Terahertz zaman alanı fotoiletken anten ve anten dizilerinin geliştirilmesi / Ahmet Canberk Sonğur; thesis advisor Mehmet Ünlü.

Tez (Yüksek Lisans)--TOBB ETÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Nisan 2025

Elektromanyetik spektrumun terahertz (THz) bölgesi, mikro dalgalarla optik dalgalar arasındaki alanda yer alır ve birçok uygulama için büyük potansiyele sahiptir. THz teknolojisi, tahribatsız görüntüleme sistemlerinden malzeme karakterizasyonuna kadar birçok farklı alanda kullanılabilir. Aynı zamanda, daha yüksek veri iletme hızları sunarak iletişimde de önemli bir potansiyel barındırmaktadır. Ancak, THz dalgalarının üretilmesi ve algılanması, yarı iletkenlerin mobilitesi ve düşük enerji seviyeleri gibi çeşitli zorluklarla sınırlıdır. Son yıllarda, tutarlı THz dalgalarının üretilmesi konusunda önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Özellikle foto-absorbe yarı iletken yapılar ve metal terahertz antenlerinin kullanılması, THz ışımasının üretilmesinde etkili olmuştur. Bu yöntem, foton emilimi ile hareketli elektron-boşluk çiftlerinin üretimini sağlar ve bu çiftler, THz frekanslarında salınım yaparak ultrahızlı bir fotoakım oluşturur. Ancak, bu sistemlerin verimliliğini artırmak hala büyük bir zorluktur. Terahertz sistemlerinde, optikten elektriğe dönüşüm verimliliğini artırmaya yönelik iki ana yaklaşım vardır: özel yarı iletken aktif katmanlar geliştirerek foton emilimini ve taşıyıcı üretimini artırmak ve anten aktif bölgelerinde yüzey plazmonik dalgaları aktive ederek dönüşüm verimliliğini yükseltmek. Ayrıca, geniş bantlı terahertz ışımayı etkin şekilde yayabilen antenlerin tasarımı da önemlidir. Yüksek kazançlı antenler, terahertz ışımayı daha verimli hale getirirken, alıcı tarafındaki sinyal algılama yeteneğini artırabilir. Terahertz fotoiletken antenlerin (FİA'ların) yaydığı ışımaların zaman alanında karakterize edilmesi gerekmektedir çünkü geniş bantlı kısa darbeli sinyallerin kullanıldığı sistemlerde geleneksel frekans alanı karakterizasyonunun yetersiz kalmaktadır. Bu bağlamda, antenlerin zaman alanında analizi çok daha verimli olabilir. Sonuç olarak, terahertz FİA'ların geliştirilmesinde, geniş bantlı anten dizilerinin tasarımı ve zaman alanı analizi önemli bir rol oynamaktadır. Ayrıca yine görüntüleme uygulamaları ve potansiyel gelecek nesil haberleşme uygulamalarında terahertz ışımanın performansının arttırılmasının yanında; hüzme yönlendirmeli ışıma yapabilmek de önem taşıyacaktır. Bu sebeple, terahertz antenlerinin yanında hüzme yönlendirmeli antenlerin geliştirilmesi de önemlidir. Bu sebeple terahertz frekanslarında optik bileşen yardımlı fazlı terahertz anten dizileri veya lens yardımlı anahtarlamalı anten dizileri geliştirmeye yönelik çalışmaların yapılması kritiktir. Bu bilgiler ışığında bu tez kapsamında; 0.8 – 2 THz bandında fotoiletken anten ve anten dizileri zaman alanındaki teorik çalışmaların ışığında; geliştirilmiş, tasarlanmış ve optimize edilerek üretilmiştir. Bütün çalışma zaman alanında gerçekleştirilmiş olup; anten dizilerinin fazlı diziler olarak kullanılma durumu için sistem isterleri belirlenmiştir. Terahertz antenlerinin boyutları ve gerektirdiği yarı iletken teknolojisi nedeniyle üretimleri için de yenilikçi yaklaşımlar gerektirebilmektedir. Aynı zamanda yine aynı sebeplerden dolayı antenlerin paketlenmesi de zorluklar içermektedir. Optimize anten tasarımları bu problemler ışığında, üretilmiş ve paketlenmesi tamamlanarak ölçüme hazır hale getirilmiştir.

The terahertz (THz) region of the electromagnetic spectrum lies between microwaves and optical waves and holds great potential for many applications. THz technology can be used in various fields, from non-destructive imaging systems to material characterization. It also offers significant potential in communications by enabling higher data rates. However, the generation and detection of THz waves are limited by various challenges, such as the mobility of semiconductors and low energy levels. In recent years, significant progress has been made in the generation of consistent THz waves. The use of photo-absorbing semiconductor structures and metal terahertz antennas has been effective in generating THz radiation. This method involves photon absorption, which produces moving electron-hole pairs, and these pairs oscillate at THz frequencies, creating an ultra-fast photocurrent. However, improving the efficiency of these systems remains a major challenge. There are two main approaches to improving the optical-to-electrical conversion efficiency in THz systems: Developing special semiconductor active layers to enhance photon absorption and carrier generation and activating surface plasmonic waves in antenna active regions to increase conversion efficiency. Additionally, the design of antennas that can effectively emit broadband terahertz radiation. High-gain antennas can make THz radiation more efficient and improve signal detection on the receiver side. The radiation emitted by terahertz photo-conductive antennas (PCAs) needs to be characterized in the time domain, as traditional frequency-domain characterization is insufficient for systems that use broadband short-pulse signals. In this context, analyzing antennas in the time domain can be much more efficient. As a result, the design of broadband antenna arrays and time-domain analysis plays a crucial role in the development of terahertz PCAs. Furthermore, for imaging applications and potential future communication systems, improving the performance of terahertz radiation, along with the ability to perform beam-steering will also be important. Therefore, the development of beam-steering antenna arrays is crucial. In this regard, studies aimed at developing optical-component-assisted phased terahertz antenna arrays or lens-assisted switched antenna arrays at terahertz frequencies is critical. Considering the information given above, in this thesis, photo-conductive antennas and antenna arrays in the 0.8–2 THz band have been developed, designed, and optimized based on theoretical studies in the time domain. The entire work has been conducted in the time domain, and system requirements for using antenna arrays as phased arrays have been determined. Due to the size and semiconductor technology required for terahertz antennas, their fabrication may require innovative approaches. Additionally, due to these same reasons, the packaging of antennas also presents challenges. Optimized antenna designs have been fabricated and packaged to be ready for measurement, considering these problems.