SiO₂ Tabanlı 1×8 MMI Optik Güç Bölücü Tasarımı

Fotonik tümleşik devreler (PIC), yüksek bant genişliği, düşük kayıp ve elektromanyetik girişimden bağımsız çalışma avantajları sayesinde modern haberleşme sistemlerinin temel yapı taşlarından biri hâline gelmiştir. Bu kapsamda gerçekleştirdiğim çalışmada, SiO₂ tabanlı Planar Lightwave Circuit (PLC) platformu üzerinde çalışan 1×8 Multimode Interference (MMI) optik güç bölücünün analitik ve sayısal tasarımını ele aldım.

Bu projede temel amacım; fiberle doğrudan bağlanabilir (butt-coupled), düşük ek kayıplı (Insertion Loss < 1.5 dB) ve yüksek güç uniformity’sine (±0.5 dB) sahip, üretim toleranslarına karşı dayanıklı bir pasif fotonik bileşen tasarlamaktı.

Platform Seçimi ve Mühendislik Yaklaşımı

Fotonik entegre devre üretiminde SOI, InP ve Si₃N₄ gibi platformlar yaygın olarak kullanılsa da, bu çalışma kapsamında SiO₂ tabanlı PLC teknolojisini tercih ettim. Bunun temel nedeni, tasarlanan yapının tamamen pasif ve fiber odaklı olmasıydı.

SiO₂ platformu;

• Düşük yayılım kaybı (~0.05 dB/cm),

• Yüksek üretim tekrarlanabilirliği,

• Flame Hydrolysis Deposition (FHD) gibi endüstriyel olarak olgun üretim süreçleri,

• SMF-28 fiber ile yüksek mod alanı eşleşmesi

gibi avantajlar sunmaktadır.

Düşük kırılma indisi farkı (Δn ≈ 0.75%) nedeniyle zayıf yönlendirme (weak guidance) koşulunda çalışan bu yapı, geniş mod alanı oluşturarak fiber-çip geçiş kayıplarını minimize etmektedir. Bu da sistem seviyesinde bakıldığında entegrasyon riskini düşüren önemli bir faktördür.

Tasarım Metodolojisi: EIM + MPA Hibrit Yaklaşımı

Tasarım sürecinde yalnızca geometrik boyut denemeleri yapmak yerine, analitik temelli bir ön-tasarım metodolojisi benimsedim.

İlk aşamada Effective Index Method (EIM) kullanarak üç boyutlu dalga kılavuzunun dikey davranışını etkin kırılma indisine indirgedim. Bu adım, hesaplama yükünü azaltırken tasarım içgörüsünü artırdı.

Ardından Modal Propagation Analysis (MPA) ile çok modlu MMI bölgesindeki mod faz farklarını analiz ederek self-imaging (öz-görüntüleme) koşullarını sağlayan karakteristik uzunlukları belirledim.

Belirlenen temel tasarım parametreleri:

• Çekirdek indis: n_core = 1.456

• Kaplama indis: n_clad = 1.445

• Çekirdek boyutları: 6 µm × 6 µm

• Dalga boyu: 1550 nm

• MMI genişliği: ~200 µm

• MMI uzunluğu: ~4.9–5.0 mm

Bu parametreler, analitik olarak elde edildikten sonra sayısal simülasyonlarla doğrulandı.

Sayısal Doğrulama ve Performans Analizi

Analitik modelden elde edilen boyutlar Beam Propagation Method (BPM) tabanlı simülasyonlarla test edildi.

Simülasyonlarda:

• 1550 nm merkez dalga boyunda TE₀ giriş modu uygulanarak,

• Çıkış portlarındaki güç dağılımı analiz edildi,

• Faz uniformity’si ve toplam ek kayıp hesaplandı.

Elde edilen sonuçlar:

• ±0.5 dB güç uniformity

• 1.5 dB’in altında toplam ek kayıp

• Fiber-çip arayüzünde düşük bağlaşım kaybı (<0.5 dB hedefi)

Bu değerler, tasarımın performans kriterlerini sağladığını gösterdi.

Üretim Tolerans Analizi

Bu çalışmada özellikle önem verdiğim konulardan biri üretim toleransıydı.

FHD tabanlı SiO₂ üretim sürecinde oluşabilecek:

• ±0.1 µm genişlik varyasyonu

• ±0.05 µm yükseklik sapması

• ±0.001 indis değişimi

gibi parametrelerin MMI performansına etkisini analiz ettim.

Sonuçlar, self-imaging davranışının küçük geometrik sapmalara karşı kararlı olduğunu gösterdi. Bu da tasarımın ilk üretim denemesinde (tape-out) çalışma olasılığını artıran önemli bir mühendislik çıktısıdır.

Sistem Seviyesinde Değerlendirme

Bu proje yalnızca bir optik bölücü tasarımı değil; aynı zamanda üretilebilirlik, tolerans analizi ve fiber entegrasyonu gibi sistem seviyesinde faktörleri birlikte ele alan bir çalışma oldu.

MMI splitter tasarımında:

• Analitik modelleme

• Sayısal doğrulama

• Üretim süreci uyumluluğu

• Fiber arayüz optimizasyonu

gibi aşamaları bütüncül bir yaklaşım içerisinde değerlendirdim.

Sonuç

Bu çalışma ile SiO₂ tabanlı PLC platformunda, üretim toleransına duyarlı olmayan, fiber uyumlu ve düşük kayıplı bir 1×8 MMI güç bölücü tasarımının akademik ölçekte yeniden modellenmesi gerçekleştirildi.

Ortaya çıkan metodoloji; pasif fotonik bileşenlerin üretime hazır ön-tasarım süreçlerinde kullanılabilecek sistematik bir yaklaşım sunmaktadır.