Simetrisi azaltılmış fotonik ortamlarda ışık dağılımınınileri düzey kontrolü
Advanced control of light propagation in symmetry reduced photonic media
Yazar: DÖNE YILMAZ
Danışman: PROF. DR. HAMZA KURT
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Birim hücresinde farklı boyutlu elemanlara sahip yapılar, yüksek simetrili olanlara göre daha büyük bant genişliklerine, iletim spektrumunda daha zengin karakteristiklere, düşük geri yansıma kayıplarına sahip oldukları için son zamanlarda fotonikte yeni nesil aygıt tasarımlarında yaygın şekilde kullanılmaktadır. Bu tez
çalışmasında dönme simetrisi azaltılmış periyodik yapılarda asimetrik iletim özelliği, yüzey modları ve yavaş ışık karakteristiği incelenmiştir. Ayrıca aperiyodik olan kuazi kristallerin yüksek olan dönel simetrisi kırılarak kavite yapısı ve yüzey dalga kılavuzları tasarlanmıştır. Optik sinyali bir yönde iletirken ters yönde yansıtarak yapının diğer tarafına ulaşmasını engelleyen optik diyotlar gelişmiş fotonik uygulamalarında kullanılmaya
başlanmıştır. Tezin ilk bölümünde, telekom dalgaboyunda geniş bantlı asimetrik iletim özelliğinin yanında ışığı farklı kırınım mertebelerine ayıran fotonik kristal yapı tasarlanmıştır. Silikon malzemeden oluşan farklı yarıçaplı dielektrik silindirler kullanılarak hetero yapılı tasarlanan kırınım ızgarası ışığın geliş açısına oldukça toleranslıdır. Tasarım gelen ışığı +x yönünde %73 oranında iletebilirken, zıt yön olan –x yönünde ise ışığı belli frekanslarda %99'lara kadar yansıtabilmektedir. Ayrıca fotonik kristal ızgara yapısı ileri yönde gelen dalgayı başarılı şekilde kırınım mertebelerine bölmektedir. Farklı frekanslar yapı tarafından farklı kırınım
derecelerine ayrılmaktadır. Gösterdiği bu özellikler sayesinde tasarlanan kristal yapı spektrometre alanında kullanım için uygun bir adaydır. Tezin üçüncü bölümünde ise düşük simetrili periyodik yapılarda frekans seçici ve
yavaşlatılmış yüzey Bloch dalgaların yönlü iletiminin kontrolü çalışılmıştır. Bunun için kare örgülü periyodik yapıya ikincil saçıcı elemanlar eklenmiş ve sadece yüzeyde yer alan ikincil silindirlerin konumları modifiye edilerek yüzey modun frekansının yanı sıra, ilerleme hızı ve ilerleme yönü de kolayca kontrol edilmiştir.
Dizilim açısının düşük değerlerinde yüzeyin grup indisi 237'ye kadar yükselmiştir. Yüzeye tutunan dalgalar indis güdümlü olduğu için dizilimsel değişiklik elektik alan dağılımının farklılaşmasına sebep olmuştur. Böylece yapının etkin kırılma indisi değişerek yüzey mod frekansın modifiye edilmesini sağlamıştır. Bu özelliklerinin yanı sıra bant diyagramında ortaya çıkan yüzey modların negatif eğime sahip olmalarını ters yönlü iletimin mümkün olduğunu göstermiştir. Düşük dizilim açılarında ışık her iki yönde birden ilerlerken, dizilim açısı arttıkça geri yönlü iletim baskın hale gelmektedir. Yüzeyde kolayca modifiye edilebilen yavaş ışık sayesinde tasarım, güneş pillerinde, sensör uygulamalarında ve ışın ayırıcı dalga kılavuzu olarak interferometrelerde kullanılabilir.
Tezin son bölümünde ise sekizgen simetrili kuazi kristallerin yüksek olan dönel simetrisi düşürülerek kavite etkisinde ve yüzey modlarda yüksek simetrili olan standart yapıya göre üstün özellikler sergilemesi sağlanmıştır. Kuazi kristalde kavite modlarının frekansı, mod alanları ve kalite faktörleri kontrol edilmiştir. Yüzeyde
meydana getirilen modifikasyon bu dizilimlerde de yüzey dalgaların elde edilmesini sağlamıştır. Yüzeyde yer alan silindirlerin büyüklük ve konum değişimi sayesinde frekans ayarlaması mümkün hale gelmiştir.

Abstract:
Recently in new generation photonic devices, the designs having elements with different sizes in the unit cell are widely used in photonics, since they have larger bandwidths, richer characteristics in the transmission spectrum, lower back reflection losses than those with high symmetry. In this thesis, asymmetric transmission properties, surface modes, and slow light characteristics are examined in the periodic structures with reduced rotational symmetry. In addition, cavity structure and surface waveguides are designed by breaking the high rotational symmetry of quasicrystals. The optical diodes are used in advanced photonics applications that prevent the
optical signal to reach the other side of the structure. In the first part of the thesis, in addition to the broadband feature of the asymmetric transmission at the telecom wavelength, the photonic crystal structure has been designed to separate the light into different diffraction orders. The diffraction grating, which is designed in a heterogeneous manner using dielectric cylinders with different radii of silicon material, is very tolerant of the incident angle of the light wave. The design can transmit the light in the direction of +x by 73%, while the photonic crystal diffraction grating can reflect light at certain frequencies up to 99% in the opposite direction. In addition, the grating structure successfully divides the forward wave into the diffraction orders. The crystal structure designed with these features is a suitable candidate for use in the field of the spectrometer. In the third part of the thesis, control of the directional transmission of frequency selective and decelerated surface Bloch waves in low symmetric periodic structures is studied. For this purpose, additional elements have been added to the periodic structure and only the positions of the cylinders on the surface have been modified, as well as the frequency of the surface mode, the group velocity and the direction of propagation have been easily controlled. At the low values of the orientation angle, the group index of the surface increased to the value of 237. Since the waves that are attached to the surface are index guided, the position change of the rods causes the
electric field distribution to vary. The changing effective refractive index of the structure allows the modulation of the surface frequency. Also, the negative slope of the surface modes appearing in the band diagram shows that backward transmission is possible on the structure surface. For the low orientation angles, the light travels in both directions, while the backward propagation becomes more dominant as the angle of orientation increases. Owing to the slow light property of the surface modes which can be easily modified on the surface, the design can be used in solar cells, sensor applications, and interferometers as a beam splitter waveguide. In the last part of the thesis, the high rotational symmetry of the octagonal quasicrystals is reduced to enhance the performance of the design in terms of cavity effect and surface modes. In quasicrystal, frequency, mode areas, and quality factors of the cavity modes are easily controlled. The surface-induced modification provides surface waves in this arrangement. Thanks to the size and position change of the cylinders located on the surface, frequency adjustment has become possible.