Tez (Yüksek Lisans Tezi)--TOBB ETÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Kasım 2020

Tümleşik fotonik cihazlar, optik ara bağlantılar ve sensörlerden, medikal görüntüleme sistemlerine ve hatta kuantum mekaniği barındıran teknolojilere kadar çok çeşitli uygulamalarda teknolojinin gelişmesi ile gün geçtikçe daha da fazla kilit rol oynamaktadır. Işığın istenilen tayfsal bölgede doğru bir şekilde sezilmesi doğru ve kayıpsız iletimi, yüksek verimlilik ve dayanıklılık günümüz teknolojisinde aranan özellikler olmuştur. Bununla birlikte üretim teknolojileri ve artan malzeme bilgisi ışığında minyatürleşmeye giden teknolojik cihazlarda bu özelliklerin korunması hedeflenmiştir. Ancak, bu optik-fotonik fotonik cihaz tasarım yöntemleri, ne yazık ki dijital elektronik ve havacılık teknolojileri gibi diğer alanların çok gerisinde kalmıştır. Bunun sebeplerinden en önemlisi optimizasyon, bilgisayar gücü ve üretim tekniklerinin son on yılda ancak gelişmesi ve bu cihazlar için kullanılmayı amaçlanması gösterilebilir. Fotonik cihazlar, analitik teoriler ve manuel parametre taramalarının bir kombinasyonu kullanılarak büyük ölçüde elle tasarlanmış ve sonuç olarak yalnızca spesifik parametreler değiştirilerek kısıtlı kütüphaneler oluşturulmuş ve böylece tasarımlar mevcut gerçeklikler üzerinden yapılmıştır. Bunun sonucu olarak ise birkaç on mikrometreden yüzlerce mikrometreleri bulan cihazlar tasarlanmak zorunda kalmış ve bu da günümüz ihtiyaçlarına cevap veremez hale gelmiştir. Tersine tasarım ise günümüzde ihtiyaç haline gelen yüksek performans, düşük güç tüketimi ve boyut hedefine karşılık verecek bir yaklaşım metodudur. Bu tezde, pasif optik-fotonik cihazların tasarımını yukarıda bahsedilen sınırlı tasarım parametresinden kurtararak sayısız değişkenleri barındıran ve tasarımcıya daha önce görülmemiş bir tasarım alanı vadeden tersine tasarım yöntemlerinden biri olan hedef öncelikli algoritma ile yapılmış çalışmalarımız anlatılmaktadır. Bu tasarım yaklaşımında, daha önce ulaşılamamış fonksiyonellik, kompaktlık, sağlamlık ve üretim çeşitliliği mottosu ile tamamen dielektrik pasif optik haberleşme cihazlarının tasarımı gösterilip, fabrikasyon için tasarlanan yapının ayrıklaştırılması üzerine bulgular paylaşılmaktadır. Tezin ilk bölümünde genel konsepte tersine ve geleneksel tasarımları anlatıp literatürden örnekler gösterilip genel anlamda bilgiler sağlanmıştır. Tezin ikinci kısmında ise çalışmalarımızda kullanıp geliştirdiğimiz hedef öncelikli algoritmanın işleyişinden bahsedilmiş olur detayları ve yapıya ulaşma basamakları detaylıca anlatılmıştır. Üçüncü bölümde ise bu algoritma ve simülasyon programları kullanılarak tasarlanan dalgaboyu çoğullayıcı ve tekilleyici sistemleri, mod çoğullayıcı sistemleri ve son olarak optik güç bölücü sistemleri tasarlanmış ve detayları ile açıklanmıştır. Üçüncü bölümün son kısmında ise yapılan diğer çalışmalar ve devam eden çalışmalar hakkında yüzeysel bilgiler verilmiştir. Son bölümde ise yapılan çalışmalar ve yapılabilecekler hakkında öneri ve görüşlerde bulunulmuş ve önümüzdeki on yılda hesaplama gücünün ve optimizasyon tekniklerinin gelişmesi ile nelerle karşılaşacağımız üzerine ön görülerde bulunulmuştur.

Integrated photonic devices play an essential role with the advancement of technology in a wide range of applications, from optical interconnections and sensors to medical imaging systems and even technologies involving quantum mechanics. Accurate sensing of light in the desired spectral region, accurate and lossless transmission, high efficiency and durability have become the features sought in today's technology. However, in the light of production technologies and increasing material knowledge, it is crucial to protect these features in technological devices that are aimed to be miniaturized. However, these photonic device design methods are unfortunately far behind other fields such as digital electronics and aerospace technologies. The most important reason for this is that optimization, computing power and production techniques have only developed in the last decade and are intended to be used for these devices specifically. Photonic devices were largely hand-designed using a combination of analytical theories and manual parameter scans, resulting in limited libraries created by changing only specific parameters, thus designs are made on existing devices. As a result, devices ranging from a few tens of micrometers to hundreds of micrometers had to be designed, and this became unable to meet today's needs. On the other hand, inverse design is an approach that will meet the high performance, low power consumption and footprint targets that are needed today.