Tez (Yüksek Lisans)--TOBB ETÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Ağustos 2018

Işığın ortam içerisindeki kontrolü, genel anlamda karşılaştığı fonksiyonların dalga
vektörüne olan etkisine dayalı olarak şekillenir. Yapıya giriş yapan ışığın
ilerleyebilmesi, yol boyunca etkileşime girdiği dielektrik katsayısı farklarından
kaynaklanan periyodik bir fonksiyona bağlıdır. Periyodiklik ışığın ilerleyişi
sırasında eğilimli olduğu saçılma, yansıma veya sapma gibi temel optik
davranışların güçlendirebilmesi için bir fırsat sağlar. Bu tezde, fotonik kristal
içerisindeki düşük simetrik konfigürasyonların dielektrik dağılımı çeşitliliğini
sağlayışı sayesinde farklı ışık fenomenlerine rastlanmıştır.
Tezin ilk çalışmasında, ışığın ilerleyişi sırasında öz-kolimasyon özelliği
göstermesine olanak sağlayan bir yapı üzerinde durulmuş, incelenen eş-frekans
eğrilerinden ışığın ilerleme eğilimi hakkında fikir edinilmiştir. Buna göre
saçılmadan ilerlemesi beklenen ışığın, yapı içerisindeki davranışından emin
olabilmek için grup hızı dağılımı ve üçüncü dereceden dağılım grafikleri
incelenmiş, elektirk alan ve iletim analizleri yardımıyla da hedeflenen özkolimasyon davranışının tasarlanan yapı için elde edilebilirliğinden emin
olunmuştur. Böylece, tasarlanan yapının, çok yüksek giriş açılarında bile kuplaj
sorunu ile karşılaşılmadan yapı içerisindeki öz-kolimasyon kabiliyetini geniş bir
çalışma frekansı aralığında koruyabildiği görülmüştür. Bu sonuçlar, mikrodalga
deneyi ile de sabitlenmiştir.
Tezin ikinci çalışmasında, yapı içerisinde yüksek sapma, yüksek dalgaboyu
hassasiyeti ve öz-kolimasyon özelliklerini bir arada gösteren geniş dalgaboyu
çalışma alanına sahip bir süper-prizma yapısı üzerinde durulmuştur. Eşit doluluk
oranlarına sahip birim hücreler için eş frekans eğrisi analizleri yapılmış süperprizma
etkisinin gözlendiği konfigürasyon için bant diyagramı, grup hızı dağılımı
ve üçüncü dereceden dağılımları incelenmiştir. Buna göre ışığın, farklı giriş açıları
ve dalgaboylarına karşı farklı sapmalar göstereceği öngörülmüştür. Sonrasında
yapılan zaman alanında sonlu farklar analizlerine göre yapının ışığı beklendiği
gibi etkilediği ve bunu yüksek iletimlerle gerçekleştirdiği görülmüştür.
Mikrodalga deneyleri ile de yapının incelenen özellikleri sağladığı saptanmuştır.
Tezin üçüncü çalışmasında, yüksek kalite faktörüne sahip, frekans
ayarlanabilirliği gösteren bir kavite yapısından bahsedilmektedir. İlk aşamada
kullanılan dielektirk malzemelerin yapısal modifikasyonu ile oluşturulan kusur
bölgesinde meydana gelen modlar için bant diyagramları üzerinde durulmuştur.
Sonrasında iletim ölçümleri ile paralel olarak elektrik alan ölçümleri yapılmış ve
mod profilleri incelenmiştir. Belirlenen modlar için dalgaboyu hassasiyeti, kalite
faktörü, Purcell faktörü ve mod hacmi analizleri uygulanmıştır. En iyi sonuçları
veren mod için iki ve üç boyutlu simülasyonlar değerlendirilmiştir. Yapı için
mikrodalga deneyi de yapılmış ve simülasyon-deney tutarlılığı gözlenmiştir.
Tezin dördüncü çalışmasında, kuvazi yapıdaki fotonik kristal tasarımında yavaş
ışık fenomeni, elektrik alan ölçümleri ve önceden yapılan iletim grafiklerinden
yola çıkılarak incelenmiştir. Yavaş ışık performansı, grup indeksi ve zaman
gecikmesi özelliklerinin mesafeye göre nümerik sonuçları ile değerlendirilmiştir.
Mikrodalga deneyleri ile örtüşen sonuçlara göre ışığın tasalanan kuvazi kristal
yapı yardımıyla yavaşlatıldığı sonucuna varılmıştır.

The control of the light in the medium is shaped based on the effect of the
functions corresponding on the wave vector. The propagation of light entering the
structure in an appropriate way depends on a periodic function that is caused by
differences in the dielectric coefficient. Periodicity provides an opportunity for
basic optical behaviors such as scattering, reflection, or deflection, which tend to
be predominant during light propagation. In this thesis, low symmetric
configurations that inside the photonic crystal causes dielectric divergence, hence
various light phenomena are observed.
In the first study of the thesis, a structure that allows the light to show its selfcollimation
property during during the propagation has been discussed, and the
tendency of the light to proceed from the examined equi-frequency curves has
been estimated.In order to be sure of the behavior of the light expected to be
scattered in the structure, the group velocity distribution and the third order
dispersion graphs are examined and with the help of time electric field and transmission analysis, it is ensured that the targeted self-collimation behavior can
be obtained for the designed structure. Thus, it has been shown that the designed
structure can protect the self-collimating ability of the structure over a wide
operating frequency range without encountering coupling problems even at very
high entrance angles. These results were also fixed by microwave experiment.
The second study of the thesis focuses on a super-prism structure with a wide
wavelength operating area which shows a combination of high deflection, high
wavelength sensitivity and self-collimation in the structure. For the unit cells with
equal filling ratios, the frequency diagrams, group velocity distributions and third
order distributions for the configuration in which the super-prism effect is observed
are analyzed. Accordingly, it is observed that the light will show different
deflections to different input angles and wavelengths.According to later finite
difference time domain analyses, it was seen that the structure affected the light as
expected and carried it with high transmissions. Microwave experiments are also
conducted to provide the properties studied.
In the third study of the thesis, a cavity structure with high-quality factor and
frequency adjustability is mentioned. In the first stage, the band diagrams are
focused on the modes that occur in the defect region created by the structural
modification of the used dielectric materials.Subsequently, electrical field
measurements were made in parallel with the transmission measurements and mod
profiles were investigated.For specified modes, wavelength sensitivity, quality
factor, Purcell factor and mode volume analysis are applied. For the mode that
gives the best results, two- and three-dimensional simulations have been
evaluated.In addition to the simulations, microwave experiment measurements were
made, and simulation-experiment consistency was observed.
In the fourth study of the thesis, the slow light phenomenon in the design of the
photonic crystal in the quasi structure was investigated by means of electric field
measurements and transmission graphs. The slow light performance was evaluated
by the numerical results of the group index and time delay characteristics according
to distance.According to the conclusions that overlap microwave experiments, the
results show slowing of the light with the help of the quasi-crystal structure.