Tez (Yüksek Lisans)--TOBB ETÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Aralık 2023

6G ve ötesi uygulamalarının etkin bir şekilde kullanımı için terahertz frekans bandının büyük miktarda boş bant genişliğine sahip olması, düşük gecikmeyle saniyede terabit seviyesinde veri paylaşabilecek olması gibi özellikleriyle kullanılabilir hale getirilmesi önem arz etmektedir. Terahertz frekans bandının bu benzersiz özelliklerinden faydalanmak için terahertz entegre devrelerin geliştirilmesine ve bir terahertz entegre devrede aktif elemanların birbirine bağlantısını sağlayacak olan terahertz frekanslarında en iyi performansa sahip terahertz pasif devre elemanlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu kapsamda, daha önce mikrodalga ve düşük terahertz frekanslarında iyi performans gösteren iki tarafında oluklara sahip olan ve dielektrik tabanın (substrat) üzerinde bulunan metalden oluşan, Yapay Yüzey Plasmon Polariton bazlı devreler gerçek terahertz frekansları için de iyi performans göstereceği ön görülmektedir. Bu tezde yapılan çalışmalar, gerçek terahertz frekanslarında Yapay Yüzey Plasmon Polariton olgusunu kullanarak dalga kılavuzu, faz kaydırıcı ve güç bölücü gibi pasif devre elemanlarının tasarımı, bu devrelerin en iyilenmesi ve devrelerin en iyilenmesi için evrensel bir yöntem geliştirmeyi amaçlamaktadır. Bu amaçla, öncelikle eş düzlemsel dalga kılavuzlarından Yapay Yüzey Plasmon Polariton devrelerine geçişi en az kayıpla sağlayacak geçiş devreleri 1 THz frekansında çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Geçiş devrelerinin tasarımında empedans uyumlamasına ve mod çevrimine dikkat edilmiştir. Ardından, farklı fiziksel boyutlara sahip devrelerin ışınım, iletken ve dielektrik kayıp analizleri simülasyon programlarından yararlanılarak yapılmıştır. Bu kayıp analizleri devrelerin en iyilenmesi amacıyla kullanılmış ve 1 THz frekansında en iyi performansla çalışan Yapay Yüzey Plasmon Polariton devreleri elde edilmiştir. En iyilenen devreler için efektif dalga kılavuzuna, dolayısıyla da kılavuzlanmış dalga boyuna bağlı model geliştirilmiştir. Bu sayede diğer frekanslarda da en iyi performansla çalışan Yapay Yüzey Plasmon Polariton devrelerinin fiziksel boyutları tespit edilmiştir. Yapılan bu tasarımlar tek bir katmanla kolaylıkla üretilebilir olup üretim adımları bu doğrultuda optimize edilmiştir. Tasarımlar ölçüm için gerekli olan yapılar eklenerek optimize edilmiş üretim adımlarıyla gerçeklenmiştir. Üretilen yapıların ölçümü kalibrasyon uygulanarak tamamlanmış ve tasarımlar teyit edilmek üzere simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Bu çalışmalara ek olarak 0.3 THz frekansında çalışan Yapay Yüzey Plasmon Polariton devreleri tasarlanmış ve üretilmiştir. Bu yapılar ile 0.3 THz frekansında en iyi birim uzunluk başına kayıp (dB/mm) ve kayıp başına derece (°/dB) sonuçları elde edilmiştir.

For the effective use of 6G and beyond applications, it is important to make the terahertz frequency band available with features such as having a large amount of free bandwidth and being able to share data at the terabit level per second with low latency. In order to benefit from these unique features of the terahertz frequency band, there is a need to develop terahertz integrated circuits and terahertz passive circuit elements with the best performance at terahertz frequencies, which will enable the connection of active elements in a terahertz integrated circuit. In this context, it is anticipated that Spoof Surface Plasmon Polariton-based circuits, which consist of metal on the dielectric substrate with corrugations on both sides and have previously performed well at microwave and low terahertz frequencies, will also perform well at real terahertz frequencies. The studies carried out in this thesis aim to develop a universal method for the design of passive circuit elements such as waveguides, phase shifters and power dividers, and the optimization of these circuits by using the Spoof Surface Plasmon Polariton phenomenon at real terahertz frequencies. For this purpose, first of all, transition circuits that will enable the transition from coplanar waveguides to Spoof Surface Plasmon Polariton circuits with minimum loss are designed to operate at 1 THz frequency. In the design of transition circuits, attention has been paid to impedance matching and mode conversion. Then, radiation, conductive and dielectric loss analyses of circuits with different physical dimensions were made using simulation programs. These loss analyses were used to optimize the circuits and Spoof Surface Plasmon Polariton circuits working with the best performance at 1 THz frequency were obtained. For optimized circuits, a model based on the effective waveguide and therefore the guided wavelength has been developed. In this way, the physical dimensions of Spoof Surface Plasmon Polariton circuits, which also work with the best performance at other frequencies, have been determined. These designs can be easily produced with a single layer, and the production steps have been optimized accordingly. The designs were realized with optimized production steps by adding the structures required for measurement. The measurement of the produced structures was completed by applying calibration and the designs were compared with the simulation results to confirm. In addition to these studies, Spoof Surface Plasmon Polariton circuits operating at a frequency of 0.3 THz were designed and produced. With these structures, the best loss per unit length (dB/mm) and degree per loss (°/dB) results were obtained at 0.3 THz frequency.