Low-Cost Micromechanically Tunable Optical Devices: Strained Resonator Engineering, Technological Implementation and Characterization

The rapid growth of the optical communication branches and the enormous demand for more bandwidth require novel networks such as dense wavelength division multiplexing (DWDM). These networks enable higher bitrate transmission using the existing optical fibers. Micromechanically tunable optical microcavity devices like VCSELs, Fabry-Pérot filters and photodetectors are core components of these novel DWDM systems. Several air-gap based tunable devices were successfully implemented in the last years. Even though these concepts are very promising, two main disadvantages are still remaining. On the one hand, the high fabrication and integration cost and on the other hand the undesired adverse buckling of the suspended membranes. This thesis addresses these two problems and consists of two main parts: • PECVD dielectric material investigation and stress control resulting in membranes shape engineering. • Implementation and characterization of novel tunable optical devices with tailored shapes of the suspended membranes. For this purposes, low-cost PECVD technology is investigated and developed in detail. The macro- and microstress of silicon nitride and silicon dioxide are controlled over a wide range. Furthermore, the effect of stress on the optical and mechanical properties of the suspended membranes and on the microcavities is evaluated. Various membrane shapes (concave, convex and planar) with several radii of curvature are fabricated. Using this resonator shape engineering, microcavity devices such as non tunable and tunable Fabry-Pérot filters, VCSELs and PIN photodetectors are succesfully implemented. The fabricated Fabry-Pérot filters cover a spectral range of over 200nm and show resonance linewidths down to 1.5nm. By varying the stress distribution across the vertical direction within a DBR, the shape and the radius of curvature of the top membrane are explicitely tailored. By adjusting the incoming light beam waist to the curvature, the fundamental resonant mode is supported and the higher order ones are suppressed. For instance, a tunable VCSEL with 26 nm tuning range, 400µW maximal output power, 47nm free spectral range and over 57dB side mode suppresion ratio (SMSR) is demonstrated. Other technologies, such as introducing light emitting organic materials in microcavities are also investigated.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

On the Gap-Complexity of Simple RL-Automata

Analysis by reduction is a method used in linguistics for checking the correctness of sentences of natural languages. This method is modelled by restarting automata. All types of restarting automata considered in the literature up to now accept at least the deterministic context-free languages. Here we introduce and study a new type of restarting automaton, the so-called t-RL-automaton, which is an RL-automaton that is rather restricted in that it has a window of size one only, and that it works under a minimal acceptance condition. On the other hand, it is allowed to perform up to t rewrite (that is, delete) steps per cycle. Here we study the gap-complexity of these automata. The membership problem for a language that is accepted by a t-RL-automaton with a bounded number of gaps can be solved in polynomial time. On the other hand, t-RL-automata with an unbounded number of gaps accept NP-complete languages.

Attitudes and behaviour towards food attributes and organic food – a triangular methodological investigation of occasional organic consumers

Organic food is increasingly available in the conventional food retail, where organic products are offered alongside with various other types of products and compete mainly with conventional and the so-called conventional-plus products. The latter are conventional products displaying particular quality attributes on the product packaging, such as ‘no artificial additives’, or ‘from animal welfare husbandry’. Often, these quality attributes also apply to organic products. Occasional organic consumers might prefer such conventional-plus alternatives that are perceived to be ‘between’ organic and conventional products. The overall objective of this PhD thesis was to provide information about the segment of occasional organic consumers. In particular, the thesis focussed on consumer perceptions and attitudes towards the quality of, and preferences for, organic, conventional and conventional-plus products in two countries: Germany and Switzerland. To achieve these objectives, qualitative and quantitative consumer research was combined in order to explore occasional organic consumers’ perceptions and attitudes as well as to observe their preferences and buying behaviour regarding different types of food products: organic, conventional and conventional-plus products. The qualitative research showed that, depending on single criteria, organic production was both positively as well as negatively assessed by consumers. Consumer perception of organic food was found to be highly selective and primarily focussed on the final stage of the particular production process. A major problem is that consumers are still mostly unfamiliar with factors associated with organic production, have a lack of confidence, and often confuse organic with conventional products. Besides this, consumer expectations of organic products are different from the expectations of conventional products. The quantitative research revealed that attitudes strongly determine consumers’ preferences for organic, conventional and conventional-plus products. Consumer attitudes tended to differ more between organic and conventional choices rather than conventional-plus and conventional choices. Furthermore, occasional organic consumers are heterogeneous in their preferences. They can be grouped into two segments: the consumers in one segment were less price sensitive and preferred organic products. The consumers in the other segment were more price sensitive and rather preferred conventional-plus or conventional products. To conclude, given the selective and subjective nature of consumer perception and the strong focus of consumer perception on the final stage of the food production process, specific additional values of organic farming should be communicated in clear and catchy messages. At the same time, these messages should be particularly focussed on the final stage of organic food production. The communication of specific added values in relation with organic products to improve the perceived price-performance-ratio is important since conventional-plus products represent an interesting alternative particularly for price sensitive occasional organic consumers. Besides this, it is important to strengthen affirmative consumer attitudes towards organic production. Therefore, policy support should emphasise on long-term communication campaigns and education programmes to increase the consumer awareness and knowledge of organic food and farming. Since consumers expect that organic food is regionally or at least domestically produced while they less accept organic imports, policy support of domestic and regional producers is a crucial measure to fill the current gap between the increasing consumer demand of organic food and the stagnation of the domestic and regional organic food supply.

Yield gap analysis and assessment of climate-induced yield trends of irrigated rice in selected provinces of the Philippines

This study describes a combined empirical/modeling approach to assess the possible impact of climate variability on rice production in the Philippines. We collated climate data of the last two decades (1985-2002) as well as yield statistics of six provinces of the Philippines, selected along a North-South gradient. Data from the climate information system of NASA were used as input parameters of the model ORYZA2000 to determine potential yields and, in the next steps, the yield gaps defined as the difference between potential and actual yields. Both simulated and actual yields of irrigated rice varied strongly between years. However, no climate-driven trends were apparent and the variability in actual yields showed no correlation with climatic parameters. The observed variation in simulated yields was attributable to seasonal variations in climate (dry/wet season) and to climatic differences between provinces and agro-ecological zones. The actual yield variation between provinces was not related to differences in the climatic yield potential but rather to soil and management factors. The resulting yield gap was largest in remote and infrastructurally disfavored provinces (low external input use) with a high production potential (high solar radiation and day-night temperature differences). In turn, the yield gap was lowest in central provinces with good market access but with a relatively low climatic yield potential. We conclude that neither long-term trends nor the variability of the climate can explain current rice yield trends and that agroecological, seasonal, and management effects are over-riding any possible climatic variations. On the other hand the lack of a climate-driven trend in the present situation may be superseded by ongoing climate change in the future.

Identifying the factors governing attitude towards the e-Agriservice among dairy farmers in Maharashtra, India

Information and communication technology (ICT) projects have a great potential to revolutionise the information delivery system by bridging the gap between farmers and extension personnel. aAQUA (Almost All Questions Answered) portal was launched by the Developmental Informatics Laboratory (DIL) at Indian Institute of Technology (IIT) Mumbai, Maharashtra, India in 2003 as an information providing system to deliver technology options and tailored information for the problems and queries raised by Indian dairy farmers. To measure the effectiveness of this service the attitudinal dimensions of the users of aAQUA e-Agriservice were investigated using a 22 item scale. A simple random sampling technique was used to select 120 dairy farmers from which data were collected and subjected to factor analysis to identify the underlying constructs in this research. From the attitude items, four components were extracted and named as the pessimistic, utility, technical and efficacy perspective, which influenced the development of varied level of attitudinal inclination towards the e-Agriservice. These components explained 64.40 per cent of variation in the attitude of the users towards the aAQUA e-Agriservice. This study provides a framework for technically efficient service provision that might help to reduce the pessimistic attitude of target population to adopt e-Agriservice in their farming system. The results should also be helpful for researchers, academics, ICT based service providers and policy makers to consider these perspectives while planning and implementing ICT projects.