Ters Tasarımlı Ultra-Kompakt Alt/Üst/Bant Geçirgen Entegre Fotonik Filtreler

Abstract

Günümüzde internetin de yaygınlaşmasıyla iletilen veri miktarının yüksek hızlı şekilde artması, düşük güçle çalışan ve yüksek enerji verimine sahip, ölçeklenebilir, kullanım sırasında uyarlanabilir sistemleri gerekli kılmıştır. Bu aşamada, silisyum temelli optik haberleşme endüstrisi bahsedilen gereklilikleri karşılayan aygıtlarla son yıllarda yoğun şekilde kullanılmaya başlanmıştır. Halihazırda elektronik aygıtlar için kullanılan CMOS üretim teknolojisinin silisyum fotonik aygıtlarının üretiminde de kullanılması bu alandaki gelişmeyi hızlandırmıştır. Bu fotonik aygıtların aynı anda birden çok dalga boyu veya optik kip (mode) işlemesi gerekmekte, bu tür karmaşık fonksiyonlu aygıtlar, araştırmacının manuel olarak gerçekleştirdiği klasik tasarım yöntemleriyle oluşturulamamaktadır. Özellikle elektronik alanında sıklıkla kullanılan alt/üst geçirgen filtreler şu ana kadar fotonik alanında küçük boyutlarda ve yüksek enerji verimine sahip şekilde gösterilememiş, bu filtrelerin tasarlanması için bilgisayar algoritmalarına dayanan yenilikçi ve otomatik tasarım uygulamaları gerekli hale gelmiştir. Projemizde de geliştirilen ters tasarım algoritmaları ile alt/üst geçirgen filtrelerin tasarlanması, bunların birbirine bağlanması ile bant geçirgen filtreler üretilmesi ve deneysel olarak gösterilmeleri amaçlanmıştır. Bunlara ek olarak termo-optik etki sayesinde silikon indisinde yapılacak değişikliklerle bant geçirgen filtrelerin merkez dalga boyları ve bant genişliklerinin kontrol edilebileceğini göstermek hedefler arasındadır. Bu amaçlar doğrultusunda, 2 boyutlu veya 3 boyutlu simülasyon yöntemleriyle bu aygıtların tasarlanması denenmiş, bu yöntemlerin hız, fiziksel doğruluk gibi konularda karşılaştırılmaları yapılmıştır. Bu yöntemlere alternatif olarak uygulanan Mach-Zender Interferometresi (MZI) ağı temelli tasarım algoritması ile fiziksel doğruluğu yüksek alt/üst geçirgen filtreler yüksek hızlı şekilde tasarlanabilmiştir. Bu tasarımların, kendi geliştirdiğimiz maske çizim programlıyla temiz oda üretim tesisine gönderilmesi sağlanmış, üretilen aygıtların deneysel ölçümleri yapılmış ve simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Ulaşılan sonuçlara göre, tasarlanan aygıtlar dünya standartlarında en iyi sayılabilecek performanslara ulaşarak, deney sonuçlarında sadece 4 nm sınır dalga boyu kayması, 0.66 dB optik kayıp, 13 dB optik sönümleme ve 0.58 dB bant düzlüğü ölçülmüştür. Bant geçirgen filtrelerde bant genişliği 33 nm elde edilmiş, 0.37 dB gibi literatürdeki en iyi performanslardan biri olan bir optik kayıp ölçülmüştür. Aynı zamanda çip sıcaklığının ayarlanması ile bant genişliği 36 nm?ye çıkarılmış, 1558 nm olan merkez dalga boyu 1561 nm?ye kadar uzatılmıştır. Bu sonuçlar, elde edilen aygıtların optik haberleşmeye yönelik uygulamalarda kullanılabileceğini göstermiş, aynı zamanda geliştirilen tasarım algoritmalarının sadece filtreler değil fotonik disiplininde kullanılan farklı aygıtların da tasarımında kullanılabileceğini kanıtlamıştır.