Geri Dön

Theoretical and experimental investigation of silicon nanowire waveguide displacement sensors

Eşzamanlı silikon nanokablo dalgakılavuzu yer-değişim algılayıcılarının kuramsal ve deneysel olarak incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 349740
  2. Yazar: MUHAMMET MUSTAFA KAYKISIZ
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. ERDAL BULĞAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2013
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 174

Özet

Birleşik optik devreler sağladığı küçük cihaz boyu ve fabrikasyon maliyeti bakımından mikro elektronik ve fotonik teknolojileri için önemlidir. Silikon nanotel dalgaklavuzları ve fotonik kristaller bu amaç doğtultusunda çok yönlü incelenmiş ve çalışılmıştır. Fotonik cihazlar gömülü nano/mikroelektromekanik sistemler (NEMS/MEMS) ile birlikte yayınlanmıştır. Bunlar silikon dalgaklavuz bazlı add-drop multiplexer, nanotel dalgaklavuz yüzükleri, silikon nanotel dalgaklavuzu temelli optik anahtarlar, optik dalgaklavuz modülatörleridir. Birleşik optik devreler gömülü NEMS/MEMS teknolojisi ile birlikte görevlerine göreve yüzey üzeri ya da yüzeye dik olarak çalışabilir. Bu cihazların karakterizasyonları Taramalı Elektron Mikroskoplarında (SEM) veya optik mikroskoplarda yapılabilmektedir. Farklı voltaj değerleri için sırasıyla optik mikroskop altında çekilmiş foroğrafların kaliteleri optik cihazlarının karakterizasyonunun kalitesini belirlemektedir. Çekilen fotoğrafların kalitesinin yüksek olmaması ile birlikte çok yüksek kalitede mikro optik cihaz üretilmesi halinde dahi karakterizyon sorunu yaşamaktadır. Bu fotoğrafların cihazın karakterizyonunda kullanılmasında ki hata payı on nanometrelerden yüzlerce nanometreye kadar çıkabilmektedir. Nano/Mikro optik sistemlerde hassas hareket yada uzaklık ölçmek herhangi bir düzgün karakterizasyon düzeneği olmadan kritik bir parametredir. Bu parametrenin düzgün kurulamaması halinde herhangi bir hareketi ölçmek ve kontrol etmek imkansız olmaktadır. Sonuç olarak yayınlanmış mikro cihazlar sadece test düzeneklerinde kullanılarak herhangi bir optik sisteme entegre edilememektedir. Yukarında bahsedilen gereksinimden dolayı Fabry-Perot methodu temelli gömülü yüzey üzeri uzaklık/mesafe sensörleri çalışılmıştır. Performansının yüksek olmasıyla birlikte optik dalgaboyuna bağımlılığından dolayı çok hassas derecede mikro fabrikasyon gereksinimi vardır. Bir başka dezavantajı ise ölçüm aralığının sadece 29nm olmasıyla birlikte cihazın kapladığı alan mikro cihazlara göre büyük kalmaktadır. Gömülü nanofotonik silikon dalgaklavuz temelli mesafe ölçümünü yakın-alan da algılayabilen mekanizma önerilecektir. Teorik çalışmaları 3 boyutlu Sınırlı-Fark Zaman-Alan analiz yazılımı ile yapılacakmıştır. Mesafe ölçücü mekanizma silikon-yalıtkan pul üzerine 340nm kalınlıklı silikon, 1µm kalınlıklı SiO2 tabaka üzerine imal edilmiştir. Ölçüm mekanizmasının toplam cihaz alanı yaklaşık olarak 32×25µm2 'dır. Teorik ve deneysel sonuçlar 600nm uzaklık için birbirleri ile maksimum 2.77% sapmayla uyuşmaktadır. 1.55µm dalgaboyunda ölçüm aralığı 0.29% nanometre başına optik değişim olmakla birlikte ölçüm aralığı ise yaklaşık 1000nm'dir. Bu mekanizma entegre optik devrelerde gerçek zamanlı ölçümlerde kullanılabilecektir. Ayrıca NEMS/MEMS methodu ile birlikte çeşitli nano boyutlu pozisyonlamada ve görüntüleme teknolojisinde kullanılabilecektir. 2 tane farklı nanometre altı fiziksel temasa dayalı görünmez dalga boyunda çalışabilen mekanik mekanizmalar nümerik ve deneysel olarak çalışılmıştır. Mekanizmalar gömülü olarak çalıştıklarından dolayı yüksek hassasiyet, küçük cihaz boyu ve düşük fabrikasyon fonksiyonelliği göstermektedir. Teorik çalışmaları 3 boyutlu Sınırlı-Fark Zaman-Alan analiz yazılımı ile yapılacakmıştır. Mesafe ölçücü mekanizma silikon-yalıtkan pul üzerine 340nm kalınlıklı silikon, 1µm kalınlıklı SiO2 tabaka üzerine imal edilmiştir. Teorik ve deneysel çalışma sonuçları birbirleri ile uyuşmaktadır. Sunulan birinci ve ikinci mekanizmaların hassasiyetleri 1.55µm dalgaboyu için yaklaşık 1.13nm ve 1.19nm olarak ölçülmüştür. Sonraki uygumalar için hassasiyetleri kullanılan ışık kaynağına göre daha aşağılara çekilebilmektedir. İki cihazında toplam alanları yaklaşık 40×25µm2 'dır. Görünmez ışık bölgesinde çalışabilen mekanizmalar düz optik devreler için nanometre altı hareket ve mesafeler için gelecek sunan bir teknoloji sunmaktadır. Literatürde ilk defa tarak eyleyiciler kullanılarak yüksek performans ve hassasiyette çalışan mekanik sensör olacaktır. 1x2 optik anahtar farklı nanometre altı fiziksel temasa dayalı görünmez dalga boyunda çalışabilen mekanik mekanizmalar nümerik ve deneysel olarak çalışılmıştır. Mekanizmalar gömülü olarak çalıştıklarından dolayı yüksek hassasiyet, küçük cihaz boyu ve düşük fabrikasyon fonksiyonelliği göstermektedir. Teorik çalışmaları 3 boyutlu Sınırlı-Fark Zaman-Alan analiz yazılımı ile yapılacakmıştır. Mesafe ölçücü mekanizma silikon-yalıtkan pul üzerine 340nm kalınlıklı silikon, 1µm kalınlıklı SiO2 tabaka üzerine imal edilmiştir. Ayrıca nümerik ve deneysel sonuçlar birbiri ile örtüşmektedir. Optik anahtarı Sonlu Elemanlar Methodu kullanarak bilgisayar ortamında modellemesi yapılmıştır. Cihazın mukavemeti, sağlamlığı, elektrostatik kuvveti, yer çekimi testi ve güvenlik katsayıları hesaplanmıştır. Optik anahtarın nümerik sonuçlara göre verimi %48.21 olup hassasiyeti 1nm civarındadır. Deneysel sonuçlar sonunda cihaz simulasyon sonuçlarından daha iyi veriler sağlamıştır. Bunun en büyük nedeni ise nümerik hesaplamalar yapılırken en küçük mesafe noktasının büyük olmasıdır. Bu değer çok küçük tutulduğunda doğru değere daha da yaklaşılabiliyor fakat bu da simülasyon süresini günlerden aylara kadar uzatmaktadır. Optik anahtar 0.077 nm hassasiyet ile çalışmaktadır. Toplam optik değişim %39 civarında olup maksimum optik performansı ise yaklaşık %59 olarak hesaplanmıştır. İki tane farklı geometriye sahip optik anahtarlar mekanizmaları nümerik ve deneysel olarak çalışılmıştır. Kısa-mesafe yüksek-hassasiyetli yüzey üzere optik anahtarlar olmakla birlikte normal olarak açık çalışabilen mekanizmalar çalışılmıştır. Çalışılan sensörlerin çalışma presibi Elektromanyetik alan değişimine dayanmaktadır. Teorik çalışmaları 3 boyutlu Sınırlı-Fark Zaman-Alan analiz yazılımı ile yapılacakmıştır. Mesafe ölçücü mekanizma silikon-yalıtkan pul üzerine 340nm kalınlıklı silikon, 1µm kalınlıklı SiO2 tabaka üzerine imal edilmiştir. Ayrıca nümerik ve deneysel sonuçlar birbiri ile örtüşmektedir. Uzaklık ölçüm sensörü Sonlu Elemanlar Methodu kullanarak bilgisayar ortamında modellemesi yapılmıştır. Cihazın mukavemeti, sağlamlığı, elektrostatik kuvveti, yer çekimi testi ve güvenlik katsayıları hesaplanmıştır. Uzaklık ölçüm sensörlerinin hassasiyetleri 100nm altı mesafeler için 0.06nm ile 0.84nm aralığındadır. Simülasyon sonuçlarına göre iki farklı yapıya sahip olup toplamda dört adet sensör imal edilmiştir. İlk üretilen cihaz 1µm radüse sahip olup yarım daire şeklinde ikinci dalgakılavuzu tarafından tahrik edilen uzaklık ölçüm cihazıdır. Nümerik sonuçlara göre beklenen hassasiyet 0.083nm olup mesafesi 108nm olarak hesaplanmıştır. Uzaklık ölçüm cihazının üretimi sonucunda elde edilen hassasiyet 0.045nm ile 0.050nm arasında değişmektedir. Hesaplanan değerden daha iyi çıkmasının ana sebebi nümerik hesaplamalarda göz önünde bulundurulan en küçük uzaklık değeridir. İkinci üretilen cihaz 2µm radüse sahip olup yarım daire şeklinde ikinci dalgakılavuzu tarafından tahrik edilen uzaklık ölçüm cihazıdır. Nümerik sonuçlara göre beklenen hassasiyet 0.082nm olup mesafesi 107nm olarak hesaplanmıştır. Uzaklık ölçüm cihazının üretimi sonucunda elde edilen hassasiyet 0.039nm olarak elde edilmiştir. Üçüncü üretilen cihaz 2µm kenar uzunluğuna sahip olup üçgen şeklinde ikinci dalgakılavuzu tarafından tahrik edilen uzaklık ölçüm cihazıdır. Nümerik sonuçlara göre beklenen hassasiyet 0.088nm olup mesafesi 112nm olarak hesaplanmıştır. Uzaklık ölçüm cihazının üretimi sonucunda elde edilen hassasiyet 0.064nm olarak elde edilmiştir. Dördüncü üretilen cihaz 3µm kenar uzunluğuna sahip olup üçgen şeklinde ikinci dalgakılavuzu tarafından tahrik edilen uzaklık ölçüm cihazıdır. Nümerik sonuçlara göre beklenen hassasiyet 0.097nm olup mesafesi 132nm olarak hesaplanmıştır. Uzaklık ölçüm cihazının üretimi sonucunda elde edilen hassasiyet 0.026nm ile 0.050 arasında değişmektedir. 0.026nm hassasiyet bu sunulan tezde ulaşılan en büyük hassasiyet değeridir. Ölçülen bu hassasiyet değerleri mekanik olarak gömülü olarak çalışabilen mikro cihazlarda teknolojisinde öncüdür. Daha önceki bölümlerde sunulan mesafe ölçüm sensörlerin ve optik anahtarların performanslarını arttırmak üzere düşük kayıplı silikon bağlantılar sunulacaktır. Diffraction grating nanometre altı mesafede nümerik olarak literatürde ilk olarak ispat edilmiştir. Tek-katlı silikon bağlantının optik performansı %92.14'den %98.99'a çıkartılmıştır. Ayrıca çift-katlı silikon bağlantı için ise optik performans %99.80 değerine kadar yüksektilmiştir. Bu sunulan yeni silikon bağlantılar kullanılarak NEMS/MEMS teknolojisi altında sunulan optik mikro cihazlarının performanları arttırılabilecektir.

Özet (Çeviri)

Efforts towards integrated optical circuits have seen significant interest for combining microelectronics and photonics in order to bring compact device sizes and volume economics. Silicon nanowire waveguides and photonic crystals are among those heavily investigated. Photonic devices with embedded Nano/Microelectromechanical Systems (NEMS/MEMS) such as an optical add-drop multiplexer deploying relative motion of silicon waveguides, nanowire waveguide ring and microdisk resonators demonstrated as narrow-band filters, optical switches utilizing silicon nanowire waveguide couplers, and an optical waveguide modulator have been reported. Integrated photonic circuit devices with embedded NEMS/MEMS technology utilize either in-plane or out-of plane motion to accomplish their task. Characterization of such devices can be realized either under Scanning Electron Microscope (SEM) or optical microscopes. Ultimate device characterization, therefore, depends on the quality and evaluation accuracy of the series of images taken consecutively under the corresponding microscope at various actuation levels. Hence, employment of images for device motion characterization causes measurement errors from several tens to hundreds of nanometers during evaluation stage for SEM and optical microscope uses, respectively. Without proper characterization of devices where precise motion or distance in the nano/micro-system level is critical, full understanding of the studied concept, or proper operation or control of the system becomes impossible. In addition, they are usually only for testing purposes and cannot be integrated into the device level. Targeting the aforementioned need, embedded in-plane distance/displacement sensors utilizing Bragg reflectors within an optical Fabry-Pèrot microcavity, geometrical modulation-based interferometry are reported. Performances in both approaches are highly dependent on the optical wavelengths employed, which, as a result, enforces highly accurate microfabrication or arises calibration need afterwards for proper functionality. In addition, while the former provides only 29nm measurement range, the latter requires large device footprint. An embedded nanophotonic displacement sensing mechanism based on end-to-end waveguide coupling in the near-field will present. Numerical studies are carried out by 3D Finite-Difference Time-Domain analysis software. Displacement sensing mechanism is fabricated on a Silicon-on-Insulator wafer with 340nm-thick device silicon and 1µm-thick SiO2 layers. The footprint of the sensing mechanism is about 32×25µm2. Theoretical and experimental results are in very good agreement with a maximum deviation of 2.77% in transmittance at 600nm displacement. The measurement sensitivity and range obtained at 1.55µm wavelength are maximum 0.29% change of light intensity per nanometer, and about 1000nm, respectively. The mechanism well-suits real-time measurements in integrated optical circuits operating with the help of embedded NEMS/MEMS actuation, various nano-scale positioning and imaging applications. Both numerical and experimental study of two sub-nanometer mechanical tuning mechanisms of evanescent wave mode coupling in planar lightwave circuits will demostrate. The mechanisms provide tunability, device footprint, and cost advantages due to being embedded. Numerical studies are carried out by 3D Finite-Difference Time-Domain Analysis. Mechanisms are fabricated on Silicon-on-Insulator wafer with 340nm-thick device silicon and 1µm-thick SiO2 layers. Optical response results between theoretical and experimental studies are in good agreement. Tunability of the first and second mechanisms in the mechanical excitation range of 75nm and 100nm at 1.55µm wavelength are 1.13nm and 1.19nm per percent of average light intensity change, respectively. By utilization of a proper light intensity measurement approach as it is realized in this study, one can increase tunability values even further below. Both mechanisms presented are 40×25µm2 in footprint. The studied evanescent wave mode coupling mechanisms are well-suited for employment in PLCs where mechanical tuning with sub-nanometer or greater excitation is needed. Also 1x2 optical switch is presented. In the liteature, using comb actuator as a mechanical motion, designed mechanisms has high sensitivity. Experimental and numerical results agree very well. Two types of sensing mechanisms are introduced. Short-range high-sensitivity in-plane optical sensor again, but at normally-on state are being investigated in order to clarify their initial state effects on the sensing characteristics. Towards this goal, two major types of sensor approaches are studied. All sensors utilized in Chapter 3 are based on Electromagnetic Field Modulation. Sensitivities achieved in this phase are from 0.84nm down to 0.06nm per percent of light intensity within sub-100nm distances. Low loss silicon elliptical intersection based on diffraction grating method will present at the first time. Diffraction grating is demonstrated as a numerical at sub-nanometer for optical devices. The optical performance of silicon intersection for single fold is increased from 92.14% to 98.99% without extra fabrication cost and footprint. Also, for doubly-fold intersections efficiency is powered up to 99.80%. Optical performance of optical NEMS/MEMS can be improve with presented elliptical intersections. Two new intersection could not fabricate due to used equipment.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    476780

    Fantom malzemelerinin doku denkliğinin deneysel ve teorik olarak incelenmesi

    Experimental and theoretical investigation of tissue equivalency for phantom materials

    İREM ERK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Radyoloji ve Nükleer Tıpİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NESRİN ALTINSOY

  2. Tez No

    200949

    Elektroerozyon ile işlemede polimer matrisli iletken toz takviyeli kompozit elektrot ile işlemenin deneysel ve teorik olarak incelenmesi

    Experimental and theoretical investigation of machining with conductive powder reinforced polymer matrix composite electrode in electric discharge machining

    KEMAL YAMAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2007

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. CAN ÇOĞUN

  3. Tez No

    617342

    Lineer polarize X-ışını kullanılarak er iyonunun la1 ve la2 çizgilerinin açısal dağılımının incelenmesi

    Investigation of angular distribution of l er1 and la2 lines of er ion by using linear polarized X-ra

    HAKAN USLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Fizik ve Fizik MühendisliğiMuğla Sıtkı Koçman Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CAHİT KARANFİL

  4. Tez No

    510035

    Farklı alüminyum alaşımlarının Cs-137 gama radyoızotop kaynağı karşısındaki davranışının incelenmesi ve irdelenmesi

    Investigation and examination of the behavior of different aluminum alloys against Cs-137 gamma radiozotopic resource

    SELAHATTİN YILDIRIM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ASİYE BERİL TUĞRUL

  5. Tez No

    434228

    Physics of nonradiative energy transfer in the complex media of 0D, 2D and 3D materials

    0, 2 ve 3 boyutlu malzemelerin oluşturduğu karmaşık yapılarda ışınımsız enerji transferinin fiziği

    AYDAN YELTİK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR

Geri Dön