Optik dalga kılavuzu dizinleri vasıtasıyla ışığın kuplaj ve soğurulma verimliliklerinin arttırılması
Efficiency enhancement of light coupling and absorption with optical waveguide arrays
Yazar: YUSUF ABDULAZİZ YILMAZ
Danışman: PROF. DR. HAMZA KURT
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Sunulan çalışmalardan birinde, giriş/çıkış terminallerinin genişlik uyuşmazlığından kaynaklanan optik güç aktarma problemi için verimli bir çözüm araştırılmıştır. Fikir, yüksek kuplaj verimliliğini sağlamak için Gauss kırılma indis profiline sahip eş dağılımlı olmayan bir ortamı kullanarak ışığın dereceli olarak sıkıştırılması olgusuna dayanır. Başlangıçta derecelendirilmiş kırılma indisli kuplör, 2 boyutlu alanda belirli bir çalıştırma dalga boyu rejimi göz önüne alınmaksızın tasarlandı (yalnızca normalleştirilmiş birimler kullanılarak: çalışma frekansı, yapısal boyutlar). Etkin ortam teorisi, konumsal olarak değişen indis profilini, sonlu uzunluk/genişlik ve sabit kırılma indisli dielektrik şeritler ile değiştirmek için kullanılmıştır. Zaman-alanında sonlu-farklar yöntemi, ışık kuplaj verimliliğini arttırmada önemli rol oynayan parametreleri belirlemek ve tasarlanan güç kuplörünün örneklenme etkisini araştırmak için kullanılmıştır. Geleneksel sivrileştirilmiş ve direk kuplörlerin kuplaj performansı, optik dalga kılavuzları dizinleri ile tasarlanmış kuplörün kuplaj performansı ile karşılaştırıldığında; kuplaj verimliliği geniş bir frekans aralığı boyunca yaklaşık %30'dan %95'e arttığı gözlemlenmiştir. Ardından, entegre fotonik uygulamalara uygun gerçekçi optik güç kuplörünü gerçekleştirmek için, 3 boyutlu  
zaman alanı analizleri ile devam edilmiş ve önerilen yapı sayısal olarak yalıtkan üstü Si üzerinde tasarlanmıştır. Telekom dalga boyu rejiminde çalıştırmak için en yüksek iletim penceresinin merkez dalga boyu 1.55 μm'ye eşitlendiğinde, şeritli kuplörün boyutları 9.77 μm (ilerleme yönüne dik yön boyunca) ve 7.69 μm (ilerleme yönü boyunca) olmaktadır. Mikrodalga deneyleri, önerilen şeritli kuplörün çalışma prensibini göstermek ve derecelendirilmiş indis modülasyonunun gelen konumsal ışın genişliği sıkıştırmasına etkisini anlamak için yapılmıştır. Konumsal sıkıştırma, kuplaj işlemi için hayati önem taşımaktadır ve sayısal olarak hesaplanan alan sıkıştırma/yakınsaklık fenomeni ile uyumludur. 7.1:1'e kadar yüksek benek çapı dönüşüm oranı ölçülürken, 5.0-16.0 GHz frekans aralığında %60'tan fazla bir kuplaj verimliliği gösterilmiştir. Son olarak, önerilen şeritli dalga kılavuzu kuplörün önemli noktaları şu şekilde özetlenebilir: Yapı boyutsal olarak kompakttır, geleneksel indis modülasyon tabanlı optik kuplörlere kıyasla daha az dispersiyona sahiptir, üretime daha uygundur ve tamamen dielektrik olması sayesinde ek iç malzeme kayıplarına maruz kalmamaktadır.
Sunulan çalışmaların diğerinde, kompakt, düşük maliyetli ve çok renkli germanyum kızılötesi fotodetektör, adiyabatik olarak ayarlanmış düzlemsel periyodiklikle 1 boyutlu ızgara kılavuzlanmış-mod rezonans durumu kullanılarak tasarlanmıştır. Sayısal olarak, her dalga vektör bileşeni farklı yerel düzlemsel periyotlarla eşleştiği için, rezonans fenomeni ile birlikte ayrıca tayfsal bir ayrıştırma meydana geldiği gösterilmiştir. Önerilen fotodetektör, 0.413 μm2'lik çok küçük aktif bölgeye sahiptir, 70 nm'lik bant genişliğinde 0.63 A/W'ye kadar ideal duyarlılığa ve %61'e kadar çok renkli foton soğurulmasına olanak tanımıştır. Bildirilen sonuçlar, son derece minyatürleştirilmiş ultra-kompakt çok renkli fotodetektör şemalarına çok değerli bir bakış açısı sağlayabilir.
Anahtar Kelimeler: Optik dalga kılavuzu dizinleri, Fotonik örgü, Optik kuplör, Etkin ortam teorisi, Kılavuzlanmış-mod resonans, Optik soğurulma, Kızılötesi fotodetektör.

Abstract:
One of the presented works investigates a possible solution for general optical power coupling problem arising from width mismatch of in-/out- waveguide channels. The idea is based on gradually converging of light to provide high coupling efficiency and utilizes inhomogeneous medium having a Gaussian refractive index profile. Initially, the graded-index coupler was designed without considering a specific operating wavelength regime at the 2 dimensional domain (employing only normalized units: operating frequency, structural dimensions). Effective medium theory is used to replace spatially varying index profile with dielectric stripes of finite length/width and constant effective refractive index. Finite-difference time-domain method is used to determine the parameters that play a key role to enhance the light coupling efficiency and investigate the sampling effect of designed power coupler. Comparing the coupling performance of conventional benchmark adiabatic and butt couplers with the designed coupler with optical waveguide arrays, coupling efficiency increases from approximately 30% to 95% over a wide frequency interval. Then, to realize realistic optical power coupler appropriate to integrated photonic  
applications, we continued with 3 dimensional time domain analyses and the proposed structure is numerically designed on a silicon-on-insulator wafer. Equalizing the center wavelength of high transmission window to be equal to 1.55 μm to operate at telecom wavelength regime, the dimensions of the striped coupler becomes 9.77 µm (along the transverse to propagation direction) and 7.68 µm (along the propagation direction). The microwave experiments have done to demonstrate the working principle of the proposed stripped waveguide coupler and to understand the effect of a gradient index modulation on the incident spatial beam width compression. A spatial compression is vital for a coupling operation and is in concordance with the numerically calculated field compression/converging phenomenon. Spot size conversion ratio as high as 7.1:1 is measured, whereas a coupling efficiency over 60% in the frequency range of 5.0-16.0 GHz has been also demonstrated. Finally, the important highlights of proposed coupler with dielectric stripes can be summarized as follows: the structure is compact, is less dispersive comparing to the conventional index modulation based optical couplers, is more feasible to fabricate, and is not exposed to additional intrinsic material losses because of all dielectric.
Other one of the presented works, a compact low-cost multicolor germanium infrared photodetector is designed by utilizing the guided-mode resonance condition of a one-dimensional grating with adiabatically tuned in-plane periodicity. It is shown numerically that the resonance phenomenon is accompanied by a spectral splitting, as every wavevector component is matched with different instantaneous local in-plane periods. In result, the proposed photodetector enables multi-wavelength photon absorption up to 61% efficiency and an ideal responsivity up to 0.63 A/W over a 70 nm bandwidth, while maintaining a very small active region of 0.413µm2. The reported results provide a very valuable insight into highly miniaturized ultra-compact multicolor photodetection schemes.
Keywords: Optical waveguide arrays, Photonic lattice, Optical coupler, Effective medium theory, Guided-mode rezonance, Optical absorption, Infrared fotodetector.