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.