Terahertz entegre sistemler için yapay yüzey plazmon polariton dalga kılavuzları ve ayarlanabilir bileşenlerin modellenmesi ve karakterizasyonu

Ultra geniş bantlı iletişim, yüksek çözünürlük ve yüksek hareket kabiliyetine sahip sistemler geçtiğimiz 20-30 yıl süresince araştırmacıların dikkatini çekmiştir. Özgün terahertz sistemleri ise saniyede birkaç Giga-Bit'in üzerine çıkan bant genişliği ve sağladığı milimetre skalasındaki çözünürlük ile ultra geniş bantlı iletişim ve yüksek çözünürlüklü görüntüleme problemlerine çözüm olma potansiyeline sahiptir. Araştırmacılar yüksek oranda yüksek mobiliteye sahip terahertz sistemlerin geliştirilmesini mümkün kılan çip seviyesi terahertz devre çalışması sunmuş olsalar da geniş alan kaplayan, geleneksel düzlemsel terahertz dalga kılavuzlarının doğurduğu yüksek orandaki terahertz kaybından dolayı, güncel terahertz entegre devreleri gerçek zamanlı iletişim ve radar görüntüleme uygulamaların hedeflediği bit-hata-oranı (BHO), sinyal/gürültü oranı (SGO) ve algılanabilir gücün çok uzağında kalmaktadır. Geçtiğimiz 20 yılda, tek iletkenden geliştirilen Yapay Yüzey Plazmon Polariton Dalga Kılavuzları (YYPP DK) sahip oldukları elektromanyetik dalgayı çevrelerinde hapsedebilme ve düşük kayıplarından dolayı yüksek performanslı terahertz entegre devrelerin geliştirilmesini engelleyen sinyal bütünlüğü, kanallar arası etkileşim ve yüksek ışınım kayıplarını bastırabilme potansiyellerinden dolayı birçok araştırmacının ilgisini çekmiştir. Dolayısıyla, bu tez üretimi kolay, yüksek performanslı terahertz entegre devrelerinin geliştirilmesine olanak sağlayabilme ihtimalinden dolayı, düzlemsel terahertz YYPP DK'larını (THz-YYPP DK) yüksek mobiliteye sahip terahertz sistemlerinin geliştirilmesine olanak sağlayabilecek terahertz entegre devreleri için sahip oldukları potansiyelden ötürü farklı yönlerden incelemeye adanmıştır. İlk olarak, literatürde düzlemsel THz-YYPP DK'larının efektif dielektrik sabiti için sunulan ilk matematiksel formülün geliştirilmesi ile başlanmıştır. Geliştirilen model 20 farklı devre için 0.25 – 0.3 THz bandında üç farklı frekansta üretim ölçüm sonuçları %3'ten düşük bir hata oranı ile teyit edilmiştir. Ardından bu formül 0.3 THz ve 1 THz'de 2-bit'lik faz kaydırıcıların geliştirilmesinde kullanılmıştır. 0.3 THz'de elde edilen ölçüm sonuçları, simülasyon ve ideal faz değerlerine göre sadece yaklaşık sıfır hata ile çalışmakla kalmamış, aynı zamanda sahip oldukları yüksek elektromanyetik dalgayı yanal düzlemde hapsedebilme özelliğiyle dar alanda devre geliştirilmesini sağlama potansiyeline sahip THz-YYPP DK'ları için ilk ölçüm sonucu ile elde edilen kanıt olmuştur. 1 THz'de geliştirilen faz kaydırıcı devresinin ölçümler ile teyit edilmesi ise yakın bir gelecekte sunulacaktır. Tezde terahertz faz kaydırıcılara ek olarak, 7.15 GHz'de geliştirilen 2-bit'lik bir faz kaydırıcı ise matematiksel denklemler yardımıyla tasarımı hedefleyen yaklaşımı öz mod simülasyonları ile elde edilen sonuçların ölçüm sonuçlarına göre hata oranlarının karşılaştırılarak sınanmasını sağlamıştır. Hata oranlarının çok yakın çıkması da tezde önerilen matematiksel hesaplara dayalı çözüm yönteminin ise öz mod simülasyonlarının gerektirdiği uzun simülasyon zamanlarını göz önüne alınca avantajını ortaya koymaktadır. Tezde ayrıca THz-YYPP DK'larının gerçek potansiyelini araştırmak amacıyla birim-mesafedeki-kayıp oranı sınanmış ve düzlemsel terahertz dalga kılavuzları arasında incelenmiştir. Elde edilen ölçüm sonuçları sadece rekor seviyedeki düşük birim-mesafedeki-kayıp oranına ulaşmakla kalmamıştır, ayrıca rekor seviyede yükseklikteki (°/dB) performansını yakalamıştır. Tüm bunların ötesinde, elde edilen sonuçlar incelenerek hiçbir ön hazırlık simülasyonu gerektirmeyen matematiksel hesaplara dayalı sistematik bir metot ile optimum performans ile çalışmak üzere THz-YYPP DK seçimini sağlayan bir yaklaşım önerilmiştir. Önerilen metot farklı boyutlara sahip YYPP DK'larının dispersiyon diyagramlarının hesabını ve birbiri ile karşılaştırılmasını temel almaktadır. Bunların yanında, tezde bütün YYPP DK'ları için ilk defa olarak mod çeviricilerin, yani geleneksel dalga kılavuzları ile YYPP DK'ları arasındaki geçişin matematiksel hesaplara dayalı tasarımı, ölçüm amacıyla eş düzlemsel dalga kılavuzu için sunulmaktadır. Tez de sunulan efektif dielektrik sabiti formülünün de kullanılmasıyla, giriş ve çıkışlarındaki kılavuzlu-dalga numaralarının bilinmesi durumunda, geçişlerdeki her bir oluğun boyutlarının hesabı mümkün olmaktadır. Ayrıca, tezde THz-YYPP antenlerin boyutları ile kılavuzlu-dalga boyu arasındaki ilişki incelenmiştir ve elde edilen sonuçların gelecekte yüksek performanslı THz-YYPP antenlerin geliştirilmesine olanak sağlayacağı beklenilmektedir. Ek olarak, 1 THz'de fotonik entegre devrelerde sıklıkla kullanılan bir grup devre tasarlanmıştır. Bu devreler THz-YYPP DK bükümleri, bölücüler ve Mach-Zehnder-İnterferometresidir ve bu devrelerin ölçüm sonuçlarının yakın bir gelecekte sunulması hedeflenmektedir. Yukarıda bahsedilen tüm teorik çalışmalar ve uygulamaların yanında, adaptif sistemlerin geliştirilebilmesine olanak sağlayan nano elektromekanik sistem (NEMS) teknolojisi ile kontrol edilebilen THz-YYPP gecikme hatları tasarlanmış ve üretimi tamamlanmıştır. Üretimi tamamlanan gecikme devreleri 0.3 THz'de 1-bit'lik 90° faz kaydırıcı işlemini gerçekleştirecektir. NEMS ile kontrol edilebilir THz-YYPP gecikme hatlarının ölçümlerinin yakın bir gelecekte literatüre sunulması hedeflenmektedir.