Zaman alanı terahertz fiber üstü radyo uygulamaları için yonga üstü fotonik bileşenlerin ileri tasarım yöntemleri ile geliştirilmesi / Ahmet Oğuz Sakın ; thesis advisor Mehmet Ünlü.

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

Terahertz (THz) bandı, elektromanyetik spektrumda mikrodalga ve optik frekans bantları arasında yer almakta olup, tipik olarak 0.1 ila 10 THz arasındaki frekansları kapsamaktadır. Özellikle 100 GHz'in üzerindeki THz frekanslarında elde edilen geniş bant genişlikleri, geleceğin kablosuz haberleşme sistemleri için büyük bir ilgi odağı haline gelmiştir. Bu bantlar, terabitler seviyesinde veri iletim hızları sunarak, milimetre dalga tabanlı kablosuz sistemlerden yaklaşık yüz kat daha yüksek aktarım hızlarına ulaşılmasını mümkün kılmaktadır. Ancak, THz frekanslarının sunduğu avantajlardan tam anlamıyla yararlanabilmek için, geniş çalışma bant genişliğine ve yüksek güç seviyelerine sahip yüksek performanslı terahertz kaynakları ve algılayıcıların geliştirilmesi önemli bir araştırma problemi olarak varlığını sürdürmektedir. THz dalgalarının üretilmesinde fotoiletim yöntemi, doğrusal olmayan optik süreçlere kıyasla çok daha yüksek güç verimliliği sunmakta olup, teorik olarak %100 verime ulaşma potansiyeline sahiptir. Ancak, bu yöntemin etkin bir şekilde kullanılabilmesi için, üretilen THz sinyallerinin faz, genlik, uzak alan profili ve hüzme yönlendirme açısı gibi temel parametrelerinin yüksek verimlilik ve hassas bir şekilde kontrol edilmesi gerekmektedir. Bu kontrolün, ultrakısa optik darbelerin fotoiletken antenlerin aktif bölgelerine ulaşmadan önce, optik darbeleri ilgili işlemleri yerine getirecek şekilde uyaran yonga üstü fotonik mimari sayesinde en yüksek performans ve ölçeklenebilirlikle sağlanabileceği öngörülmektedir. Bu doğrultuda, terahertz sinyal yayılımında kritik bir rol oynayan ultrakısa optik darbelerin (özellikle 100 femtosaniye altı) çok kanallı fotonik mimari içerisinde bozulmadan ilerleyebilmesi ve farklı kanallar arasında gecikme süresi üzerinde hassas ayarlamalar yapılabilmesi, fotonik entegre devrelerin zaman alanında yüksek hassasiyet ile tasarlanmasını zorunlu kılmaktadır. Bu kapsamda, yonga üstü optik bağdaştırıcılar, zaman alanı gecikme hatları, güç bölücüler, yansıtıcılar, optik kıvrımlar (bends), geçiş bölgeleri, mod dönüştürücüler ve ışık yönlendiriciler gibi kilit bileşenlerin ultrakısa darbelerin spektral ve zamansal bütünlüğünü koruyacak şekilde optimize edilmesi, yeni optimizasyon yöntemlerinin geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu tez çalışmasında, terahertz zaman-alanı hüzme yönlendirmeli fotoiletken anten dizisi için fotonik mimari bileşenleri belirlenerek hibrit terahertz-fotonik mimarisi oluşturulmuş; bu bileşenlerin ultrahızlı darbeler odaklı tasarımı, farklı malzeme platformlarında ve terahertz fotoiletken antenleri ile hibrit olarak üretimi, ayrıca hem zaman alanı hem de frekans alanı karakterizasyonu konuları incelenmiştir. Tezin ilk bölümünde terahertz entegre fotonik sistemlere genel bir giriş yapıldıktan sonra ikinci kısımda yüksek dispersiyon profiline sahip fotonik dalga kılavuzlarında ultrahızlı darbe yayılımı ve zaman alanı dinamikleri ele alınmıştır. Bu kapsamda, ultra hızlı darbelerle gerçek zamanlı gecikme hatları ve hüzme yönlendirme uygulamalarının verimli bir şekilde gerçekleştirilebilmesi için, gecikme hatlarının yapısal parametrelerinin yüksek tepe gücü, gelişmiş zamansal çözünürlük ve uzatılmış darbe depolama süresi gibi kritik performans metrikleri üzerindeki etkileri incelenmiş ve uygulamaya özel optimum tasarımlar elde edilmiştir. Tezin üçüncü bölümünde, hüzme yönlendirme uygulamalarında kullanılacak dispersif fotonik dalga kılavuzlarının, çok kanallı fotonik mimarilerde daha ölçeklenebilir şekilde çalışmasını sağlamak amacıyla, kristal kafes yapıları ve grup indis profilleriyle uyumlu optik güç bölücüler, grup indis geçiş bölgeleri, optik kıvrımlar ve yansıtıcıların tasarımı ele alınmıştır. Bu bileşenlerin düşük kayıplı, geniş bantlı ve Bloch mod profillerini koruyacak şekilde optimize edilmesi için ileri tasarım yöntemleri kullanılarak en uygun topolojiler elde edilmiştir. Ayrıca, benzer ileri tasarım yaklaşımları, özellikle silisyum nitrür tabanlı gerçek zamanlı gecikme hatlarında karşılaşılan sorunların çözümüne yönelik olarak da gösterilmiştir. Tezin dördüncü bölümünde, silikon ve silikon nitrür tabanlı fotonik mimarilerin sırasıyla 100 ve 150 nm seviyesinde hassasiyetle üretim adımları detaylandırılmış ve bu yapıların terahertz fotoiletken antenlerle hibrit entegrasyonu ele alınmıştır. Ardından, frekans ve zaman alanı ölçüm süreçleri kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. İlk olarak, önceki bölümlerde ifade edilen fotonik bileşenlerin frekans alanı karakterizasyonu nasıl gerçekleştirildiği ve ölçüm verilerinin analizine yönelik metodolojiler açıklanmıştır. Daha sonra, zaman alanı ölçümleri, geleneksel sürekli dalga (CW) fotonik ölçümlerinden elde edilen verilerle Sonlu Darbe Tepkisi (FIR) modeli kullanılarak, tasarlanan yapıların ultrahızlı darbeler altındaki performansının deneysel olarak nasıl doğrulandığı ifade edilmiştir. Önerilen yöntemler ve tasarımlar, yalnızca terahertz dalga formu üretimi ile sınırlı kalmayıp, fotonik nöromorfik hesaplama, fotonik sinir ağları, fotonik LiDAR ve kuantum fotonik gibi birçok ileri teknoloji alanında da önemli bir potansiyel sunmaktadır.

The terahertz (THz) band, located between the microwave and optical frequency ranges in the electromagnetic spectrum, typically spans frequencies from 0.1 to 10 THz. In particular, the wide bandwidths available at THz frequencies above 100 GHz have attracted significant interest for future wireless communication systems, enabling data rates on the order of terabits per second—approximately 100 times higher than those achievable with millimeter-wave systems. However, to fully harness the advantages of THz frequencies, the development of high-performance THz sources and detectors with ultrawide operational bandwidths and high-power levels remains a critical research challenge. In THz generation, the photoconduction method offers considerably higher power efficiency compared to nonlinear optical processes, with a theoretical potential of achieving 100% efficiency. Nevertheless, effective implementation of this approach requires precise and ultra efficient control of essential parameters—such as phase, amplitude, far-field profile, and beam steering angle—of the generated THz signals. This control is expected to be realized with maximum performance and scalability through an on-chip photonic architecture that manipulates ultrashort optical pulses to perform the intended operations prior to reaching the active regions of the photoconductive antennas. In this context, the ability of ultrashort optical pulses (particularly those shorter than 100 femtoseconds) to propagate without degradation through a multi-channel photonic architecture while enabling precise time-delay control across different channels necessitates the design of photonic integrated circuits optimized for ultrafast time-domain dynamics. To this end, it is critical to redesign key components—such as on-chip optical couplers, true time delay lines, power splitters, reflectors, optical bends, transition regions, mode converters, and optical switches—in a way that preserves the spectral and temporal integrity of ultrashort pulses. Moreover, the development of advanced optimization methods is essential to achieving these objectives. In this thesis, a hybrid THz-photonic architecture is designed for a THz time-domain beam-steering photoconductive antenna array system through the identification and integration of appropriate on-chip photonic components. The design of these components, their hybrid integration on various material platforms alongside THz photoconductive antennas, and their characterization in both the time and frequency domains are investigated. The first chapter of the thesis provides a general introduction to terahertz integrated photonic systems, followed by a second chapter that addresses ultrafast pulse propagation and time-domain dynamics in dispersive photonic waveguides. To efficiently realize true time delay lines and beam-steering operations for ultrafast applications, the influence of structural parameters on key performance metrics—such as high peak power, enhanced temporal resolution, and extended pulse storage duration—is analyzed. In the third part, the design of optical power splitters, group-index-engineered transition regions, optical bends, and reflectors is examined to ensure the scalable operation of dispersive photonic waveguides within multi-channel photonic architectures for beam-steering applications. Advanced design methods have been employed to achieve low-loss, wideband performance while preserving Bloch mode crystal lattice profiles. Furthermore, similar advanced design approaches have been applied to overcome challenges in silicon nitride true time delay lines. In the fourth part of the thesis, the fabrication steps of silicon- and silicon nitride-based photonic architecture with nanometer-scale precision (down to 100 and 150 nm, respectively) are presented in detail, along with their hybrid integration with terahertz photoconductive antennas. Subsequently, the detail of the frequency- and time-domain measurement processes are examined. First, the frequency-domain characterization of the photonic components discussed in the previous chapters is presented, along with the methodologies used to analyze the measurement data. Then, the time-domain measurement steps are presented based on the fundamentals of the Finite Impulse Response (FIR) model, using data obtained from conventional continuous-wave (CW) photonic measurements to demonstrate how the performance of the designed structures is experimentally validated under ultrafast pulse excitation. The proposed methods and designs are not limited to THz waveform generation; they also hold significant potential for advanced applications, including photonic neuromorphic computing, photonic neural networks, photonic LiDAR, and quantum photonics.