tasarlanır. Hedef-ilk algoritmasının teorik altyapısı zamanda durağan dalga denkleminin ayrı ayrı hem manyetik alan hem yapının dielektrik sabiti değişkenleri ile doğrusal özellik göstermesi sayesinde oluşturulmuştur. İkili doğrusallık özelliği sayesinde tasarım problemi iki alt probleme ayrılır ve alt problemler arasında döngüsel bir şekilde hesaplama yaparak en iyi sonuca ulaşır. Hedef-ilk ilk algoritmasında durağan durum dalga denklemine kesin olarak uyma zorunluluğu ortadan kalkar ve hata parametresi ile mümkün olan tasarıma ne kadar yaklaşıldığı hesaplanır. Doğrusallık özelliğinin doğal bir sonucu olarak çözüm kümesi sürekli bir dağılım gösterir ve ek maliyet hesaplamaları ile üretilebilir yapılara dönüştürülmesi mümkündür. Bu tez kapsamında hedef-ilk algoritması ile optik kovuk rezonatör ve optik filtre tasarımları yapılmıştır. Optik kovuk rezonatör tasarımında kavite bölgesinin iki uç tarafına eklenen düzlem ayna koşulları ile defalarca yansıyan dalgaların hedeflenen frekansta rezonans oluşturulması sağlanmıştır. Tasarlanan rezonatör yapısında elle ayarlama işlemine gerek kalmadan dielektrik ayna ve kovuk bölümleri elde edilir. Tez kapsamında tasarlanan alçak ve yüksek geçiren filtrelerde algoritma çok amaç ve çok frekans için optimize edilmiştir. Tasarlanan filtre yapılarında izole edilen istenen frekanslar yapının başlangıcından yansıtılmış, diğer frekanslarda en yüksek iletim hedeflenmiştir.
Fotonik yapıların hedef-ilk algoritması ile tersine tasarımı
Fotonik aygıtlar entegre optik devrelerin tasarımında kullanılan temel elemanlardır. Sezgisel olarak parametre uzayının taranması veya sezgisel olmayan eniyileme algoritmalarının kullanılması fotonik aygıt tasarım yöntemleridir. Sezgisel yöntemlerde fotonik yapının boyut, dielektrik sabiti gibi yapısal parametrelerin deneme-yanılma yöntemi ile incelenmesi ile tasarım gerçekleştirilir. Bu yöntemler iyi bir başlangıç noktasından başlama zorunluluğu ve uzun simülasyon maliyeti gerektirir. Parametre uzayını taramaya yönelik bazı arama algoritmaları da deneyime dayalı yönteme alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Bu yöntemlerde cihaz performanslarındaki verimlilik ve fonksiyonellik gibi birçok belirleyici değişken göz önünde bulundurulduğunda daha kapsayıcı ve kontrollü bir tasarım yöntemine ihtiyaç duyulmuştur. Bu sebeple, literatürde hedef-ilk metodu olarak da adlandırılan tersine fotonik tasarım yöntemi ortaya çıkmıştır. Hedef-ilk tersine tasarım algoritması literatürde pek çok lineer fotonik cihaza etkili bir şekilde uygulanmış güncel bir eniyileme yöntemidir. Hedef-ilk algoritması tasarım problemini tersine problem olarak ele alır ve iyi bir noktadan başlama zorunluluğunu ortadan kaldırır. Hedef-ilk algoritmada sınır değer problemi olarak tanımlanan amaca yönelik fotonik yapı tasarlanır. Hedef-ilk algoritmasının teorik altyapısı zamanda durağan dalga denkleminin ayrı ayrı hem manyetik alan hem yapının dielektrik sabiti değişkenleri ile doğrusal özellik göstermesi sayesinde oluşturulmuştur. İkili doğrusallık özelliği sayesinde tasarım problemi iki alt probleme ayrılır ve alt problemler arasında döngüsel bir şekilde hesaplama yaparak en iyi sonuca ulaşır. Hedef-ilk ilk algoritmasında durağan durum dalga denklemine kesin olarak uyma zorunluluğu ortadan kalkar ve hata parametresi ile mümkün olan tasarıma ne kadar yaklaşıldığı hesaplanır. Doğrusallık özelliğinin doğal bir sonucu olarak çözüm kümesi sürekli bir dağılım gösterir ve ek maliyet hesaplamaları ile üretilebilir yapılara dönüştürülmesi mümkündür. Bu tez kapsamında hedef-ilk algoritması ile optik kovuk rezonatör ve optik filtre tasarımları yapılmıştır. Optik kovuk rezonatör tasarımında kavite bölgesinin iki uç tarafına eklenen düzlem ayna koşulları ile defalarca yansıyan dalgaların hedeflenen frekansta rezonans oluşturulması sağlanmıştır. Tasarlanan rezonatör yapısında elle ayarlama işlemine gerek kalmadan dielektrik ayna ve kovuk bölümleri elde edilir. Tez kapsamında tasarlanan alçak ve yüksek geçiren filtrelerde algoritma çok amaç ve çok frekans için optimize edilmiştir. Tasarlanan filtre yapılarında izole edilen istenen frekanslar yapının başlangıcından yansıtılmış, diğer frekanslarda en yüksek iletim hedeflenmiştir.
Fotonik yapıların hedef-ilk algoritması ile tersine tasarımı
Fotonik aygıtlar entegre optik devrelerin tasarımında kullanılan temel elemanlardır. Sezgisel olarak parametre uzayının taranması veya sezgisel olmayan eniyileme algoritmalarının kullanılması fotonik aygıt tasarım yöntemleridir. Sezgisel yöntemlerde fotonik yapının boyut, dielektrik sabiti gibi yapısal parametrelerin deneme-yanılma yöntemi ile incelenmesi ile tasarım gerçekleştirilir. Bu yöntemler iyi bir başlangıç noktasından başlama zorunluluğu ve uzun simülasyon maliyeti gerektirir. Parametre uzayını taramaya yönelik bazı arama algoritmaları da deneyime dayalı yönteme alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Bu yöntemlerde cihaz performanslarındaki verimlilik ve fonksiyonellik gibi birçok belirleyici değişken göz önünde bulundurulduğunda daha kapsayıcı ve kontrollü bir tasarım yöntemine ihtiyaç duyulmuştur. Bu sebeple, literatürde hedef-ilk metodu olarak da adlandırılan tersine fotonik tasarım yöntemi ortaya çıkmıştır. Hedef-ilk tersine tasarım algoritması literatürde pek çok lineer fotonik cihaza etkili bir şekilde uygulanmış güncel bir eniyileme yöntemidir. Hedef-ilk algoritması tasarım problemini tersine problem olarak ele alır ve iyi bir noktadan başlama zorunluluğunu ortadan kaldırır. Hedef-ilk algoritmada sınır değer problemi olarak tanımlanan amaca yönelik fotonik yapı tasarlanır. Hedef-ilk algoritmasının teorik altyapısı zamanda durağan dalga denkleminin ayrı ayrı hem manyetik alan hem yapının dielektrik sabiti değişkenleri ile doğrusal özellik göstermesi sayesinde oluşturulmuştur. İkili doğrusallık özelliği sayesinde tasarım problemi iki alt probleme ayrılır ve alt problemler arasında döngüsel bir şekilde hesaplama yaparak en iyi sonuca ulaşır. Hedef-ilk ilk algoritmasında durağan durum dalga denklemine kesin olarak uyma zorunluluğu ortadan kalkar ve hata parametresi ile mümkün olan tasarıma ne kadar yaklaşıldığı hesaplanır. Doğrusallık özelliğinin doğal bir sonucu olarak çözüm kümesi sürekli bir dağılım gösterir ve ek maliyet hesaplamaları ile üretilebilir yapılara dönüştürülmesi mümkündür. Bu tez kapsamında hedef-ilk algoritması ile optik kovuk rezonatör ve optik filtre tasarımları yapılmıştır. Optik kovuk rezonatör tasarımında kavite bölgesinin iki uç tarafına eklenen düzlem ayna koşulları ile defalarca yansıyan dalgaların hedeflenen frekansta rezonans oluşturulması sağlanmıştır. Tasarlanan rezonatör yapısında elle ayarlama işlemine gerek kalmadan dielektrik ayna ve kovuk bölümleri elde edilir. Tez kapsamında tasarlanan alçak ve yüksek geçiren filtrelerde algoritma çok amaç ve çok frekans için optimize edilmiştir. Tasarlanan filtre yapılarında izole edilen istenen frekanslar yapının başlangıcından yansıtılmış, diğer frekanslarda en yüksek iletim hedeflenmiştir.
Fonksiyonel optik elemanlar için kompozit metayüzeyler
Işığın dalga cephesi manipülasyonu ile genliğinin, polarizasyonunun ve davranışının kontrol edilebileceği bilinmektedir. Günümüzde bu manipülasyonu yapabilen optik elemanlar bulunmaktadır. Bu optik elemanlar geleneksel optik elemanlar olan lensler, aynalar ve optik filtreler gibi optik malzemelerdir. Hacimli ve düz olmayan yapıları itibariyle ışığı yüzey formları sayesinde manipüle ederler. Bu manipülasyon optik malzemelerin yüzey formlarının şekillendirilmesi, kalınlıklarının değiştirilmesi veya yüzeylerine yarıklar açılması ile gerçekleştirilir. Bunun yanında genel olarak ışığın yapı içinde ilerlediği yolun uzunluğu, sistemin çalışma dalga boyundan oldukça fazladır. Bu da kullanılabilir malzemeleri ve üretim süreçlerini limitlemektedir. Üretim süreçleri kesme, taşlama ve parlatma gibi işlemleri içermektedir. Geleneksel optik elemanların sistem haline getirmek için ise sıkı toleranslar ile hizalanması ve tutulması gerekmektedir. Bununla birlikte gelişen giyilebilir, taşınabilir, mobil elektronik ve medikal cihazlar, yer kaplamayan, ucuz ve yüksek performanslı optik sistemlere olan talebi hızla artırmıştır. Yüksek performanslı optik sistemlere olan ihtiyaç ve geleneksel optikteki bu gibi üretim, hacim ve malzeme sorunları yakın geçmişte bu alandaki araştırmaların hızlanmasını ve metayüzeylerin geliştirilmesini tetiklemiştir. Metayüzeyler üzerlerinde bulunan, belirli bir geometrik yapı ve dizilim örgüsüne sahip birim hücre dizisi sayesinde ışığa faz gecikmesi verebilen düz optik yüzeylerdir. Bu tez kapsamında metayüzeylerin farklı tasarım yaklaşımları anlatılarak, çeşitli metayüzey tasarım topolojileri karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma ile en verimli olan topoloji belirlenmiştir. Ayrıca metayüzeyler kullanılarak çeşitli uygulamaya yönelik tasarımlar önerilmiştir. Bunlardan biri üç odaklı bir optik sistemdir. 600nm dalga boyunda çalışan bu optik sistem ile metalenslerin birbirine olan mesafeleri değiştirilerek üç farklı odak uzaklığı elde edilmiştir. Son olarak orta kızıl ötesi spektrumda çalışan bir odak düzlemi dizisi metayüzeyler kullanılarak gerçeklenmiştir. Bu çalışma ile polarizasyon bağımsız olarak geniş dalga spektrumunda çalışan ve üstün optical crosstalka sahip bir odak düzlemi dizisi sunulmuştur. Bu odak düzlemi dizisinin verimliliği 0.85 üzerinde elde edilmiştir. Bu tasarımda, odak performansını 0.85'in üzerinde tutulurken, optical crosstalk %2.8'in altında kalmıştır. Bu çalışma metayüzey lens dizisi hassaslığı ve sinyal gürültü oranını artırmak için büyük potansiyele sahip olduğunu göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Metayüzeyler, Metalensler, Odak düzlemi dizileri.
Fonksiyonel optik elemanlar için kompozit metayüzeyler
Işığın dalga cephesi manipülasyonu ile genliğinin, polarizasyonunun ve davranışının kontrol edilebileceği bilinmektedir. Günümüzde bu manipülasyonu yapabilen optik elemanlar bulunmaktadır. Bu optik elemanlar geleneksel optik elemanlar olan lensler, aynalar ve optik filtreler gibi optik malzemelerdir. Hacimli ve düz olmayan yapıları itibariyle ışığı yüzey formları sayesinde manipüle ederler. Bu manipülasyon optik malzemelerin yüzey formlarının şekillendirilmesi, kalınlıklarının değiştirilmesi veya yüzeylerine yarıklar açılması ile gerçekleştirilir. Bunun yanında genel olarak ışığın yapı içinde ilerlediği yolun uzunluğu, sistemin çalışma dalga boyundan oldukça fazladır. Bu da kullanılabilir malzemeleri ve üretim süreçlerini limitlemektedir. Üretim süreçleri kesme, taşlama ve parlatma gibi işlemleri içermektedir. Geleneksel optik elemanların sistem haline getirmek için ise sıkı toleranslar ile hizalanması ve tutulması gerekmektedir. Bununla birlikte gelişen giyilebilir, taşınabilir, mobil elektronik ve medikal cihazlar, yer kaplamayan, ucuz ve yüksek performanslı optik sistemlere olan talebi hızla artırmıştır. Yüksek performanslı optik sistemlere olan ihtiyaç ve geleneksel optikteki bu gibi üretim, hacim ve malzeme sorunları yakın geçmişte bu alandaki araştırmaların hızlanmasını ve metayüzeylerin geliştirilmesini tetiklemiştir. Metayüzeyler üzerlerinde bulunan, belirli bir geometrik yapı ve dizilim örgüsüne sahip birim hücre dizisi sayesinde ışığa faz gecikmesi verebilen düz optik yüzeylerdir. Bu tez kapsamında metayüzeylerin farklı tasarım yaklaşımları anlatılarak, çeşitli metayüzey tasarım topolojileri karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma ile en verimli olan topoloji belirlenmiştir. Ayrıca metayüzeyler kullanılarak çeşitli uygulamaya yönelik tasarımlar önerilmiştir. Bunlardan biri üç odaklı bir optik sistemdir. 600nm dalga boyunda çalışan bu optik sistem ile metalenslerin birbirine olan mesafeleri değiştirilerek üç farklı odak uzaklığı elde edilmiştir. Son olarak orta kızıl ötesi spektrumda çalışan bir odak düzlemi dizisi metayüzeyler kullanılarak gerçeklenmiştir. Bu çalışma ile polarizasyon bağımsız olarak geniş dalga spektrumunda çalışan ve üstün optical crosstalka sahip bir odak düzlemi dizisi sunulmuştur. Bu odak düzlemi dizisinin verimliliği 0.85 üzerinde elde edilmiştir. Bu tasarımda, odak performansını 0.85'in üzerinde tutulurken, optical crosstalk %2.8'in altında kalmıştır. Bu çalışma metayüzey lens dizisi hassaslığı ve sinyal gürültü oranını artırmak için büyük potansiyele sahip olduğunu göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Metayüzeyler, Metalensler, Odak düzlemi dizileri.
Fonksiyonel optik elemanlar için kompozit metayüzeyler
Işığın dalga cephesi manipülasyonu ile genliğinin, polarizasyonunun ve davranışının kontrol edilebileceği bilinmektedir. Günümüzde bu manipülasyonu yapabilen optik elemanlar bulunmaktadır. Bu optik elemanlar geleneksel optik elemanlar olan lensler, aynalar ve optik filtreler gibi optik malzemelerdir. Hacimli ve düz olmayan yapıları itibariyle ışığı yüzey formları sayesinde manipüle ederler. Bu manipülasyon optik malzemelerin yüzey formlarının şekillendirilmesi, kalınlıklarının değiştirilmesi veya yüzeylerine yarıklar açılması ile gerçekleştirilir. Bunun yanında genel olarak ışığın yapı içinde ilerlediği yolun uzunluğu, sistemin çalışma dalga boyundan oldukça fazladır. Bu da kullanılabilir malzemeleri ve üretim süreçlerini limitlemektedir. Üretim süreçleri kesme, taşlama ve parlatma gibi işlemleri içermektedir. Geleneksel optik elemanların sistem haline getirmek için ise sıkı toleranslar ile hizalanması ve tutulması gerekmektedir. Bununla birlikte gelişen giyilebilir, taşınabilir, mobil elektronik ve medikal cihazlar, yer kaplamayan, ucuz ve yüksek performanslı optik sistemlere olan talebi hızla artırmıştır. Yüksek performanslı optik sistemlere olan ihtiyaç ve geleneksel optikteki bu gibi üretim, hacim ve malzeme sorunları yakın geçmişte bu alandaki araştırmaların hızlanmasını ve metayüzeylerin geliştirilmesini tetiklemiştir. Metayüzeyler üzerlerinde bulunan, belirli bir geometrik yapı ve dizilim örgüsüne sahip birim hücre dizisi sayesinde ışığa faz gecikmesi verebilen düz optik yüzeylerdir. Bu tez kapsamında metayüzeylerin farklı tasarım yaklaşımları anlatılarak, çeşitli metayüzey tasarım topolojileri karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma ile en verimli olan topoloji belirlenmiştir. Ayrıca metayüzeyler kullanılarak çeşitli uygulamaya yönelik tasarımlar önerilmiştir. Bunlardan biri üç odaklı bir optik sistemdir. 600nm dalga boyunda çalışan bu optik sistem ile metalenslerin birbirine olan mesafeleri değiştirilerek üç farklı odak uzaklığı elde edilmiştir. Son olarak orta kızıl ötesi spektrumda çalışan bir odak düzlemi dizisi metayüzeyler kullanılarak gerçeklenmiştir. Bu çalışma ile polarizasyon bağımsız olarak geniş dalga spektrumunda çalışan ve üstün optical crosstalka sahip bir odak düzlemi dizisi sunulmuştur. Bu odak düzlemi dizisinin verimliliği 0.85 üzerinde elde edilmiştir. Bu tasarımda, odak performansını 0.85'in üzerinde tutulurken, optical crosstalk %2.8'in altında kalmıştır. Bu çalışma metayüzey lens dizisi hassaslığı ve sinyal gürültü oranını artırmak için büyük potansiyele sahip olduğunu göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Metayüzeyler, Metalensler, Odak düzlemi dizileri.
Düşük simetrili fotonik kristal yapıları tarafından sağlanan yüksek verimliliğe sahip optik fenomenler
Işığın ortam içerisindeki kontrolü, genel anlamda karşılaştığı fonksiyonların dalga vektörüne olan etkisine dayalı olarak şekillenir. Yapıya giriş yapan ışığın ilerleyebilmesi, yol boyunca etkileşime girdiği dielektrik katsayısı farklarından kaynaklanan periyodik bir fonksiyona bağlıdır. Periyodiklik ışığın ilerleyişi sırasında eğilimli olduğu saçılma, yansıma veya sapma gibi temel optik davranışların güçlendirebilmesi için bir fırsat sağlar. Bu tezde, fotonik kristal içerisindeki düşük simetrik konfigürasyonların dielektrik dağılımı çeşitliliğini sağlayışı sayesinde farklı ışık fenomenlerine rastlanmıştır. Tezin ilk çalışmasında, ışığın ilerleyişi sırasında öz-kolimasyon özelliği göstermesine olanak sağlayan bir yapı üzerinde durulmuş, incelenen eş-frekans eğrilerinden ışığın ilerleme eğilimi hakkında fikir edinilmiştir. Buna göre saçılmadan ilerlemesi beklenen ışığın, yapı içerisindeki davranışından emin olabilmek için grup hızı dağılımı ve üçüncü dereceden dağılım grafikleri incelenmiş, elektirk alan ve iletim analizleri yardımıyla da hedeflenen öz-kolimasyon davranışının tasarlanan yapı için elde edilebilirliğinden emin olunmuştur. Böylece, tasarlanan yapının, çok yüksek giriş açılarında bile kuplaj sorunu ile karşılaşılmadan yapı içerisindeki öz-kolimasyon kabiliyetini geniş bir çalışma frekansı aralığında koruyabildiği görülmüştür. Bu sonuçlar, mikrodalga deneyi ile de sabitlenmiştir. Tezin ikinci çalışmasında, yapı içerisinde yüksek sapma, yüksek dalgaboyu hassasiyeti ve öz-kolimasyon özelliklerini bir arada gösteren geniş dalgaboyu çalışma alanına sahip bir süper-prizma yapısı üzerinde durulmuştur. Eşit doluluk oranlarına sahip birim hücreler için eş frekans eğrisi analizleri yapılmış süperprizma etkisinin gözlendiği konfigürasyon için bant diyagramı, grup hızı dağılımı ve üçüncü dereceden dağılımları incelenmiştir. Buna göre ışığın, farklı giriş açıları ve dalgaboylarına karşı farklı sapmalar göstereceği öngörülmüştür. Sonrasında yapılan zaman alanında sonlu farklar analizlerine göre yapının ışığı beklendiği gibi etkilediği ve bunu yüksek iletimlerle gerçekleştirdiği görülmüştür. Mikrodalga deneyleri ile de yapının incelenen özellikleri sağladığı saptanmuştır. Tezin üçüncü çalışmasında, yüksek kalite faktörüne sahip, frekans ayarlanabilirliği gösteren bir kavite yapısından bahsedilmektedir. İlk aşamada kullanılan dielektirk malzemelerin yapısal modifikasyonu ile oluşturulan kusur bölgesinde meydana gelen modlar için bant diyagramları üzerinde durulmuştur. Sonrasında iletim ölçümleri ile paralel olarak elektrik alan ölçümleri yapılmış ve mod profilleri incelenmiştir. Belirlenen modlar için dalgaboyu hassasiyeti, kalite faktörü, Purcell faktörü ve mod hacmi analizleri uygulanmıştır. En iyi sonuçları veren mod için iki ve üç boyutlu simülasyonlar değerlendirilmiştir. Yapı için mikrodalga deneyi de yapılmış ve simülasyon-deney tutarlılığı gözlenmiştir. Tezin dördüncü çalışmasında, kuvazi yapıdaki fotonik kristal tasarımında yavaş ışık fenomeni, elektrik alan ölçümleri ve önceden yapılan iletim grafiklerinden yola çıkılarak incelenmiştir. Yavaş ışık performansı, grup indeksi ve zaman gecikmesi özelliklerinin mesafeye göre nümerik sonuçları ile değerlendirilmiştir. Mikrodalga deneyleri ile örtüşen sonuçlara göre ışığın tasalanan kuvazi kristal yapı yardımıyla yavaşlatıldığı sonucuna varılmıştır.
Düşük simetrili fotonik kristal yapıları tarafından sağlanan yüksek verimliliğe sahip optik fenomenler
Işığın ortam içerisindeki kontrolü, genel anlamda karşılaştığı fonksiyonların dalga vektörüne olan etkisine dayalı olarak şekillenir. Yapıya giriş yapan ışığın ilerleyebilmesi, yol boyunca etkileşime girdiği dielektrik katsayısı farklarından kaynaklanan periyodik bir fonksiyona bağlıdır. Periyodiklik ışığın ilerleyişi sırasında eğilimli olduğu saçılma, yansıma veya sapma gibi temel optik davranışların güçlendirebilmesi için bir fırsat sağlar. Bu tezde, fotonik kristal içerisindeki düşük simetrik konfigürasyonların dielektrik dağılımı çeşitliliğini sağlayışı sayesinde farklı ışık fenomenlerine rastlanmıştır. Tezin ilk çalışmasında, ışığın ilerleyişi sırasında öz-kolimasyon özelliği göstermesine olanak sağlayan bir yapı üzerinde durulmuş, incelenen eş-frekans eğrilerinden ışığın ilerleme eğilimi hakkında fikir edinilmiştir. Buna göre saçılmadan ilerlemesi beklenen ışığın, yapı içerisindeki davranışından emin olabilmek için grup hızı dağılımı ve üçüncü dereceden dağılım grafikleri incelenmiş, elektirk alan ve iletim analizleri yardımıyla da hedeflenen öz-kolimasyon davranışının tasarlanan yapı için elde edilebilirliğinden emin olunmuştur. Böylece, tasarlanan yapının, çok yüksek giriş açılarında bile kuplaj sorunu ile karşılaşılmadan yapı içerisindeki öz-kolimasyon kabiliyetini geniş bir çalışma frekansı aralığında koruyabildiği görülmüştür. Bu sonuçlar, mikrodalga deneyi ile de sabitlenmiştir. Tezin ikinci çalışmasında, yapı içerisinde yüksek sapma, yüksek dalgaboyu hassasiyeti ve öz-kolimasyon özelliklerini bir arada gösteren geniş dalgaboyu çalışma alanına sahip bir süper-prizma yapısı üzerinde durulmuştur. Eşit doluluk oranlarına sahip birim hücreler için eş frekans eğrisi analizleri yapılmış süperprizma etkisinin gözlendiği konfigürasyon için bant diyagramı, grup hızı dağılımı ve üçüncü dereceden dağılımları incelenmiştir. Buna göre ışığın, farklı giriş açıları ve dalgaboylarına karşı farklı sapmalar göstereceği öngörülmüştür. Sonrasında yapılan zaman alanında sonlu farklar analizlerine göre yapının ışığı beklendiği gibi etkilediği ve bunu yüksek iletimlerle gerçekleştirdiği görülmüştür. Mikrodalga deneyleri ile de yapının incelenen özellikleri sağladığı saptanmuştır. Tezin üçüncü çalışmasında, yüksek kalite faktörüne sahip, frekans ayarlanabilirliği gösteren bir kavite yapısından bahsedilmektedir. İlk aşamada kullanılan dielektirk malzemelerin yapısal modifikasyonu ile oluşturulan kusur bölgesinde meydana gelen modlar için bant diyagramları üzerinde durulmuştur. Sonrasında iletim ölçümleri ile paralel olarak elektrik alan ölçümleri yapılmış ve mod profilleri incelenmiştir. Belirlenen modlar için dalgaboyu hassasiyeti, kalite faktörü, Purcell faktörü ve mod hacmi analizleri uygulanmıştır. En iyi sonuçları veren mod için iki ve üç boyutlu simülasyonlar değerlendirilmiştir. Yapı için mikrodalga deneyi de yapılmış ve simülasyon-deney tutarlılığı gözlenmiştir. Tezin dördüncü çalışmasında, kuvazi yapıdaki fotonik kristal tasarımında yavaş ışık fenomeni, elektrik alan ölçümleri ve önceden yapılan iletim grafiklerinden yola çıkılarak incelenmiştir. Yavaş ışık performansı, grup indeksi ve zaman gecikmesi özelliklerinin mesafeye göre nümerik sonuçları ile değerlendirilmiştir. Mikrodalga deneyleri ile örtüşen sonuçlara göre ışığın tasalanan kuvazi kristal yapı yardımıyla yavaşlatıldığı sonucuna varılmıştır.
Düşük simetrili fotonik kristal yapıları tarafından sağlanan yüksek verimliliğe sahip optik fenomenler
Işığın ortam içerisindeki kontrolü, genel anlamda karşılaştığı fonksiyonların dalga vektörüne olan etkisine dayalı olarak şekillenir. Yapıya giriş yapan ışığın ilerleyebilmesi, yol boyunca etkileşime girdiği dielektrik katsayısı farklarından kaynaklanan periyodik bir fonksiyona bağlıdır. Periyodiklik ışığın ilerleyişi sırasında eğilimli olduğu saçılma, yansıma veya sapma gibi temel optik davranışların güçlendirebilmesi için bir fırsat sağlar. Bu tezde, fotonik kristal içerisindeki düşük simetrik konfigürasyonların dielektrik dağılımı çeşitliliğini sağlayışı sayesinde farklı ışık fenomenlerine rastlanmıştır. Tezin ilk çalışmasında, ışığın ilerleyişi sırasında öz-kolimasyon özelliği göstermesine olanak sağlayan bir yapı üzerinde durulmuş, incelenen eş-frekans eğrilerinden ışığın ilerleme eğilimi hakkında fikir edinilmiştir. Buna göre saçılmadan ilerlemesi beklenen ışığın, yapı içerisindeki davranışından emin olabilmek için grup hızı dağılımı ve üçüncü dereceden dağılım grafikleri incelenmiş, elektirk alan ve iletim analizleri yardımıyla da hedeflenen öz-kolimasyon davranışının tasarlanan yapı için elde edilebilirliğinden emin olunmuştur. Böylece, tasarlanan yapının, çok yüksek giriş açılarında bile kuplaj sorunu ile karşılaşılmadan yapı içerisindeki öz-kolimasyon kabiliyetini geniş bir çalışma frekansı aralığında koruyabildiği görülmüştür. Bu sonuçlar, mikrodalga deneyi ile de sabitlenmiştir. Tezin ikinci çalışmasında, yapı içerisinde yüksek sapma, yüksek dalgaboyu hassasiyeti ve öz-kolimasyon özelliklerini bir arada gösteren geniş dalgaboyu çalışma alanına sahip bir süper-prizma yapısı üzerinde durulmuştur. Eşit doluluk oranlarına sahip birim hücreler için eş frekans eğrisi analizleri yapılmış süperprizma etkisinin gözlendiği konfigürasyon için bant diyagramı, grup hızı dağılımı ve üçüncü dereceden dağılımları incelenmiştir. Buna göre ışığın, farklı giriş açıları ve dalgaboylarına karşı farklı sapmalar göstereceği öngörülmüştür. Sonrasında yapılan zaman alanında sonlu farklar analizlerine göre yapının ışığı beklendiği gibi etkilediği ve bunu yüksek iletimlerle gerçekleştirdiği görülmüştür. Mikrodalga deneyleri ile de yapının incelenen özellikleri sağladığı saptanmuştır. Tezin üçüncü çalışmasında, yüksek kalite faktörüne sahip, frekans ayarlanabilirliği gösteren bir kavite yapısından bahsedilmektedir. İlk aşamada kullanılan dielektirk malzemelerin yapısal modifikasyonu ile oluşturulan kusur bölgesinde meydana gelen modlar için bant diyagramları üzerinde durulmuştur. Sonrasında iletim ölçümleri ile paralel olarak elektrik alan ölçümleri yapılmış ve mod profilleri incelenmiştir. Belirlenen modlar için dalgaboyu hassasiyeti, kalite faktörü, Purcell faktörü ve mod hacmi analizleri uygulanmıştır. En iyi sonuçları veren mod için iki ve üç boyutlu simülasyonlar değerlendirilmiştir. Yapı için mikrodalga deneyi de yapılmış ve simülasyon-deney tutarlılığı gözlenmiştir. Tezin dördüncü çalışmasında, kuvazi yapıdaki fotonik kristal tasarımında yavaş ışık fenomeni, elektrik alan ölçümleri ve önceden yapılan iletim grafiklerinden yola çıkılarak incelenmiştir. Yavaş ışık performansı, grup indeksi ve zaman gecikmesi özelliklerinin mesafeye göre nümerik sonuçları ile değerlendirilmiştir. Mikrodalga deneyleri ile örtüşen sonuçlara göre ışığın tasalanan kuvazi kristal yapı yardımıyla yavaşlatıldığı sonucuna varılmıştır.
Düşük dereceli dönel simetriye sahip iki-boyutlu fotonik kristal yapılarının sağladığı optik fenomenler ve nanofotonik alanındaki uygulamaları
Literatürde çalışılan iki-boyutlu fotonik kristal yapılarının çoğunluğu, dairesel dielektrik çubuk veya dairesel hava deliklerinden oluşan yüksek dönel simetrik birim hücrelerden meydana gelmektedir. İki-boyutlu fotonik kristallerin birim hücrelerine ilave bileşenlerin eklenmesi ya da mevcut dairesel bileşenlerin şekillerinin değiştirilmesi ile birim hücrelerin dönel simetrilerinde azalmaya gidilebilmektedir. Düşük dönel simetri sonucu ortaya çıkan yapıca zengin birim hücreler, alışılmışın dışında optik özellikleri de beraberinde getirmektedir. Bu tezde, düşük dönel simetrik fotonik kristallerin zengin dispersiyon özelliklerinden faydalanılarak elde edilen yeni optik fenomenler ve fotonik aygıt tasarımları sunulmuştur. Ele alınan tasarımların frekans ve zaman alanındaki analizlerinde sırasıyla "düzlem dalga açılımı" ve "zaman alanında sonlu farklar" yöntemleri kullanılmıştır. Çalışmalardan biri, C2 simetrik hava deliklerinden oluşan fotonik kristallerin sahip olduğu polarizasyona duyarlı öz-kolimasyon fenomeni ile tasarlanan polarizasyon ayırıcılardır. Önerilen polarizasyon ayırıcı aygıtlar farklı birim hücre türleri ile analiz edilmiştir. Ayrıca tamamen yeni bir konsepte dayanmaktadır ve yüksek polarizasyon sönüm oranına sahiptir. Yaklaşık 46.4 μm × 12.4 μm boyutlarında olan tasarım, λ = 1550 nm merkez dalga boyunda çıkış kanallarında 26 dB (TE) ve 22 dB (TM) gibi yüksek polarizasyon sönüm oranlarına erişmiştir. Buna ek olarak, tasarlanan yapının çalışma bant genişliği 59 nm olarak ölçülmüştür. Diğer bir çalışma, Dirac-benzeri konik dispersiyon gösteren fotonik kristallerin birim hücrelerinde dönel simetri düşümü sağlanarak elde edilen anizotropik sıfır kırıcılık indisli ortamların numerik ve deneysel analizini kapsamaktadır. C2 simetrik fotonik kristallerin Brillouin bölgesi merkezinde iki adet Bloch modunun kesişimi yarım-Dirac konik dispersiyonuna neden olmaktadır. Önerilen fotonik kristaller bir iletim yönü için empedans uyumlu sıfırı kırıcılık indisi (εeff ≈ 0, μeff ≈ 0) gösterirken, bu yöne dik doğrultu için empedans uyumsuz sıfır kırıcılık indisi (εeff ≈ 0, μeff ≠ 0) davranışı sergilemektedir. Malzemenin bu özelliklerini doğrulamak amacıyla uygun bir etkin ortam teorisi de kullanılmıştır. Frekans ve zaman alanında yapılan numerik analizler ile yarım-Dirac konik dispersiyon gösteren fotonik kristallerin, Dirac-benzeri konik dispersiyon gösteren eşdeğerlerine karşı avantajları belirtilmiştir. Önerilen fotonik kristallerin anizotropik özellikleri kullanılarak ışın demeti saptırıcı, ışın demeti ayırıcı ve odaklayıcı lens tasarımları sunulmuştur. Tezde yer alan son çalışmada ise C1 simetrik birim hücreler ile tasarlanan fotonik kristal dalga kılavuzlarının kılavuzlanmış modlarının, birim hücre oryantasyonuna bağlı olarak kontrolü araştırılmıştır. Dalga kılavuzlarının içerdiği hava kusuru boyunca sıralanan C1 simetrik birim hücrelerin geometrik özellikleri kontrol edilerek, dalga kılavuzu içerisinde ilerleyen dalgaların fazları etkin olarak kontrol edilebilmektedir. Çalışmada, bu dalga kılavuzları ile tasarlanan Mach-Zehnder interferometreleri kullanılarak dalga boyu seçici iletim, gaz sensörü ve mod dönüştürücü gibi uygulamaların frekans ve zaman alanında analizleri yapılmıştır.