Parçacık sürü optimizasyonu, hedef öncelikli algoritma ve derin öğrenme ile fotonik yapılarda tersine tasarım

Fotonik, ışık hüzmelerinin kullanılarak verilerin depolanmasını, iletilmesini ve işlenmesini gözeten bir grup yeni teknolojiye karşılık gelen bir kavramdır. Fotonik cihazlar ise ışığı oluşturmak, manipüle etmek veya algılamak için kullanılan bileşenlerdir. Fotonik cihazların işlevselliklerinin artırılmasıyla ışık algılama, telekomünikasyon, bilgi işleme, fotonik hesaplama, aydınlatma, metroloji, spektroskopi, holografi, tıp, biyofotonik, askeri teknoloji gibi birçok kullanım alanında daha etkili uygulamalar elde edilebilir. Bu nedenle mikrometre ve nanometre düzeyindeki yapılarla fotonların etkileşiminin incelenmesi önemlidir. Bu doğrultuda yapılacak ilk çalışma, fotonik ortamın tasarımını içermektedir. Fotonik tasarıma yönelik geleneksel yaklaşım, uzun bir tasarım döngüsünden muzdariptir ve tasarım uzayından bütünüyle yararlanmamaktadır. Geniş bantta çalışan uygulamalara yönelik stratejinin olmaması, karmaşık tasarım problemlerinin üstesinden gelinememesi ve kısıtlı bir parametre uzayında yapıların tasarlanması geleneksel yaklaşımla tasarlanan cihazların performansını sınırlamaktadır. Tersine tasarım yöntemi, bu problemlerin üstesinden gelmek için önerilmiştir. Elektromanyetik cevabı önceden belirlenen bir fotonik cihazın tasarımının mümkün olup olmadığı sorusundan yola çıkılarak kurgulanan bir yöntemdir. Yapının istenilen elektromanyetik cevabı vermesi için gerekli malzeme dağılımları tersine tasarım yöntemleri tarafından bulunur, yani belirlenen elektromanyetik cevabı veren en iyi yapı tespit edilir. Tersine tasarımda literatürde bulunan çeşitli optimizasyon algoritmaları ile geniş bir parametre havuzu taranır ve yüksek performanslı cihazlar elde edilebilir. Cihazın tasarım gereksinimlerine ve tanımlanan problemlere göre, optimuma yakın tasarımlar için uygun optimizasyon yöntemleri seçilmelidir. Bu tezde Parçacık Sürü Optimizasyonu, Hedef Öncelikli Algoritma ve Yapay Sinir Ağları ile çeşitli yapıların tersine tasarımı amaçlanmıştır. Bu kapsamda tezin ikinci bölümünde kullanılan yöntemlere ayrıntılı olarak yer verilmiştir. Tezin üçüncü bölümde ise bu yöntemlerle tasarlanan yansıma önleyici katman, optik bölücü ve geniş bantlı akromatik lens tasarımlarına yer verilmiştir ve elde edilen sonuçlar üzerine yorumlar yapılmıştır. Tasarlanan yapıların başarım ölçütü grafiklerine ayrıntılı olarak yer verilmiştir ve literatürdeki yapılar ile karşılaştırılmışlardır. Ek olarak, PLA malzemesi kullanılarak 3D baskı ile üretilen düşük kırılma indisli lens yapısının mikrodalga frekanslarında deneyi yapılmıştır ve nümerik hesaplamalar ile uyumlu sonuçları paylaşılmıştır. Tezde elde edilen sonuçlar ile kullanılan algoritmaların sınırları görülmüştür ve genişletilmiştir.