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.

Thermoaktive Bauteilsysteme - Ein neuer simulationstechnischer Berechnungsansatz

Thermoaktive Bauteilsysteme sind Bauteile, die als Teil der Raumumschließungsflächen über ein integriertes Rohrsystem mit einem Heiz- oder Kühlmedium beaufschlagt werden können und so die Beheizung oder Kühlung des Raumes ermöglichen. Die Konstruktionenvielfalt reicht nach diesem Verständnis von Heiz, bzw. Kühldecken über Geschoßtrenndecken mit kern-integrierten Rohren bis hin zu den Fußbodenheizungen. Die darin enthaltenen extrem trägen Systeme werden bewußt eingesetzt, um Energieangebot und Raumenergiebedarf unter dem Aspekt der rationellen Energieanwendung zeitlich zu entkoppeln, z. B. aktive Bauteilkühlung in der Nacht, passive Raumkühlung über das kühle Bauteil am Tage. Gebäude- und Anlagenkonzepte, die träge reagierende thermoaktive Bauteilsysteme vorsehen, setzen im kompetenten und verantwortungsvollen Planungsprozeß den Einsatz moderner Gebäudesimulationswerkzeuge voraus, um fundierte Aussagen über Behaglichkeit und Energiebedarf treffen zu können. Die thermoaktiven Bauteilsysteme werden innerhalb dieser Werkzeuge durch Berechnungskomponenten repräsentiert, die auf mathematisch-physikalischen Modellen basieren und zur Lösung des bauteilimmanenten mehrdimensionalen instationären Wärmeleitungsproblems dienen. Bisher standen hierfür zwei unterschiedliche prinzipielle Vorgehensweisen zur Lösung zur Verfügung, die der physikalischen Modellbildung entstammen und Grenzen bzgl. abbildbarer Geometrie oder Rechengeschwindigkeit setzen. Die vorliegende Arbeit dokumentiert eine neue Herangehensweise, die als experimentelle Modellbildung bezeichnet wird. Über den Weg der Systemidentifikation können aus experimentell ermittelten Datenreihen die Parameter für ein kompaktes Black-Box-Modell bestimmt werden, das das Eingangs-Ausgangsverhalten des zugehörigen beliebig aufgebauten thermoaktiven Bauteils mit hinreichender Genauigkeit widergibt. Die Meßdatenreihen lassen sich über hochgenaue Berechnungen generieren, die auf Grund ihrer Detailtreue für den unmittelbaren Einsatz in der Gebäudesimulation ungeeignet wären. Die Anwendung der Systemidentifikation auf das zweidimensionale Wärmeleitungsproblem und der Nachweis ihrer Eignung wird an Hand von sechs sehr unterschiedlichen Aufbauten thermoaktiver Bauteilsysteme durchgeführt und bestätigt sehr geringe Temperatur- und Energiebilanzfehler. Vergleiche zwischen via Systemidentifikation ermittelten Black-Box-Modellen und physikalischen Modellen für zwei Fußbodenkonstruktionen zeigen, daß erstgenannte auch als Referenz für Genauigkeitsabschätzungen herangezogen werden können. Die Praktikabilität des neuen Modellierungsansatzes wird an Fallstudien demonstriert, die Ganzjahressimulationen unter Bauteil- und Betriebsvariationen an einem exemplarischen Büroraum betreffen. Dazu erfolgt die Integration des Black-Box-Modells in das kommerzielle Gebäude- und Anlagensimulationsprogramm CARNOT. Die akzeptablen Rechenzeiten für ein Einzonen-Gebäudemodell in Verbindung mit den hohen Genauigkeiten bescheinigen die Eignung der neuen Modellierungsweise.

Räumliche Wahlmöglichkeiten als Effizienzkriterium für Siedlung und Verkehr

In der Arbeit wird eine Messgröße für die Mobilität im Personenverkehr formuliert und anhand dieser Messgröße eine vergleichende Bewertung von Szenarien der Siedlungs- und Verkehrsentwicklung vorgenommen. Mobilität im Sinne räumlicher Wahlmöglichkeiten sind die Freiheitsgrade der Menschen in der Auswahl ihrer räumlichen Ziele und Beziehungen. Mehr als das tatsächliche Verhalten unterliegen Wahlmöglichkeiten starken Einflüssen der Siedlungsstruktur. Die relevanten Siedlungsstrukturmerkmale werden zu zwei Hauptmerkmalen zusammengefasst, Lokale Urbanität und Regionale Geometrie, und ihre Ausprägungen zu fünf Leitbildern einer integrierten Entwicklung von Siedlung und Verkehr kombiniert: 1. Kompakte Stadt mit hoher lokaler Urbanität und großflächiger, sternförmiger Geometrie. 2. Städtenetz mit hoher lokaler Urbanität und kleinteiliger, netzförmiger Geometrie. 3. Autoland mit geringer lokaler Urbanität und großflächiger Geometrie. 4. Nivellierung mit mittlerer lokaler Urbanität und großflächiger sternförmiger Geometrie. 5. Differenzierung als ein kleinteiliges Nebeneinander von Städtenetz und Autoland bei nur schwacher gegenseitiger Vernetzung Die Leitbilder werden in einem mittelstädtischen Siedlungsraum in Ostwestfalen zu konkreten Szenarien für das Jahr 2050 entwickelt und die Wahlmöglichkeiten in diesen Szenarien berechnet: 1. In der Kompakten Stadt betragen die Wahlmöglichkeiten im Fußgänger-, Fahrrad- und öffentlichen Verkehr ca. das Zwanzigfache des Autolands und ca. das Fünffache des Nivellierungsszenarios. Selbst im Autoverkehr bietet die Kompakte Stadt ca. doppelt so große Wahlmöglichkeiten wie Autoland oder Nivellierung. Dieser Vergleich offenbart zugleich das verkehrliche Desaster der Trendentwicklung. 2. Der Vergleich sternförmiger Urbanität (Kompakte Stadt) mit netzförmiger Urbanität (Städtenetz) endet unentschieden. Die Mobilitätsvorteile hoher Urbanität lassen sich auch in kleinteiligen Strukturen und in allseitigen Siedlungsnetzen realisieren. 3. Die urbanen Szenarien Kompakte Stadt und Städtenetz erscheinen jedoch in der hier simulierten "Reinform" als planerisches Leitbild eher ungeeignet. Von größerer praktischer Relevanz ist der Vergleich der Szenarien Nivellierung und Differenzierung. In diesem Vergleich erweist sich die intensive Stadt-Umland-Verflechtung und die dafür notwendige Angleichung (Nivellierung) der Verkehrsangebote zwischen urbanen und suburbanen Siedlungsstrukturen als nachteilig. Demgegenüber erreicht das kleinteilige Nebeneinander von urbanem Städtenetz und suburbanem Autoland im Szenario Differenzierung sogar ein ähnliches Niveau räumlicher Wahlmöglichkeiten wie das Städtenetz, trotz wesentlich geringerer urbaner Siedlungsstrukturanteile. Es zeigt somit auch, dass die großen Mobilitätsvorteile urbaner Strukturen bereits bei einer teilweisen (Re-)Urbanisierung erzielt werden können. Suburbanisierung, Autoverkehrswachstum und Stadt-Umland-Verflechtung sind nicht zuletzt Folge von mindestens 70 Jahre alten Leitbildern in Planung und Politik. Die für das Differenzierungs-Szenario notwendige Phase teilräumlicher (Re-)Urbanisierung setzt weder massive Planungszwänge "gegen den Markt" noch große Wachstumsschübe voraus. Notwendig ist aber die Überprüfung vieler weiterer Politikfelder, die auf Siedlung und Verkehr einwirken. Nur geänderte Anreize und Spielregeln können die laufenden kleinen Standort- und Verkehrsentscheidungen in eine neue, effizientere Richtung lenken. Die Neubewertung der Standorte und Verkehrsangebote vergrößert dabei auch die Entwicklungsmasse. Ein frühzeitiges, langsames Umsteuern vermeidet ernsthafte Krisen mit möglicherweise nicht mehr beherrschbaren Verkehrskosten.

The Media is the Message?!

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der grafischen Gestaltung von Mathematiklehrwerken und der damit verbundenen Wirkungen auf die SchülerInnen. Es wurde untersucht, welche Art von Gestaltungsaspekten in Schulbüchern eine positive Auswirkung auf die Lernmotivation hat. Im theoretischen Teil dieser Arbeit wird zunächst erläutert, wie der menschliche Wahrnehmungsapparat nach theoretischen Erkenntnissen aus der Wahrnehmungspsychologie visuelle Elemente wie Farbe und Form verarbeitet. Anhand gestaltpsychologischer und motivationspsychologischer Theorien werden mögliche Einflüsse und in diesem Zusammenhang bedeutungsvolle Aspekte aufgezeigt. Einzelne Funktionen und Wirkungsaspekte der einzelnen Medienbausteine wie Bild, Typografie und Bild-Text-Kombinationen werden anhand von Beispielen aus Mathematiklehrwerken dargestellt. Ein Exkurs über den vermehrten Einfluss der neuen Medien bei Kindern und Jugendlichen verdeutlicht, welche visuellen Medienerfahrungen Kinder und Jugendliche bei der Betrachtung eines Schulbuches mitbringen. Anschließend werden die erarbeiteten theoretischen Grundlagen in einer praktischen Arbeit genutzt. Eine exemplarisch ausgewählte Seite eines Mathematiklehrwerks werde unter verschiedenen gestalterischen Gesichtspunkten umgestaltet, so dass mehreren Varianten entstehen. Diese Entwürfe werden in einer qualitativen Studie mit einzelnen SchülerInnen diskutiert. Die Ergebnisse der aufgezeichneten Interviews wurden durch die Auswertungsmethode des zirkulären Dekonstruierens auf die aufgeworfenen Forschungsfragen untersucht und ausgewertet.

Uniformisierbarkeit in Familien von abelschen t-Moduln höheren Ranges

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, wie sich in einer Familie von abelschen t-Moduln die Teilfamilie der uniformisierbaren t-Moduln beschreiben lässt. Abelsche t-Moduln sind höherdimensionale Verallgemeinerungen von Drinfeld-Moduln über algebraischen Funktionenkörpern. Bekanntermaßen lassen sich Drinfeld-Moduln in allgemeiner Charakteristik durch analytische Tori parametrisieren. Diese Tatsache überträgt sich allerdings nur auf manche t-Moduln, die man als uniformisierbar bezeichnet. Die Situation hat eine gewisse Analogie zur Theorie von elliptischen Kurven, Tori und abelschen Varietäten über den komplexen Zahlen. Um zu entscheiden, ob ein t-Modul in diesem Sinne uniformisierbar ist, wendet man ein Kriterium von Anderson an, das die rigide analytische Trivialität der zugehörigen t-Motive zum Inhalt hat. Wir wenden dieses Kriterium auf eine Familie von zweidimensionalen t-Moduln vom Rang vier an, die von Koeffizienten a,b,c,d abhängen, und gelangen dabei zur äquivalenten Fragestellung nach der Konvergenz von gewissen rekursiv definierten Folgen. Das Konvergenzverhalten dieser Folgen lässt sich mit Hilfe von Newtonpolygonen gut untersuchen. Schließlich erhält man durch dieses Vorgehen einfach formulierte Bedingungen an die Koeffizienten a,b,c,d, die einerseits die Uniformisierbarkeit garantieren oder andererseits diese ausschließen.

Generic Finite Element Model for Mechanically Consistent Scaling of Composite Beam-to-column Joint with Welded Connection

To study the behaviour of beam-to-column composite connection more sophisticated finite element models is required, since component model has some severe limitations. In this research a generic finite element model for composite beam-to-column joint with welded connections is developed using current state of the art local modelling. Applying mechanically consistent scaling method, it can provide the constitutive relationship for a plane rectangular macro element with beam-type boundaries. Then, this defined macro element, which preserves local behaviour and allows for the transfer of five independent states between local and global models, can be implemented in high-accuracy frame analysis with the possibility of limit state checks. In order that macro element for scaling method can be used in practical manner, a generic geometry program as a new idea proposed in this study is also developed for this finite element model. With generic programming a set of global geometric variables can be input to generate a specific instance of the connection without much effort. The proposed finite element model generated by this generic programming is validated against testing results from University of Kaiserslautern. Finally, two illustrative examples for applying this macro element approach are presented. In the first example how to obtain the constitutive relationships of macro element is demonstrated. With certain assumptions for typical composite frame the constitutive relationships can be represented by bilinear laws for the macro bending and shear states that are then coupled by a two-dimensional surface law with yield and failure surfaces. In second example a scaling concept that combines sophisticated local models with a frame analysis using a macro element approach is presented as a practical application of this numerical model.

1.55 µm High-Speed QDs Lasers for Optical Telecommunication Applications

In this work investigation of the QDs formation and the fabrication of QD based semiconductor lasers for telecom applications are presented. InAs QDs grown on AlGaInAs lattice matched to InP substrates are used to fabricate lasers operating at 1.55 µm, which is the central wavelength for far distance data transmission. This wavelength is used due to its minimum attenuation in standard glass fibers. The incorporation of QDs in this material system is more complicated in comparison to InAs QDs in the GaAs system. Due to smaller lattice mismatch the formation of circular QDs, elongated QDs and quantum wires is possible. The influence of the different growth conditions, such as the growth temperature, beam equivalent pressure, amount of deposited material on the formation of the QDs is investigated. It was already demonstrated that the formation process of QDs can be changed by the arsenic species. The formation of more round shaped QDs was observed during the growth of QDs with As2, while for As4 dash-like QDs. In this work only As2 was used for the QD growth. Different growth parameters were investigated to optimize the optical properties, like photoluminescence linewidth, and to implement those QD ensembles into laser structures as active medium. By the implementation of those QDs into laser structures a full width at half maximum (FWHM) of 30 meV was achieved. Another part of the research includes the investigation of the influence of the layer design of lasers on its lasing properties. QD lasers were demonstrated with a modal gain of more than 10 cm-1 per QD layer. Another achievement is the large signal modulation with a maximum data rate of 15 Gbit/s. The implementation of optimized QDs in the laser structure allows to increase the modal gain up to 12 cm-1 per QD layer. A reduction of the waveguide layer thickness leads to a shorter transport time of the carriers into the active region and as a result a data rate up to 22 Gbit/s was achieved, which is so far the highest digital modulation rate obtained with any 1.55 µm QD laser. The implementation of etch stop layers into the laser structure provide the possibility to fabricate feedback gratings with well defined geometries for the realization of DFB lasers. These DFB lasers were fabricated by using a combination of dry and wet etching. Single mode operation at 1.55 µm with a high side mode suppression ratio of 50 dB was achieved.

Elementaria mathematicae

Diese Lecture Note beinhaltet drei Beiträge zur lehramts-orientierten elementaren Mathematik. Ein 1. Beitrag liefert Module der elementaren Mengenlehre und Ordnungstheorie, Algebra und Informatik, Geometrie und Stochastik, ein 2.Beitrag liefert Zitate großer Meister und großer Geister und ein 3.Beitrag ist den Elementen der Analysis gewidmet.

Bestimmung der magnetischen Streufeldstärke von künstlichen magnetischen Domänen austauschverschobener Dünnschichtsysteme und deren Einfluss auf die Selbstassemblierung organischer Moleküle

Die lokale Anlagerung molekularer Substanzen auf Oberflächen ist technologisch von großem Interesse. Die Beeinflussung selbstassemblierender Materialien bietet dabei große Vorteile, da sie kostengünstig und großflächig angewendet werden kann. Untersuchungen einer solchen Beeinflussung mithilfe von magnetischen Feldern wurden bisher jedoch noch nicht durchgeführt. Ursache hierfür ist das, insbesondere bei der Verwendung von diamagnetischen Substanzen, geringe induzierte magnetische Moment und die daraus resultierenden geringen magnetischen Kräfte. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob es möglich ist, die lokale Anlagerung von selbstassemblierenden, diamagnetischen Substanzen durch die Verwendung von magnetischen Streufeldern zu beeinflussen und somit ein Schichtwachstum bevorzugt in gewünschten Bereichen eines Substrats zu erreichen. Es wurde ein austauschverschobenes Dünnschichtsystem über das Verfahren der ionenbeschuss-induzierten magnetischen Strukturierung mit einem künstlichen Domänenmuster in streifenförmiger Anordnung im Mikrometermaßstab erzeugt. Über experimentelle Untersuchungen wurden die aus diesem Schichtsystem austretenden magnetischen Streufelder erstmals quantifiziert. Die experimentell unvermeidbaren Mittelungen und technischen Limitierungen wurden mithilfe eines theoretischen Modells herausgerechnet, sodass letztlich die resultierende Magnetfeldlandschaft in allen drei Dimensionen über der Probenoberfläche erhalten wurde. Durch die Bestimmung der magnetischen Suszeptibilitäten der hier verwendeten thioethersubstituierten Subphthalocyanin-Derivate konnte somit die Berechnung der induzierten magnetischen Kräfte erfolgen, deren Vergleich mit Literaturwerten eine erfolgreiche Beeinflussung der Anlagerung dieser Substanzen erhoffen ließ. Aufgrund der Kombination diverser, anspruchsvoller Nachweisverfahren konnte der experimentelle Beweis für die erfolgreiche Positionierung der molekularen Substanzen durch die magnetischen Streufelder des Dünnschichtsystems erbracht werden. Zunächst wurde nachgewiesen, dass sich die Subphthalocyanin-Derivate auf der Probenoberfläche befinden und in einer mit der Periode der magnetischen Domänenstruktur korrelierenden Geometrie anlagern. Über Untersuchungen an Synchrotronstrahlungsquellen konnte die magnetische Streifenstruktur mit der Struktur der angelagerten Moleküle überlagert werden, sodass bekannt wurde, dass sich die Moleküle bevorzugt in den magnetisch begünstigten Bereichen anlagern. Um mögliche Einflüsse einer eventuell durch den magnetischen Strukturierungsprozess lokal modifizierten Substratoberfläche als Ursache für die lokale Molekülanlagerung ausschließen zu können, wurden zusätzliche Referenzmessungen durchgeführt. Alle Untersuchungen zeigen, dass die Molekülpositionierung auf der Wechselwirkung der diamagnetischen Substanzen mit den Streufeldern des Substrats zurückzuführen ist. Der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Mechanismus der magnetischen Beeinflussung der lokalen Molekülanlagerung besagt dabei, dass insbesondere die Oberflächendiffusion der selbstassemblierenden Substanz durch die in-plane-Magnetfeldkomponente beeinflusst wird und vermutlich die Nukleationsphase der Selbstassemblierung entscheidend für die lokale Materialabscheidung ist. Es konnte in dieser Arbeit somit gezeigt werden, dass eine Beeinflussung der Selbstassemblierung von diamagnetischen Subphthalocyanin-Derivaten und somit eine lokal bevorzugte Anlagerung dieser Substanzen durch magnetische Streufelder von magnetisch strukturierten austauschverschobenen Dünnschichtsystemen erreicht werden kann. Es resultiert somit eine neue Möglichkeit die technologisch wichtigen Selbstassemblierungsprozesse nun auch über magnetische Streufelder beeinflussen und kontrollieren zu können. Durch die hohe Flexibilität bei den Strukturierungsmöglichkeiten der magnetischen Domänengeometrien der hier verwendeten austauschverschobenen Dünnschichtsysteme resultieren aus den hier gezeigten Ergebnissen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Beschichtungstechnik.

Mixed Signal CMOS ASIC mit integrierten frei verschaltbaren Photodioden und Signalvorverarbeitung zur adaptierbaren Ortsfrequenzfilterung

Die vorliegende Arbeit untersucht die Integrierbarkeit von Photodioden und zugehörigen Signalvorverarbeitungen mit dem preisgünstigen Standard-0,5-µm-Prozess bzw. 0,35-µm-CMOS-Prozess. Als Pilotanwendung wurde die Realisierung eines flexiblen Ortfrequenzfilters vorgesehen, der durch die Verschaltung und die Wichtung von integrierten Photodioden gebildet wird. Mit einem integrierten optoelektronischen Bauteil (Opto-ASIC) sollte die Funktionaliät eines CORREVIT®-Sensors (der Firma Corrsys 3D Sensors) aus Prismengitter, Feldlinse, Photodioden und Vorverstärker nachgebildet und seine Funktionalität erweitert werden. Dazu sollte dieser Opto-ASIC eine Photodiodenzeile enthalten, die im Unterschied zu dem bestehenden CORREVIT®-Sensor durch die programmierbare Verschaltung und die Wichtung der Signale der Photodioden unterschiedliche Ortsfrequenz-Bandpassfilter erzeugen sollte, um unterschiedliche Gitterkonstanten (Ortsfrequenzen) zur optimalen Anpassung des Sensors an die jeweilige Oberfläche realisieren zu können. Neue Ortsfrequenzfilter können mehrere Fehlereinflüsse handelsüblicher Sensoren größtenteils vermeiden. Dazu sollten die Filter symmetrisch sein und die Summen ihrer Wichtungen sollten zu Null werden. Die Photodioden als Elementarbauteile der Ortsfilter werden genau untersucht und optimiert, da die Eigenschaften der Photodioden die Qualität der Messsignale stark beeinflussen. Mit einem neuen entwickelten Messverfahren lässt sich die lokale Empfindlichekeit auf dem ASIC mit einer Auflösung ab 0,5 µm messen. Durch diese Messungen konnte die optimale Geometrie festgelegt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Empfindlichkeit der Photodioden in den Randbereichen (lateraler Bereich) erheblich höher ist als im Tiefenbereich (vertikaler Bereich). Es wurde deshalb vorgeschlagen, die Photodioden, die dann abhängig von der Struktur als Fingerdiode oder geschlitzte Diode bezeichnet wurden, in viele Teilflächen zu unterteilen. Zur Realisierung des Ortsfrequenzfilters wurde ein Schaltungssystem zur Signalverarbeitung und Verschaltung der Photodioden entwickelt. Dieser Schaltkreis setzt sich aus Transimpedanzverstärker, Diffenzverstärker, Schalter und einem Schieberegister zusammen.