Fotonik kristallerde yavaş ışık temelli sensör tasarımı

Abstract

Işığın yayılımını denetlemek ve yönetmek optik ve fotonik alanının önemli konularından biridir. Işığın birçok özelliği yüksek hassasiyette sensör tasarımlarını mümkün kılmaktadır. Bu sensör tasarımlarında son yıllarda fotonik kristallerin kullanımı yaygınlaşmıştır. Fotonik kristaller, dielektrik sabitinin bir, iki veya üç boyutta periyodik olarak değiştiği, yarı iletkenlerdeki elektronik bant aralığına benzer olarak fotonik bant aralığına sahip olan yapılardır. Bu fotonik bant aralığı belirli dalga boylarının kristal içerisinde ilerlemesini sağlarken belirli dalga boylarını geri yansıtarak kristalin içinde ilerlemesini engellemektedir. Fotonik kristal yapılarda oluşturulan bilinçli kusurlarla fotonik bant aralığında kusur kipleri elde edilir. Bu kusur kiplerinin dalga kılavuzu içerisinde ilerlerken grup hızının azalması sonucu artan madde-alan etkileşimi sensör hassasiyetini de arttırmaktadır. Tez çalışmasında kare örgülü fotonik kristallerin tasarımı yapılmış ve bilinçli olarak yapılan kusurların fotonik kristallerin özellikleri üzerindeki değişimleri incelenmiştir. Fotonik kristalin örgü simetrisinde yapılan çeşitli değişimler sayesinde ışığın grup hızı azaltılmış ve bunun sonucunda madde-alan etkileşimi arttırılmıştır. Yapılan tasarım ile sensör olarak kullanılan dalga boyu aralığında ışığın grup hızı 0,13*c olarak hesaplanmış ve sensör hassasiyeti 212 nm/RIU olarak elde edilmiştir. Yüksek dereceden kiplerin sensör hassasiyetine etkisinin incelenmesi amacıyla yapılan ikinci tasarımda iki farklı kip incelenmiştir. İkinci tasarımda birinci kiple 166 nm/RIU ve ikinci kiple 181 nm/RIU sensör hassasiyetine ulaşılmıştır. Bu tasarımda yüksek dereceden kiplerin azalan dalgasının (evanescent field) dielektik çubuklar üzerinde yoğunlaşmasının sensör hassasiyetini arttırdığı gösterilmiştir.

Controlling and managing the propagation of light is one of the important issues in optics and photonics. Many properties of light enable high precision sensor designs. The use of photonic crystals in these sensor designs has become widespread in recent years. Photonic crystals are structures that have a photonic band gap, similar to the electronic band gap in semiconductors, where the dielectric constant changes periodically in one, two, or three dimensions. While this photonic band gap allows certain wavelengths to travel through the crystal, it prevents certain wavelengths from moving through the crystal by reflecting them back. With the intentional defects created in photonic crystal structures, defect modes in the photonic bandgap are obtained. As these defect modes travel through the waveguide, the increasing substance-field interaction as a result of the decrease in the group velocity increases the sensitivity of the sensor. In this thesis study, the design of square lattice photonic crystals is made and the changes on the properties of the photonic crystals are investigated. The group velocity of the light is reduced by various changes made in the lattice symmetry of the photonic crystal, and as a result, the matter-field interaction is increased. With the design, the group velocity of the light is calculated as 0,13 * c and the sensor sensitivity is obtained as 212 nm / RIU. Two different modes are examined in the second design, which is designed to investigate the effect of higher-order modes on sensor sensitivity. In the second design, 166 nm / RIU sensor sensitivity is reached with the first mode and 181 nm / RIU with the second mode. In this design, it has been shown that the concentration of the evanescent field on the dielectric rods increases the sensitivity of the sensor.