Magnetooptical materials and device architectures for ultrafast light modulation

Manyetooptik (MO) Faraday ve Kerr etkileri, ışığın manyetize bir madde ile etkileşimi halinde polarizasyon düzleminin dönmesine yol açar. Doğası gereği femtosaniye zaman ölçeklerine inebilen, yüksek hızlı mıknatıslanma ters çevrilme özelliği sayesindeMO etkileri manyetooptik uzaysal ışık modülatörlerinin (MOSLM)ışığın kalıcı, ultra hızlı ve yüksek çözünürlüklü uzaysal modülasyonunu mümkün kılar. Düşük güçlü mıknatıslanma anahtarlaması alanındaki son gelişmeler, MOSLM'lerde büyük atılımlar yapılmasını sağlamış olup, en son teknoloji ötesine geçen holografi, baş üstü ekranları, sanal ve artırılmış gerçeklik sistemleri, veri depolama, optik iletişim, LIDAR, ve yeni çıkan optik cihazların geliştirilmesinde önemli rol oynamaktadır. MO etkilerinin zayıf olması ve yüksek kaliteli MO malzeme üretimindeki zorluklar, MOSLM'lerin pratikliği ve endüstriyel gelişiminin önündeki ana engellerdir. Bu tezde MOSLM'ler ile ilgili zorluklar ele alınmış olup, pratik MO cihazlarını gerçekleştirmek için yeni çözümler sunulmuştur. MOSLM'lerin malzeme mühendisliği, çalışma sistemi ve cihaz mimarisi gibi farklı yönlerden ilerlemesi, bu araştırma alanındaki mevcut durumu belirlemek için tezde üzerinden geçirilmiştir. Literatürde bildirilen çeşitli MO malzemeleri için MO başarım ölçüsü, zamanda sonlu farklar yöntemi (FDTD) simülasyonları kullanılarak hesaplanır ve karşılaştırılır. Buna göre Bi1Y2Fe5O12 kompozisyonlu bizmut katkılı itriyum demir garnetleri (Bi:YIG), MOSLM'ler için üstün MO bileşeni olarak önerilmektedir. Bi:YIG ince filmlerinin farklı substratlar üzerinde, farklı büyüme parametreleri kullanılarak darbeli lazer biriktirme ile büyümesi, büyüme koşullarını optimize etmek için incelenmiştir. Bi:YIG filmlerinin yapısal ve optik karakterizasyonu, garnet substratlar üzerinde epitaksiyel büyümenin ve kuvars substratlar üzerinde poli-kristalin tek fazlı filmlerin büyümesinin başarısını ortaya koymaktadır. Malzeme araştırmalarına ek olarak, MO etkilerinin güçlendirilmesi için fotonik cihazlar tasarlanmıştır. Yüksek kontrastlı MOSLM'ler için çeşitli manyetofotonik kristal (MPC) yapıları araştırılmıştır. MPC konfigürasyonunun ve katman kalınlıklarının optimizasyonu ile, bir piksel içinde eşzamanlı olarak kırmızı, yeşil ve mavi (RGB) üç temel dalga boyunda Faraday rotasyonunu artırabilen üç kusurlu bir MPC gösterilmiştir. 20-55° dönme değerleri, 1,5 μm'den küçük bir toplam kalınlıkta, mikron altı garnet katmanları dahil olmak üzere elde edilirken, optik kayıp 20 dB'nin altında kaldığı gösterilmiştir. MO etkilerinin artırılmasına yönelik rezonans yaklaşımları, genellikle dar bir operasyon bandı ile sonuçlanır ve uygulamaları sınırlar. Bu çalışmada, Faraday etkisinin genişbant artırılması için bir manyetoplazmonik metayüzey tasarlanmıştır. Çalışılmış olan 600-1600 nm'lik dalgaboyu aralığında saf Bi:YIG filminde Faraday rotasyonu 0.02°'nin altında iken, önerilen metayüzeyde, geniş bir spektral aralıkta, maksimumu 6.5°'yi aşan, birkaç derece rotasyon elde edilebildiği gösterilmiştir. Geometri ve uyarma parametrelerini optimize ederek, bu metayüzeyin MO işlevi ve operasyon bandının daha da geliştirilebileceği ve toplam 15 nm kalınlık içinde 20°'den daha yüksek rotasyon elde edilebildiği gösterilmiştir. Son olarak, manyetoplazmonik metayüzey tasarımı için bir kılavuz sunulmuş olup, plazmonik metayüzeylerin algılama sistemlerinde uygulanması konuları incelenmiştir. Farklı metayüzey tasarımları modellenmiş, imal edilmiş ve yüzeyde güçlendirilmiş Raman spektroskopisi (SERS) ile test edilip, Raman sinyalinin bin kattan fazla iyileştirilmesi deneysel olarak gösterilmiştir.