Yonga üstü uygulamalar için tümleşik fotonik ızgara bağdaştırıcıların tasarımı ve eniyilenmesi / Beyza Akçay ; thesis advisor Mehmet Ünlü.

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

Tümleşik fotonik, optik bileşenlerin tek bir çip üzerinde bütünleştirilmesine olanak tanıyan devrim niteliğinde bir teknoloji olarak öne çıkmaktadır. Bu ilerleme, telekomünikasyon, biyomedikal algılama, kuantum bilişim ve hassas ölçüm sistemleri gibi birçok alanda önemli gelişmelere katkı sağlamıştır. Geleneksel elektronik devrelerden farklı olarak, tümleşik fotonik ışığı bilgi taşıma ve işleme amacıyla kullanarak geniş bant genişliği, ultra yüksek veri aktarım hızı ve düşük güç tüketimi gibi avantajlar sunmaktadır. Ancak, tümleşik fotonik sistemlerde karşılaşılan en büyük zorluklardan biri, optik fiberler ile çip üzerindeki dalga kılavuzları arasında ışığın verimli bir şekilde bağdaştırılmasıdır. Optik iletişim ve algılama uygulamalarında kullanılan standart optik fiberlerin çekirdek çapı yaklaşık 10 μm iken, çip üzerindeki fotonik dalga kılavuzları genellikle 1 μm'den daha küçük boyutlara sahiptir. İki arayüz arasındaki bu önemli boyut farkı, bağdaştırma kayıplarına ve mod uyumsuzluklarına neden olarak tümleşik fotonik cihazların verimliliğini doğrudan etkilemektedir. Bu sorunu çözmek amacıyla çeşitli bağdaştırıcı teknikleri geliştirilmiş olup, en yaygın kullanılan yöntemler ızgara bağdaştırıcılar (grating coupler) ve kenar bağdaştırıcılardır (edge coupler). Izgara bağdaştırıcılar, gelen ışığı kırınım temelli bir yapı aracılığıyla dalga kılavuzuna yönlendirerek dikey bağdaştırma mekanizması sağlar. Bu yöntem, hizalama toleranslarının daha esnek olması, yonga (wafer) seviyesinde test edilebilmesi ve kompakt bir tasarıma sahip olması gibi avantajlar sunarak yüksek yoğunluklu tümleşik fotonik sistemler için cazip bir seçenek haline gelmektedir. Kenar bağdaştırıcıların bağdaştırma verimlilikleri daha yüksek olmasına rağmen, yüksek hassasiyet gerektiren üretim süreçleri ve yonga üstüne ışığı hizalamadaki hassasiyetin önemi gibi zorluklar nedeniyle uygulamada daha karmaşık hale gelmektedir. Tümleşik fotonik platformlarında en yaygın kullanılan malzemeler silisyum (Si) ve silisyum nitrür (SiN)'dür. Yüksek kırılma indisi kontrastına sahip silisyum fotoniği, güçlü optik alan hapsi sağlarken, CMOS (Bütünleyici Metal Oksit Yarı İletken) üretim süreçleri ile tam uyumluluğu sayesinde büyük ölçekli entegrasyon için uygun bir platform sunar. SiN ise düşük yayılım kayıpları ve geniş spektral çalışma aralığı sayesinde özellikle doğrusal olmayan optik uygulamalar ve kuantum bilişim için avantaj sağlamaktadır. Literatürdeki çalışmalar çoğunlukla tek bir malzemeye odaklanırken, bu tezde hem Si hem de SiN kullanılarak 1550 nm dalga boyu için optimize edilmiş ızgara bağdaştırıcı tasarımları önerilmektedir. Bu çalışma, ızgara periyodu, aşındırma derinliği ve bağdaştırma açısı gibi yapısal parametreleri optimize ederek bağdaştırma verimliliğini artırmayı ve kompakt bir tasarım sağlamayı hedeflemektedir. Önerilen tasarımlar, fiberden çip üzerine ışık bağdaştırma sürecinin performansını iyileştirerek tümleşik fotonik teknolojilerinin daha geniş bir uygulama alanına yayılmasına katkıda bulunacaktır.

Integrated photonics has emerged as a transformative technology, enabling the monolithic integration and large-scale integration of optical components on a single chip. This advancement has facilitated significant progress in fields such as telecommunications, biomedical sensing, quantum computing, and precision metrology. Unlike traditional electronic circuits, integrated photonics leverages light for information transmission and processing, offering distinct advantages such as high bandwidth, ultra-fast data transfer, and low power consumption. However, one of the major challenges in integrated photonics is the efficient coupling of light between optical fibers and on-chip waveguides. In optical communication and sensing applications, standard optical fibers used for light transmission typically have core diameters of around 10 μm, whereas photonic waveguides on a chip can have dimensions smaller than 1 μm. This significant mode size mismatch results in substantial coupling losses, which directly affect the overall efficiency of integrated photonic devices. Various coupling techniques have been developed to address this issue, with grating couplers and edge couplers being the most widely used solutions. Grating couplers provide a vertical coupling mechanism by redirecting incident light from a fiber into a waveguide through a diffraction-based structure. They offer key advantages such as relaxed alignment tolerances, compatibility with wafer-scale testing, and compact footprint, making them particularly attractive for high-density integrated photonic systems. In contrast, edge couplers provide higher coupling efficiency but require precisely polished facets, making fabrication and packaging more challenging. Silicon (Si) and silicon nitride (SiN) are the two most commonly used materials in photonic integration. Silicon photonics, with its high refractive index contrast, enables strong optical confinement and is CMOS-compatible, making it suitable for large-scale integration. Silicon nitride, on the other hand, offers lower propagation losses and broader spectral operation, making it ideal for nonlinear and quantum applications. Despite the extensive research on grating couplers, most studies focus on a single material. This thesis proposes optimized grating coupler designs utilizing both Si and SiN materials at 1550 nm wavelength. By optimizing design parameters such as grating period, etch depth, and coupling angle, we aim to enhance coupling efficiency while maintaining a compact footprint. The results of this study contribute to the development of high-performance integrated photonic systems by improving fiber-to-chip coupling efficiency across multiple wavelengths, thereby expanding the applicability of photonic platforms.