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.

Nutrient cycling and field-based partial nutrient balances in two mountain oases of Oman

Little is known about nutrient fluxes as a criterion to assess the sustainability of traditional irrigation agriculture in eastern Arabia. In this study GIS-based field research on terraced cropland and groves of date palm (Phoenix dactylifera L.) was conducted over 2 years in two mountain oases of northern Oman to determine their role as hypothesized sinks for nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K). At Balad Seet 55% of the 385 fields received annual inputs of 100–500 kg N ha^-1 and 26% received 500–1400 kg N ha^-1. No N was applied to 19% of the fields which were under fallow. Phosphorus was applied annually at 1–90 kg ha^-1 on 46% of the fields, whereas 27% received 90–210 kg ha^-1. No K was applied to 27% of the fields, 32% received 1–300 kg K ha^-1, and the remaining fields received up to 1400 kg ha^-1. At Maqta N-inputs were 61–277 kg ha^-1 in palm groves and 112–225 kg ha^-1 in wheat (Triticum spp.) fields, respective P inputs were 9–40 and 14–29 kg ha^-1, and K inputs were 98–421 and 113–227 kg ha^-1. For cropland, partial oasis balances (comprising inputs of manure, mineral fertilizers, N2-fixation and irrigation water, and outputs of harvested products) were similar for both oases, with per hectare surpluses of 131 kg N, 37 kg P, and 84 kg K at Balad Seet and of 136 kg N, 16 kg P and 66 kg K at Maqta. This was despite the fact that N2-fixation by alfalfa (Medicago sativa L.), estimated at up to 480 kg ha^-1 yr^-1 with an average total dry matter of 22 t ha^-1, contributed to the cropland N-balance only at the former site. Respective palm grove surpluses, in contrast were with 303 kg N, 38 kg P, and 173 kg K ha^-1 much higher at Balad Seet than with 84 kg N, 14 kg P, and 91 kg K ha^-1 at Maqta. The data show that both oases presently are large sinks for nutrients. Potential gaseous and leaching losses could at least partly be controlled by a decrease in nutrient input intensity and careful incorporation of manure.

Plant genetic diversity, irrigation and nutrient cycling in traditional mountain oases of northern Oman

Little is known about plant biodiversity, irrigation management and nutrient fluxes as criteria to assess the sustainability of traditional irrigation agriculture in eastern Arabia. Therefore interdisciplinary studies were conducted over 4 yrs on flood-irrigated fields dominated by wheat (Triticum spp.), alfalfa (Medicago sativa L.) and date palm (Phoenix dactylifera L.) in two mountain oases of northern Oman. In both oases wheat landraces consisted of varietal mixtures comprising T. aestivum and T. durum of which at least two botanical varieties were new to science. During irrigation cycles of 6-9 days on an alfalfa-planted soil, volumetric water contents ranged from 30-13%. For cropland, partial oasis balances (comprising inputs of manure, mineral fertilizers, N2-fixation and irrigation water, and outputs of harvested products) were similar for both oases, with per hectare annual surpluses of 131 kg N, 37 kg P and 84 kg K at Balad Seet and of 136 kg N, 16 kg P and 66 kg K at Maqta. Respective palm grove surpluses, in contrast were with 303 kg N, 38 kg P, and 173 kg K ha^-1 yr^-1 much higher at Balad Seet than with 84 kg N, 14 kg P and 91 kg K ha^-1 yr^-1 at Maqta. The results show that the sustainability of these irrigated landuse systems depends on a high quality of the irrigation water with low Na but high CaCO3, intensive recycling of manure and an elaborate terrace structure with a well tailored water management system that allows adequate drainage.

Pharmaceutical consumption and residuals potentially relevant to nutrient cycling in Greater Accra, Ghana

Recycling nutrients form sanitary wastes back into agricultural ecosystems offers an option to alleviate soil depletion in regions where the use of mineral fertiliser is limited. Exemplary nutrient and water cycling approaches, including collection, treatment and use of human urine, are established at Valley View University (VVU) in Greater Accra, Ghana. Concerns have been recently raised in regard to fate and impact of pharmaceutical residues in soils and interlinked environment. To evaluate in how far emerging knowledge can be transposed onto VVU, urban and rural environments in Greater Accra, spatial disease occurrence and drug consumption patterns were studied. Malaria has been found to represent the most severe health burden in Ghana, but there is also a high prevalence of infectious diseases. Drugs consumed in great quantities and in respect to their residual loads potentially problematic in the environment belong to therapeutic groups of: antibiotics, analgesics, drugs for diabetes, antimalarials, cardiovascular drugs and anthelmintics. Drug consumption revealed to be highest in urban and lowest in rural areas. At VVU the range of consumed drugs is comparable to urban areas except for the negligible use of diabetes and cardiovascular medication as well as contraceptives.

Nutrient cycling and nutrient use efficiency in urban and peri-urban agriculture of Kabul, Afghanistan

Like elsewhere also in Kabul, Afghanistan urban and peri-urban agriculture (UPA) has often been accused of being resource inefficient and unsustainable causing negatives externalities to community health and to the surroundings. These arise from the inappropriate management and use of agricultural inputs, including often pesticides and inter-city wastes containing heavy metal residues and pathogens. To address these concerns, parallel studies with the aims of quantification of carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) horizontal and vertical fluxes; the assessment of heavy metal and pathogen contaminations of UPA produce, and an economic analysis of cereal, vegetable and grape production systems conducted for two years in UPA of Kabul from April 2008 to October 2009. The results of the studies from these three UPA diverse production systems can be abridged as follows: Biennial net balances in vegetable production systems were positive for N (80 kg ha-1 ), P (75 kg ha-1) and C (3,927 kg ha-1), negative for K (-205 kg ha-1), whereas in cereal production systems biennial horizontal balances were positive for P (20 kg ha-1 ) and C (4,900 kg ha-1) negative for N (-155 kg ha-1) and K (-355 kg ha-1) and in vineyards corresponding values were highly positive for N (295 kg ha-1), P (235 kg ha-1), C (3,362 kg ha-1) and slightly positive for K (5 kg ha-1). Regardless of N and C gaseous emissions, yearly leaching losses of N and P in selected vegetable gardens varied from 70 - 205 kg N ha-1 and 5 - 10 kg P ha-1. Manure and irrigation water contributed on average 12 - 79% to total Inputs of N, P, K and C, 10 - 53% to total inputs of C in the gardens and fields. The elevated levels of heavy metal and pathogen loads on fresh UPA vegetables reflected contamination from increasing traffic in the city, deposits of the past decades of war, lacking collection and treatment of raw inter-city wastes which call for solutions to protect consumer and producer health and increase reliability of UPA productions. A cost-revenue analysis of all inputs and outputs of cereal, vegetable and grapes production systems over two years showed substantial differences in net UPA household income. To confirm these results, more detailed studies are needed, but tailoring and managing the optimal application of inputs to crop needs will significantly enhance farmer’s better revenues as will as environmental and produce quality.

Controlling the transport of an ion: classical and quantum mechanical solutions

The accurate transport of an ion over macroscopic distances represents a challenging control problem due to the different length and time scales that enter and the experimental limitations on the controls that need to be accounted for. Here, we investigate the performance of different control techniques for ion transport in state-of-the-art segmented miniaturized ion traps. We employ numerical optimization of classical trajectories and quantum wavepacket propagation as well as analytical solutions derived from invariant based inverse engineering and geometric optimal control. The applicability of each of the control methods depends on the length and time scales of the transport. Our comprehensive set of tools allows us make a number of observations. We find that accurate shuttling can be performed with operation times below the trap oscillation period. The maximum speed is limited by the maximum acceleration that can be exerted on the ion. When using controls obtained from classical dynamics for wavepacket propagation, wavepacket squeezing is the only quantum effect that comes into play for a large range of trapping parameters. We show that this can be corrected by a compensating force derived from invariant based inverse engineering, without a significant increase in the operation time.

Optimization of the Mechanical and Optical Properties of Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) for a Nanospectrometer in the Visible and Near Infrared Spectral Range

Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) based on Fabry-Pérot (FP) filters, for high quality spectroscopic applications in the visible and near infrared spectral range are investigated within this work. The optical performance of the FP filters is improved by using ion beam sputtered niobium pentoxide (Nb2O5) and silicon dioxide (SiO2) Distributed Bragg Reflectors (DBRs) as mirrors. Due to their high refractive index contrast, only a few alternating pairs of Nb2O5 and SiO2 films can achieve DBRs with high reflectivity in a wide spectral range, while ion beam sputter deposition (IBSD) is utilized due to its ability to produce films with high optical purity. However, IBSD films are highly stressed; resulting in stress induced mirror curvature and suspension bending in the free standing filter suspensions of the MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) FP filters. Stress induced mirror curvature results in filter transmission line degradation, while suspension bending results in high required filter tuning voltages. Moreover, stress induced suspension bending results in higher order mode filter operation which in turn degrades the optical resolution of the filter. Therefore, the deposition process is optimized to achieve both near zero absorption and low residual stress. High energy ion bombardment during film deposition is utilized to reduce the film density, and hence the film compressive stress. Utilizing this technique, the compressive stress of Nb2O5 is reduced by ~43%, while that for SiO2 is reduced by ~40%. Filters fabricated with stress reduced films show curvatures as low as 100 nm for 70 μm mirrors. To reduce the stress induced bending in the free standing filter suspensions, a stress optimized multi-layer suspension design is presented; with a tensile stressed metal sandwiched between two compressively stressed films. The stress in Physical Vapor Deposited (PVD) metals is therefore characterized for use as filter top-electrode and stress compensating layer. Surface micromachining is used to fabricate tunable FP filters in the visible spectral range using the above mentioned design. The upward bending of the suspensions is reduced from several micrometers to less than 100 nm and 250 nm for two different suspension layer combinations. Mechanical tuning of up to 188 nm is obtained by applying 40 V of actuation voltage. Alternatively, a filter line with transmission of 65.5%, Full Width at Half Maximum (FWHM) of 10.5 nm and a stopband of 170 nm (at an output wavelength of 594 nm) is achieved. Numerical model simulations are also performed to study the validity of the stress optimized suspension design for the near infrared spectral range, wherein membrane displacement and suspension deformation due to material residual stress is studied. Two bandpass filter designs based on quarter-wave and non-quarter-wave layers are presented as integral components of the TOSA. With a filter passband of 135 nm and a broad stopband of over 650 nm, high average filter transmission of 88% is achieved inside the passband, while maximum filter transmission of less than 1.6% outside the passband is achieved.

Thermal Impacts on Building Integrated Photovoltaic (BIPV) (Electrical, Thermal and Mechanical Characteristics)

Ein Drittel des weltweiten gesamten Energiebedarfs wird durch Gebäude verbraucht. Um diesen Energiebedarf teilweise zu decken, den erheblichen Energieverbrauch zu reduzieren und weiterhin andere Gebäudefunktionen beizubehalten, ist Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) eine der am besten geeigneten Lösungen für die Gebäudenanwendung. Im Bezug auf eine Vielzahl von Gestalltungsmöglichkeiten, sind die Randbedingungen der BIPV-Anwendungen eindeutig anders im Vergleich zu Standard-PV-Anwendungen, insbesondere bezüglich der Betriebstemperatur. Bisher gab es nicht viele Informationen zu den relevanten thermischen Auswirkungen auf die entsprechenden elektrischen Eigenschaften zusammen mit thermischen und mechanischen relevanten Gebäudenfunktionen. Die meisten Hersteller übernehmen diese Eigenschaften von entsprechenden PV-Modulen und konventionellen Bauprodukten Normen, die zur ungenauen System- und Gebäudeplanungen führen. Deshalb ist die Untersuchung des thermischen Einflusses auf elektrische, thermische sowie mechanische Eigenschaften das Hauptziel der vorliegenden Arbeit. Zunächst wird das Temperatur-Model mit dem Power-Balance-Konzept erstellt. Unter Berücksichtigung der variablen Installationsmöglichkeiten und Konfigurationen des Moduls wird das Model auf Basis dynamischer und stationär Eigenschaften entwickelt. Im Hinblick auf die dynamische Simulation können der Energieertrag und Leistung zusammen mit der thermischen Gebäudesimulation in Echtzeit simuliert werden. Für stationäre Simulationen können die relevanten Gebäudefunktionen von BIPV-Modulen sowohl im Sommer als auch im Winter simuliert werden. Basierend auf unterschiedlichen thermischen und mechanischen Last-Szenarien wurde darüber hinaus das mechanische Model zusammen mit Variationen von Belastungsdauer, Montagesystem und Verkapselungsmaterialien entwickelt. Um die Temperatur- und Mechanik-Modelle zu validieren, wurden die verschiedenen Prüfeinrichtungen zusammen mit neuen Testmethoden entwickelt. Bei Verwendung der Prüfanlage „PV variable mounting system“ und „mechanical testing equipment“ werden zudem die verschiedenen Szenarien von Montagesystemen, Modul-Konfigurationen und mechanischen Belastungen emuliert. Mit der neuen Testmethode „back-bias current concept“ können zum einen die solare Einstrahlung und bestimmte Betriebstemperaturen eingestellt werden. Darüber hinaus wurden mit den eingangs erwähnten validierten Modellen das jeweilige elektrische, thermische und mechanische Verhalten auf andere Konfigurationen bewertet. Zum Abschluss wird die Anwendung von Software-Tools bei PV-Herstellern im Hinblick auf die entsprechenden Modellentwicklungen thematisiert.

Development of mechanical methods for cell-tray propagation and field transplanting of dwarf napiergrass (Pennisetum purpureum Schumach.)

Since dwarf napiergrass (Pennisetum purpureum Schumach.) must be propagated vegetatively due to lack of viable seeds, root splitting and stem cuttings are generally used to obtain true-to-type plant populations. These ordinary methods are laborious and costly, and are the greatest barriers for expanding the cultivation area of this crop. The objectives of this research were to develop nursery production of dwarf napiergrass in cell trays and to compare the efficiency of mechanical versus manual methods for cell-tray propagation and field transplanting. After defoliation of herbage either by a sickle (manually) or hand-mowing machine, every potential aerial tiller bud was cut to a single one for transplanting into cell trays as stem cuttings and placed in a glasshouse over winter. The following June, nursery plants were trimmed to a 25–cm length and transplanted in an experimental field (sandy soil) with 20,000 plants ha^(−1) either by shovel (manually) or Welsh onion planter. Labour time was recorded for each process. The manual defoliation of plants required 44% more labour time for preparing the stem cuttings (0.73 person-min. stemcutting^(−1)) compared to using hand-mowing machinery (0.51 person-min. stem-cutting^(−1)). In contrast, labour time for transplanting required an extra 0.30 person-min. m^(−2) (14%) using the machinery compared to manual transplanting, possibly due to the limited plot size for machinery operation. The transplanting method had no significant effect on plant establishment or plant growth, except for herbage yield 110 days after planting. Defoliation of herbage by machinery, production using a cell-tray nursery and mechanical transplanting reduced the labour intensity of dwarf napiergrass propagation.