Geniş bant haberleşme uygulamaları için fotonik entegre devrelerde kullanılabilecek nano ışık kaynaklarının manyetik purcell etkisi ile tasarımı

Abstract

Yıllar içerisinde iletişim ve haberleşme teknolojileri hızla gelişmiş ve günümüzde de halen bu gelişimini sürdürmektedir. Bu gelişim sonucunda ise verimli ve yüksek hızlı veri aktarımı zorunlu hale gelmiştir. Dünyanın önde gelen elektronik bileşen üreticileri de yüksek hız ve enerji verimini amaçlayan yeni teknolojilerin gelişimini destekleyip bu doğrultuda çalışmalar yürütmektedirler. Bahsedilen bu çalışmalara duyulan ihtiyaçların temelinde ise yarı iletken tabanlı işlemcilerde ısı üretimi ve buna bağlı olarak sistemlerin çalışma hızının sınırlı olması gibi nedenler yatmaktadır. Bu problemlerin üstesinden gelebilmenin potansiyel bir çözümü olarak bilgi işleme cihazlarında elektrik sinyalleri yerine ışığın esas bilgi taşıyıcı olarak görev aldığı optik bilgi işleme teknolojileri söz konusu hale gelmiştir. Optik bilgi işlemede gelecek vadeden önemli uygulamalardan biri de nanofotonik teknolojisidir. Bu teknoloji metamalzeme düşüncesi temelinde dalga boyundan daha küçük boyutlarda yapıların tasarlanması ile optik özelliklerin esnek bir şekilde ayarlanabilmesinin önünü açmaktadır. Söz konusu bu uygulamalardan biri olan plazmonikler uzun yıllar boyunca nanofotonik çalışmalarının öncüsü olmuştur. Ancak optik frekanslarda metallerin elektronik bant yapısı ile ilişkili kayıplar nedeniyle plazmonik yapıların kullanıldığı nanofotonik cihazlarda verim sorunu yaşanmaktadır. Son zamanlarda düşük kayıp ve yüksek verim vadeden yüksek kırılma indisine sahip nano yapılar, yüksek saçılma verimi sağlamaları nedeniyle plazmoniklere alternatif olarak değerlendirilmektedir. Bu bağlamda, bu tez kapsamında nanofotonik cihazların iç ve dış haberleşmesi için gerekli, yüksek hızda anahtarlama yapabilen nano ışık kaynakları tamamen dielektrik yüksek kırılma indisli nano rezonatörlerin manyetik Purcell etkisinden yararlanılarak tasarlanmıştır. Çalışmanın içeriğinde üç farklı nano rezonatör tasarımı yer almaktadır. Sunulan ilk iki tasarımda silikon malzemenin optik özelliğinden yararlanıldığı nano rezonatörlerin ışık-madde etkileşimi görünür tayf aralığı olan 400-700 nm arasında incelenmiştir. Son aşamada sunulan germanyum malzemeden meydana gelen nano rezonatörün ışık-madde etkileşimi ise yakın kızılötesi tayf aralığı olan 1000-2500 nm arasında ele alınmıştır. Nano rezonatörlerin saçılma karakteristikleri, yakın alan özellikleri ve manyetik Purcell etkileri zaman domeninde sonlu farklar yönteminin kullanıldığı simülasyon yazılımı aracılığıyla analiz edilmiştir.

Over the years, telecommunication technologies have been rapidly developed and nowadays they still keep growing. High efficiency and high-speed data transfer become compulsory as a result of these developments. Prominent electronic component producer companies are also supporting new studies that aim to provide high-speed and energy efficiency. There are reasons such as heat generation in semiconductor-based processors and, correspondingly, the limited operating speed of the systems underlie the need for mentioned studies. As a potential solution to overcome these problems, optical information process technologies that use light as the main information carrier instead of electrical signals in information process devices come into question. One of promising application in the optical information process is nanophotonic technology. This technology paves the way to adjust optical features flexibly by designing structures in subwavelength scales based on the metamaterial concept. Plasmonics are one of these applications in question and has been pioneered in nanophotonic studies for many years. Nevertheless, plasmonic devices have efficiency trouble due to the losses associated with the electronic band structure of metals at optical frequencies. Recently, nanostructures with a high refractive index that commits low loss and high efficiency are considered as an alternative route to plasmonics by virtue of providing strong scattering effieciency. So, in this thesis, nano light sources that make high-speed switching and provide the internal and external communication of nanophotonic devices have been designed by utilizing the magnetic Purcell effect of all-dielectric with high refractive index nanoresonators. This study includes three different nano resonator designs. The light-matter interaction of first and second nanoresonators made by exploiting optical characteristics of silicon material has been examined in the visible spectral range of 400-700 nm. The light-matter interaction of the last nano resonator design consisting of germanium material has been investigated in the near-infrared spectral range of 1000-2500 nm. The scattering behaviors, near-field properties, and magnetic Purcell effects of these nanoresonators have been analyzed via simulation software that uses finite difference time domain method