Işın şekillendirici, dalga boyu ayırıcı ve optik mantık işlemleri için yapısal modülasyon uygulayarak eniyileme tabanlı cihaz tasarımı ve analizi / Berkay Neşeli; thesis advisor Hamza Kurt.

Tez (Yüksek Lisans Tezi)--TOBB ETÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Aralık 2021

Lazer ışınının icadı ile birlikte ışık ile çalışan cihazların üretilip elektrik tabanlı cihazlara alternatif olup olamayacağı sorusu gündeme gelmiştir. Daha sonra bulunan optik fiberler ile birlikte ışık ile madde arasındaki ilişki merak uyandıran bir araştırma alanı olmuştur. Bu meraktan doğan fotonik alanı da ışık ve malzeme ilişkisinin incelenmesinin yanı sıra, ışık ile çalışan cihazların geliştirildiği bir alandır. Işığı oluşturan fotonların elektronlara kıyasla sahip oldukları avantajlar fotonik alanını ve geliştirilecek cihazları oldukça ilgi çekici kılmaktadır. Bu alanda sunulan fotonik kristal tabanlı yapılar ile ışığın kontrol edilip birçok farklı probleme çözüm olabilecek alternatif cihazların tasarlanabileceği gösterilmiştir. Optik sensörlerden güç bölücülere kadar farklı problemler için literatürde birçok yapı tasarımı sunulmuştur. Bu yapılara ek olarak farklı tasarım yöntemleri ile tasarlanan homojen optik yapılar da literatürde sunulmuştur. Deneme yanılma yöntemi ile başlayan tasarım süreçleri gelişen teknoloji, daha kompakt, yüksek performanslı ve hızlı yapılara duyulan ihtiyaç ile birlikte popülerliğini yitirmiştir. Bu yönteme ek olarak algoritma tabanlı tasarım yöntemleri günümüz teknolojisinin ihtiyaçlarına daha uygun performanslı yapılar sunduğu için daha çok tercih edilmeye başlanmıştır. Genetik Algoritması, Topoloji Optimizasyonu ve Diferansiyel Evrim Algoritması fotonik cihaz tasarımı için kullanılan algoritmalara örnek olarak verilebilir. Bunlara ek olarak günümüzde oldukça popüler olan tersine tasarım yöntemi de algoritma tabanlı olup, tasarımcının önceden tanımladığı elektromanyetik sonucu verebilecek en uygun yapının arandığı bir yöntemdir. Bu tezde de Diferansiyel Evrim Algoritması, deneme yanılma yöntemi ve tersine tasarım için kullanılan Hedef Öncelikli Algoritma ile tasarlanan yapılar sunulmuştur. Tezin ikinci bölümünde kullanılan algoritmalar detaylı bir şekilde incelenmiştir. Üçüncü bölümde geleneksek deneme yanılma yöntemi ile tasarlanan bir ışın şekillendirici yapı sunulmuş olup yapının deneysel ve nümerik analizi yapılmıştır. Dördüncü bölümde Diferansiyel Evrim Algoritması ile tasarlanan bir dalga boyu ayırıcı yapı sunulmuştur. Bu yapının mikrodalga frekans aralığında deneyi de yapılmış olup elde edilen sonuçlar paylaşılmıştır. Beşinci bölümde ise Hedef Öncelikli Algoritma ile tasarlanan tümüyle optik mantık kapıları anlatılmıştır. Elde edilen sonuçlar farklı tasarım yöntemleri kullanılarak farklı problemler için günümüzde kullanılan cihazların yerine optik cihazların kullanılabileceğini göstermektedir.

The possibility of replacing electric-based devices with light-based ones has been questioned with the invention of laser beam. Then with the development of optical fibers, light-matter interaction became an appealing research topic. Photonics is a field emerged from this curiosity which also investigates the design of light-based devices. Advantages of phonons over electrons makes the field of photonics more interesting as well as the proposed devices. Photonic crystal-based structures have already proved that it is possible to control light and design new devices for many different problems. From optical sensors to power splitters, various devices have been proposed to the literature. In addition to these devices, homogeneous optical devices have also been proposed. Popularity of trial and error-based designs have decreased with the developing technology, need of more compact, high-performance and faster devices. In addition to this design method, algorithm-based design methods became more popular since this method is able to produce devices which are more convenient for today's needs. Genetic Algorithm, Topology Optimization and Differential Evolution Algorithm are some examples for the algorithms used in the design of photonic devices. Furthermore, inverse design is also a popular algorithm-based design method where the desired electromagnetic output is predefined and the algorithm looks for the most suitable device which can produce this output. In this thesis, devices designed with Differential Evolution Algorithm, trial and error and Objective First Algorithm, which is used for inverse design, are proposed. In the second part of this thesis, algorithms used for optical device designs are explained in detail. In the third part, a beam-shaping device designed with traditional trial and error method and obtained numerical and experimental results are given. A wavelength demultiplexer designed with Differential Evolution Algorithm is proposed in the fourth part. This device has been fabricated and it is experimentally verified in the microwave region. Lastly, in the fifth part all-optical logic gates designed with Objective-First Algorithm are proposed. Obtained results show that it is possible to use optical devices designed with different methods for various problems instead of traditional devices used today.