Kompakt fotonik entegre bağdaştırıcıların güneş hücresi ve yonga üstü uygulamalar için evrimsel algoritmalar ile tasarımı
Design of compact photonic integrated couplers with evolutionary algorithms for solar cell and on-chip
Yazar: HASAN ALPER GÜNEŞ
Danışman: PROF. DR. HAMZA KURT ; PROF. DR. MEHMET ÜNLÜ
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektromanyetik kuplaj = Electromagnetic coupling ; Evrimsel algoritmalar = Evolutionary algorithms    ; Yarı iletken güneş pili = Semiconductor solar cell

Özet:
Bağdaşım, elektromanyetik alanlar yoluyla iki veya daha fazla sistem arasında enerji transferini içerdiğinden, elektromanyetik dalgaları manipüle etmenin önemli bir yönüdür. Yıllar geçtikçe insanlık, dalga kılavuzları, antenler ve lensler gibi cihazların geliştirilmesi yoluyla elektromanyetik dalgaları kontrol etmeyi öğrendi. Bu, çeşitli uygulamalar için daha verimli ve çok yönlü sistemler oluşturulmasını sağladı. Daha iyi güneş hücrelerine, fiberden çipe bağdaştırıcılara ve dalga kılavuzundan dalga kılavuzuna bağdaştırıcılara olan ihtiyaç, sürdürülebilir enerji kaynaklarına, daha hızlı ve daha güvenilir iletişim ağlarına ve entegre fotonik sistemlere yönelik sürekli artan talepten kaynaklanmaktadır. Geliştirilmiş güneş hücreleri, daha temiz bir enerji geleceğine katkıda bulunabilirken, gelişmiş bağdaştırıcılar, fiber optiklerin ve fotonik entegre devrelerin sorunsuz entegrasyonunu sağlayarak daha verimli veri iletimi ve güçlü bilgisayarları ortaya çıkarabilir. Dalga kılavuzundan alttaşa bağdaştırıcılar günümüze kadar üzerinde fazla durulmamış cihazlardır. Bu bağdaştırıcıları optimize etmek, THz anten dizilerinin, lenssiz görüntüleme sistemlerinin ve çip üstü laboratuvarların verimliliğini ve kompaktlığını önemli ölçüde artırabilir. viii THz anten dizileri, kablosuz iletişim ve algılama uygulamalarında devrim yaratabilirken, lenssiz görüntüleme, tıbbi teşhis ve malzeme karakterizasyonunu dönüştürme potansiyeline sahiptir. Öte yandan, çip üstü laboratuvarlar, karmaşık laboratuvar süreçlerini küçültmeyi ve kolaylaştırmayı vaat ederek, taşınabilir ve son derece entegre teşhis araçlarının yolunu açacaktır. Özetle, çeşitli cihazlarda elektromanyetik dalgaların bağdaşımını sağlayan cihazlar kritiktir ve bu cihazların tasarımıda son yıllarda algoritmalar öne çıkmaktadır. Evrimsel algoritmalardan olan parçacık sürü optimizasyonu ve genetik algoritma geleneksel tasarım yöntemlerine kıyasla pek çok avantaj sağlamaktadır. İlk olarak, fotonik cihazlar genellikle çok boyutlu parametre uzaylarına sahiptir. Evrimsel algoritmalar, çok çeşitli olası çözümleri etkili bir şekilde araştırabildikleri için bu karmaşık alanlarda gezinmek için çok uygundur. İkincisi, yerel minimumlara kolayca takılabilen gradyan tabanlı optimizasyon yöntemlerinin aksine, evrimsel algoritmaların genel optimumu bulma olasılığı daha yüksektir. Üçüncüsü, bu algoritmalar, belirli tasarım kısıtlamalarına göre kolayca uyarlanabilir. Son olarak evrimsel algoritmalar, tasarım sürecindeki gürültüye ve belirsizliklere karşı doğal olarak dayanıklıdır. Parçacık sürü optimizasyonu ve genetik algoritmaların güçlü yönlerinden yararlanan bu tez, ilk kısımda fotonik bağdaştırıcıların önemini ve kullanılan algoritmaları anlatmaktadır. İkinci kısımda güneş hücreleri için yüzey şekillendirme ve fiberden çipe bağdaştırıcı tasarımı verilmiştir. Üçüncü kısımda ışığın çip içinde bağdaştırılmasını sağlayan cihazlar tasarlanmıştır. Son kısımda ise tezde elde edilen sonuçlar yorumlanmış ve öngörüler paylaşılmıştır.

Abstract:
Coupling is an important aspect of manipulating electromagnetic waves as it involves the transfer of energy between two or more systems via electromagnetic fields. Over the years, humanity has learned to control electromagnetic waves through the development of devices such as waveguides, antennas, and lenses. This has allowed the creation of more efficient and versatile systems for a variety of applications.
The need for better solar cells, fiber-to-chip couplers and waveguide-to-waveguide couplers is driven by the ever-increasing demand for sustainable energy sources, faster and more reliable communication networks, and integrated photonic systems. Improved solar cells can contribute to a cleaner energy future, while advanced couplers enable seamless integration of fiber optics and photonic integrated circuits, resulting in more efficient data transmission and powerfull computing. Waveguide to substrate coupler is a device that has not been given much attention until today. Optimizing these couplers can dramatically increase the efficiency and compactness of THz antenna arrays, lensless imaging systems, and lab-on-a-chip.
While THz antenna arrays could revolutionize wireless communication and sensing applications, they have the potential to transform lensless imaging, medical diagnostics and materials characterization. On the other hand, labs on a chip will promise to shrink and streamline complex laboratory processes, paving the way for portable and highly integrated diagnostic tools.
In summary, devices that provide the coupling of electromagnetic waves in various applications are critical and algorithms have come to the fore in the design of these devices in recent years. Particle swarm optimization and genetic algorithm, which are evolutionary algorithms, provide many advantages compared to traditional design methods. First, photonic devices often have multidimensional parameter spaces. Evolutionary algorithms are well suited to navigating these complex areas as they can effectively search a wide variety of possible solutions. Second, evolutionary algorithms are more likely to find the overall optimum, as opposed to gradient-based optimization methods that can easily stuck to local minimums. Third, particle swarm optimization and genetic algorithms can be easily tailored to specific design constraints and goals. Finally, evolutionary algorithms are inherently resilient to noise and uncertainties in the design process. Taking advantage of the strengths of particle swarm optimization and genetic algorithms, this thesis explains the importance of photonic couplers and the algorithms used in the first part. In the second part, surface shaping for solar cells and fiber to chip coupler designs are given. In the third part, devices that enable the light to be integrated within the chip are designed. In the last part, the results obtained in the thesis are interpreted and the predictions are shared.