Dönüölçer için lityum niyobat nanofotonik çip tasarımı ve üretimi
Design and fabrication of lithium niobate nanophotonic chip for gyroscope
Yazar: ERCAN KARAGÖZ
Danışman: PROF. DR. ŞADAN ÖZCAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Dönüölçerler, hareketli sistemlerin dönüş açılarına bağlı olarak yer değiştirmelerini ölçen sensörlerdir. Bu sensörlerin özel bir türü olan interferometrik fiber-optik dönüölçerler (IFOD), fiber-optik kablo içinde ilerleyen ışığın faz farkını ölçerek dönüş açısını belirleyen hassas optik sistemlerdir. IFOD'ların yüksek hassasiyetle ölçüm yapabilme yeteneği, ataletsel navigasyon sistemlerinin etkinliği açısından kritik bir öneme sahiptir. Ataletsel navigasyon sistemlerinin bir alt sistemi olan IFOD'larda, Lityum niyobat (LiNbO3) tabanlı çok fonksiyonlu entegre optik çip (MIOC) kullanımı önemli bir rol oynamaktadır.

Üstün elektro-optik özellikleriyle telekomünikasyon ve IFOD sistemlerinde yaygın olarak LiNbO3 kristali kullanılmaktadır. Pockels etkisi sayesinde, bu kristalden geçen ışığın fazı, uygulanan elektrik alan ile değiştirilebilmektedir. LiNbO3 tabanlı MIOC kullanımı, IFOD'ların kapalı döngü sistemlerde çalışması için kritik bir rol oynamakta ve bu sayede sistem hassasiyeti önemli ölçüde artmaktadır. İnce film formundaki LiNbO3, düşük gerilimle sürülebilen, küçük dönüş yarıçaplarına sahip nanofotonik elektro-optik modülatörlerin üretilmesine imkân tanır. Bu sayede, fiber-optik iletişimde daha küçük ve az güç tüketen cihazlar geliştirmek mümkün hale gelmiştir.

Bu çalışmada, ince film LiNbO3 kullanılarak nanofotonik dönüölçer çiplerinin tasarımı ve fabrikasyonu hedeflenmiştir. Monolitik ve hibrit nanofotonik aygıtların tasarımı, simülasyonları ve üretim çalışmaları yapılmıştır. Dalgakılavuzlarının küçülen boyutları ile modülasyon geriliminin ve dönüş yarıçapının azaltılması sayesinde aygıt boyutlarının küçültülmesi hedeflenmiştir. Simülasyon sonuçları bu değerleri desteklemiş ve üretim çalışmaları sonrasında nanofotonik yapıların oluşumu optik mikroskop ve SEM görüntülemeleri ile doğrulanmıştır. 

İnce film LiNbO3 alttaşların zor üretim sürecine alternatif olarak, nanofotonik aygıt üretimine uygun, kademeli kırıcılık indisi değişimine sahip yığın LiNbO3 alttaşların geliştirilmesine yönelik çalışmalar yapılmıştır. Bu amaçla, tavlanmış proton değişimi (APE) yöntemi kullanılarak alttaş yüzeyinde step şeklinde kırıcılık indisine sahip bir yapı elde etmek için çalışmalar yapılmıştır. Yığın LiNbO3 alttaş yüzeyinde dalgakılavuzlarının oluşacağı derinlikteki kristal kusurları, ön tavlama işlemiyle iyileştirilmiştir. Bu iyileştirme işlemi, standart MIOC üretim süreçlerine uygulanmış ve yapılan kapsamlı testler sonucunda, ön tavlama işlemi uygulanmış alttaşlarla üretilen MIOC'ların optik geçirgenliklerinin arttığı tespit edilmiştir. Ayrıca, IFOD sistem seviyesi testlerinde sıcaklığa bağlı sabit hata kayması değerlerinde önemli bir iyileşme sağlandığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
Gyroscopes are sensors used to measure the displacement of moving systems based on their rotation angles. A specialized type of these sensors, interferometric fiber-optic gyroscopes (IFOGs), are precise optical systems that determine the rotation angle by measuring the phase difference of light propagating within a fiber-optic cable. The ability of IFOGs to perform highly accurate measurements is critical for the effectiveness of inertial navigation systems (INS). Lithium niobate (LiNbO3) based multifunctional integrated optical chips (MIOCs) play a significant role in IFOGs, which are a subsystem of INS.

Due to its exceptional electro-optic properties, LiNbO3 crystals are widely used in telecommunications and IFOG systems. Through the Pockels effect, the phase of light passing through this crystal can be modulated by an applied electric field. The use of LiNbO3 based MIOCs is essential for enabling closed-loop operation in IFOGs, significantly enhancing system sensitivity. In its thin-film form, LiNbO3 allows the development of nanophotonic electro-optic modulators with low driving voltage requirements and small bending radius. This enables the creation of smaller, more power-efficient devices for fiber-optic communication.

This study aimed to design and fabricate nanophotonic gyroscope chips using thin-film LiNbO3. The design, simulation, and fabrication of monolithic and hybrid nanophotonic devices were conducted. Reducing the waveguide dimensions aims to achieve lower modulation voltages and smaller bending radii, ultimately minimizing the device size. Simulation results supported these goals, and the formation of nanophotonic structures was confirmed through optical microscopy and SEM imaging following fabrication processes.

As an alternative to the challenging production process of thin-film LiNbO3 substrates, efforts were made to develop bulk LiNbO3 substrates with stepwise refractive index profiles suitable for nanophotonic device fabrication. For this purpose, annealed proton exchange (APE) was employed to create a stepwise refractive index structure on the substrate surface. Crystal defects at the depth where waveguides form on bulk LiNbO3 substrates were improved through a pre-annealing process. This improvement was applied to standard MIOC fabrication processes, and comprehensive tests revealed enhanced optical transmission in MIOCs produced with pre-annealed substrates. Furthermore, system-level tests of IFOGs demonstrated significant improvement in temperature-induced bias drift performance.