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.