Entegre fotonik cihazların tasarımına yönelik hesaplama tabanlı yaklaşımlar

Nanofotonik, ışığın hareketinin dalga boyu mertebesinde veya daha küçük boyutlardaki yapılarda incelenmesidir. Fotonik cihazların tasarımı fiziksel bilgilere ve tahminlere dayalı olarak gelişmiştir. Bu sayede, geçmişten günümüze çok sayıda fotonik cihaz sunulmuştur. Yeni bir fotonik cihazın tasarlanması için bilinen bir fiziksel olgudan yararlanılır ve sonrasında fotonik cihaz üzerindeki az sayıda karakteristik parametre elle ayarlanarak istenilen optik özellik elde edilmeye çalışılır. Sonuç olarak, morötesinden orta-kızılötesine kadar farklı dalga boyu aralıklarında çalışan çeşitli fotonik cihazlar tasarlanmıştır. Nanofotoniğin gelişimi fotonik cihazların yoğun bir şekilde entegrasyonunu sağlamak ve çalışma bant aralıklarını genişletmek üzerine devam etmektedir. Öte yandan, fotonik cihazların karmaşıklığı arttıkça tasarım süreçlerinde zorluklar yaşanmaktadır. Örneğin; bir optik niteliği etkileyen çok sayıda karakteristik parametre olduğu durumlarda bu parametrelerin aynı anda ayarlanması gerekmektedir. Ancak, bilinen fotonik cihazlar üzerinde elle parametre ayarlamak istenilen optik özelliği elde edebilmek için yeterli olmamaktadır. Bu noktada şöyle bir yorum yapılabilir; belirtilen tasarım yaklaşımları nanofotoniğin geleceği için yeterli değildir. Karmaşık tasarım problemlerinin üstesinden gelebilmek için nanofotonikte tersine tasarım yöntemleri önerilmiştir. Tersine tasarım yöntemleri ile belirlenen bir tasarım alanı içerisinde istenilen optik özelliği veren bir fotonik cihaz tasarlanabilir. Bunun için bilinen bir fiziksel olgu kullanmak gerekmemektedir ve çok sayıda karakteristik parametre aynı anda eniyilenebilir. Karmaşık tasarımlarda, çeşitli eniyileme algoritmaları ve son yıllarda da makine öğrenmesi yöntemleri kullanılmaktadır. İstenilen optik özellikler maliyet fonksiyonu içerisinde tanımlanır ve algoritma bu maliyet fonksiyonunun değerini azaltacak şekilde karakteristik parametreleri belirler. Maliyet fonksiyonunun değerlerini hesaplamak için elektromanyetik alanları ve dalgaları modelleyen çeşitli nümerik yöntemler kullanılır. Çeşitli nümerik yöntemlerin ve algoritmaların birleştirilmesi sonucunda ise hesaplama tabanlı yaklaşımlar elde edilir. Tezin ilk bölümünde, nanofotonikte tersine tasarım yöntemlerinin tarihsel arkaplanı özetlenmiştir. İlk yapılan çalışmalardan günümüzde yapılan çalışmalara kadar sunulan önemli çalışmalar detaylıca sunulmuştur. Tezin ikinci bölümünde, tercih edilen algoritmalar ve nümerik yöntem detaylıca anlatılmıştır. Entegre fotonik cihazların tasarımında için evrimsel algoritmalar ve pekiştirmeli öğrenme algoritmaları kullanılmıştır. Evrimsel algoritmalar olarak Diferansiyel Evrim ve Genetik Algoritma kullanılmıştır. Ayrıca, pekiştirmeli öğrenme algoritmaları olarak toplamsal pekiştirmeli öğrenme algoritması ve çekici seçim algoritması kullanılmıştır. Nümerik yöntem olarak ise sonlu-fark zaman-boyutu yöntemi kullanılmıştır. Tezin üçüncü bölümünde, optik gizleyici, küçük boyutlu lens, optik bağlayıcılar, mod mertebe çevirici ve çok düzeyli difraktif lens gibi hüzme şekillendirici fotonik cihazlar sunulmuştur. Tezin dördüncü bölümünde, fotonik yasaklı bant yapıları, yani fotonik kristaller (FK'ler), üzerinde eniyileme algoritmaları uygulanmıştır. Sonuç olarak, mod mertebe çevirici FK dalga kılavuzu ve asimetrik ışık iletici FK tasarlanmıştır. Tezin beşinci bölümünde, asimetrik ışık iletici (AIİ), dalga boyu ayırıcılar, polarizasyon ayırıcı, dalga kılavuzu geçiş aracı, optik güç zayıflatıcı ve yansıtıcı yapıları sunulmuştur ki bu yapılar optik nitelik ayırıcı olarak sınıflandırılabilirler. Tezin altıncı bölümünde ise tez kapsamında yapılan çalışmalar özetlenmiştir ve nanofotonikte tersine tasarım yöntemlerine dair son sözler paylaşılmıştır. Özetle, tezdeki çalışmalar sonucunda, hüzme şekillendirici fotonik cihazlar, fotonik yasaklı bant tabanlı yapılar ve optik nitelik ayırıcı entegre fotonik cihazlar tasarlanmıştır. Elde edilen sonuçlar nanofotoniğin geleceği için umut vericidir.