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.

Die Privatisierung der Öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV) und die damit verbundene Problematik des marktwirtschaftlichen und interventionistischen Dualismus am Beispiel des Schienenpersonennahverkehrs (SPNV) in der Fläche

Der SPNV als Bestandteil des ÖPNV bildet einen integralen Bestandteil der öffentlichen Daseinsvorsorge. Insbesondere Flächenregionen abseits urbaner Ballungszentren erhalten durch den SPNV sowohl ökonomisch als auch soziokulturell wichtige Impulse, so dass die Zukunftsfähigkeit dieser Verkehrsart durch geeignete Gestaltungsmaßnahmen zu sichern ist. ZIELE: Die Arbeit verfolgte das Ziel, derartige Gestaltungsmaßnahmen sowohl grundlagentheoretisch herzuleiten als auch in ihrer konkreten Ausformung für die verkehrswirtschaftliche Praxis zu beschreiben. Abgezielt wurde insofern auf strukturelle Konzepte als auch praktische Einzelmaßnahmen. Der Schwerpunkt der Analyse erstreckte sich dabei auf Deutschland, wobei jedoch auch verkehrsbezogene Privatisierungserfahrungen aus anderen europäischen Staaten und den USA berücksichtigt wurden. METHODEN: Ausgewertet wurden deutschsprachige als auch internationale Literatur primär verkehrswissenschaftlicher Ausrichtung sowie Fallbeispiele verkehrswirtschaftlicher Privatisierung. Darüber hinaus wurden Entscheidungsträger der Deutschen Bahn (DB) und DB-externe Eisenbahnexperten interviewt. Eine Gruppe 5 DB-interner und 5 DB-externer Probanden nahm zusätzlich an einer standardisierten Erhebung zur Einschätzung struktureller und spezifischer Gestaltungsmaßnahmen für den SPNV teil. ERGEBNISSE: In struktureller Hinsicht ist die Eigentums- und Verfügungsregelung für das gesamte deutsche Bahnwesen und den SPNV kritisch zu bewerten, da der dominante Eisenbahninfrastrukturbetreiber (EIU) in Form der DB Netz AG und die das Netz nutzenden Eisenbahnverkehrs-Unternehmen (EVUs, nach wie vor zumeist DB-Bahnen) innerhalb der DB-Holding konfundiert sind. Hieraus ergeben sich Diskriminierungspotenziale vor allem gegenüber DB-externen EVUs. Diese Situation entspricht keiner echten Netz-Betriebs-Trennung, die wettbewerbstheoretisch sinnvoll wäre und nachhaltige Konkurrenz verschiedener EVUs ermöglichen würde. Die seitens der DB zur Festigung bestehender Strukturen vertretene Argumentation, wonach Netz und Betrieb eine untrennbare Einheit (Synergie) bilden sollten, ist weder wettbewerbstheoretisch noch auf der Ebene technischer Aspekte akzeptabel. Vielmehr werden durch die gegenwärtige Verquickung der als Quasimonopol fungierenden Netzebene mit der Ebene der EVU-Leistungen Innovationspotenziale eingeschränkt. Abgesehen von der grundsätzlichen Notwendigkeit einer konsequenten Netz-Betriebs-Trennung und dezentraler Strukturen sind Ausschreibungen (faktisch öffentliches Verfahren) für den Betrieb der SPNV-Strecken als Handlungsansatz zu berücksichtigen. Wettbewerb kann auf diese Weise gleichsam an der Quelle einer EVU-Leistung ansetzen, wobei politische und administrative Widerstände gegen dieses Konzept derzeit noch unverkennbar sind. Hinsichtlich infrastruktureller Maßnahmen für den SPNV ist insbesondere das sog. "Betreibermodell" sinnvoll, bei dem sich das übernehmende EIU im Sinne seiner Kernkompetenzen auf den Betrieb konzentriert. Die Verantwortung für bauliche Maßnahmen sowie die Instandhaltung der Strecken liegt beim Betreiber, welcher derartige Leistungen am Markt einkaufen kann (Kostensenkungspotenzial). Bei Abgabeplanungen der DB Netz AG für eine Strecke ist mithin für die Auswahl eines Betreibers auf den genannten Ausschreibungsmodus zurückzugreifen. Als kostensenkende Einzelmaßnahmen zur Zukunftssicherung des SPNV werden abschließend insbesondere die Optimierung des Fahrzeugumlaufes sowie der Einsatz von Triebwagen anstatt lokbespannter Züge und die weiter forcierte Ausrichtung auf die kundenorientierte Attraktivitätssteigerung des SPNV empfohlen. SCHLUSSFOLGERUNGEN: Handlungsansätze für eine langfristige Sicherung des SPNV können nicht aus der Realisierung von Extrempositionen (staatlicher Interventionismus versus Liberalismus) resultieren, sondern nur aus einem pragmatischen Ausgleich zwischen beiden Polen. Dabei erscheint eine Verschiebung hin zum marktwirtschaftlichen Pol sinnvoll, um durch die Nutzung wettbewerbsbezogener Impulse Kostensenkungen und Effizienzsteigerungen für den SPNV herbeizuführen.

Untersuchungen zum Gesundheitsstatus und zu betrieblichen Maßnahmen der Gesundheitsvorsorge in der ökologischen Schweinehaltung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde mittels einer umfassenden und von einer Projektgruppe begleiteten Literaturanalyse sowie anhand von Praxiserhebungen der Frage nachgegangen, wie es um die Tiergesundheit in der ökologischen Schweinehaltung bestellt ist. Ferner wurde untersucht, ob die ökologischen Rahmenrichtlinien (EWG-VO 2092/91) ein Hemmnis für die Sicherstellung eines hohen Gesundheitsstatus der Nutztiere darstellen. Die Literaturauswertung ergab, dass die Erkrankungsraten sowohl auf ökologisch wie auf konventionell geführten Betrieben ein hohes Niveau aufwiesen. Die Ursachen wurden vorrangig in einem unzureichenden betrieblichen Management gesehen, während den EG-Rahmenrichtlinien in der Regel keine maßgebliche Bedeutung für den Gesundheitsstatus beigemessen wurde. In Praxiserhebungen wurde die Status-quo-Situation zur Tiergesundheit auf sechs ökologisch wirt- schaftenden Schweinemastbetrieben erfasst. Ferner wurde untersucht, inwieweit eine Verbesserung des Gesundheitsstatus auf den Betrieben mit einem Mehraufwand an Arbeitszeit und Investitionen verbunden ist. Hierzu wurden die Bereiche Haltung, Fütterung und Hygienemanagement mittels einer Schwachstellenanalyse (Hazard Analysis Critical Control Points-Konzept) beurteilt. Der Zeit- bedarf für Maßnahmen zur Gesundheitsvorsorge wurde durch Arbeitszeitaufzeichnungen erfasst. Die Untersuchungen zeigten, dass auf den Betrieben zum Teil erhebliche Mängel im Hygiene- management bestanden. Anhand von Schlachtkörperbefunden wurde eine hohe Rate pathologischer Leberveränderungen, verursacht durch Larven des Schweinespulwurms Ascaris suum, diagnosti- ziert. Insgesamt wiesen die Schlachtkörper der Tiere von den sechs Betrieben mit durchschnittlich 48,8 % sowie die Schlachtkörper von ökologischen Vergleichsbetrieben mit 63,9 % signifikant höhere Befundraten auf als die Schlachtkörper konventioneller Vergleichsbetriebe (17,4 %). Der Arbeitszeitbedarf für die Mastschweinehaltung auf den sechs Betrieben variierte zwischen 2,0 und 3,7 Arbeitskraftstunden pro Mastplatz und Jahr und lag damit deutlich höher als vergleichbare Literaturdaten. Zwischen den Betrieben traten hohe Unterschiede hinsichtlich der zeitlichen Aufwendungen für Hygiene- und Tiergesundheitsmaßnahmen auf. Während der Interventionsphase wurden das Entwurmungs- und das Hygieneregime der sechs Betriebe optimiert. Die Buchten wurden ordnungsgemäß gereinigt und desinfiziert und der erforderliche Arbeitszeitaufwand quantifiziert. Dieser lag zusammen mit den zusätzlichen Kosten um ca. 46 % höher als der betrieblich übliche Arbeitszeitaufwand. Betriebe mit neu konzipierten Ställen und glatten Buchtenböden und -wänden konnten diese mit vergleichsweise geringem Arbeitsaufwand reinigen und desinfizieren. In einigen Altgebäuden hingegen war aufgrund rauer und schadhafter Oberflächen eine ordnungsgemäße Reinigung und Desinfektion nur bedingt durchzuführen. Die Rate der Leberveränderungen am Schlachthof konnte von durchschnittlich 48,9 % auf 32,7 % gesenkt werden. Während sich die Befundraten auf einigen Betrieben signifikant verbesserten, trat bei der Nutzung von unrenovierten Ställen in Altgebäuden keine Besserung ein. Es wird geschlussfolgert, dass die Rahmenbedingungen der EG-Verordnung einem hohen Tiergesundheitsstatus nicht entgegen stehen, in der Regel jedoch mit einem erhöhten Aufwand für Hygienemaßnahmen verbunden sind. Voraussetzung für eine geringe Parasitenbelastung sind ein konsequent umgesetztes Hygiene- und Entwurmungsregime sowie gut zu reinigende Buchten. Letzteres ist allerdings bei der Nutzung von Altgebäuden nicht immer gegeben.

Chemical gas sensors based on functionalized self-actuated piezo-resistive cantilevers

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Anwendung funktionalisierter Mikrocantilever mit integrierter bimorpher Aktuation und piezo-resistiver Detektion als chemische Gassensoren für den schnellen, tragbaren und preisgünstigen Nachweis verschiedener flüchtiger Substanzen. Besondere Beachtung erfährt die Verbesserung der Cantilever-Arbeitsleistung durch den Betrieb in speziellen Modi. Weiterer Schwerpunkt liegt in der Untersuchung von spezifischen Sorptionswechselwirkungen und Anwendung von innovativen Funktionsschichten, die bedeutend auf die Sensorselektivität wirken.

Dye-sensitized solar cells based on perylene derivatives

The oil price rises more and more, and the world energy consumption is projected to expand by 50 percent from 2005 to 2030. Nowadays intensive research is focused on the development of alternative energies. Among them, there are dye-sensitized nanocrystalline solar cells (DSSCs) “the third generation solar cells”. The latter have gained attention during the last decade and are currently subject of intense research in the framework of renewable energies as a low-cost photovoltaic. At present DSSCs with ruthenium based dyes exhibit highest efficiencies (ca 11%). The objective of the present work is to fabricate, characterize and improve the performance of DSSCs based on metal free dyes as sensitizers, especially on perylene derivatives. The work begins by a general introduction to the photovoltaics and dye-sensitized solar cells, such as the operating principles and the characteristics of the DSSCs. Chapter 2 and 3 discuss the state of the art of sensitizers used in DSSCs, present the compounds used as sensitizer in the present work and illustrate practical issues of experimental techniques and device preparation. A comparative study of electrolyte-DSSCs based on P1, P4, P7, P8, P9, and P10 are presented in chapter 4. Experimental results show that the dye structure plays a crucial role in the performance of the devices. The dye based on the spiro-concept (bipolar spiro compound) exhibited a higher efficiency than the non-spiro compounds. The presence of tert-butylpyridine as additive in the electrolyte was found to increase the open circuit voltage and simultaneously decrease the efficiency. The presence of lithium ions in the electrolyte increases both output current and the efficiency. The sensitivity of the dye to cations contained in the electrolyte was investigated in the chapter 5. FT-IR and UV-Vis were used to investigate the in-situ coordination of the cation to the adsorbed dye in the working devices. The open-circuit voltage was found to depend on the number of coordination sites in the dye. P1 with most coordination sites has shown the lowest potential drop, opposite to P7, which is less sensitive to cations in the working cells. A strategy to improve the dye adsorption onto the TiO2 surface, and thus the light harvesting efficiency of the photoanode by UV treatment, is presented in chapter 6. The treatment of the TiO2 film with UV light generates hydroxyl groups and renders the TiO2 surface more and more hydrophilic. The treated TiO2 surface reacts readily with the acid anhydride group of the dye that acts as an anchoring group and improves the dye adsorption. The short-circuit current density and the efficiency of the electrolyte-based dye cells was considerably improved by the UV treatment of the TiO2 film. Solid-state dye-sensitized solar cells (SSDs) based on spiro-MeOTAD (used as hole transport material) are studied in chapter 7. The efficiency of SSDs was globally found to be lower than that of electrolyte-based solar cells. That was due to poor pore filling of the dye-loaded TiO2 film by the spin-coated spiro-MeOTAD and to the significantly slower charge transport in the spiro-MeOTAD compared to the electrolyte redox mediator. However, the presence of the donor moieties in P1 that are structurally similar to spiro-MeOTAD was found to improve the wettability of the P1-loaded TiO2 film. As a consequence the performance of the P1-based solid-state cells is better compared to the cells based on non-spiro compounds.

Context as a Service

In the vision of Mark Weiser on ubiquitous computing, computers are disappearing from the focus of the users and are seamlessly interacting with other computers and users in order to provide information and services. This shift of computers away from direct computer interaction requires another way of applications to interact without bothering the user. Context is the information which can be used to characterize the situation of persons, locations, or other objects relevant for the applications. Context-aware applications are capable of monitoring and exploiting knowledge about external operating conditions. These applications can adapt their behaviour based on the retrieved information and thus to replace (at least a certain amount) the missing user interactions. Context awareness can be assumed to be an important ingredient for applications in ubiquitous computing environments. However, context management in ubiquitous computing environments must reflect the specific characteristics of these environments, for example distribution, mobility, resource-constrained devices, and heterogeneity of context sources. Modern mobile devices are equipped with fast processors, sufficient memory, and with several sensors, like Global Positioning System (GPS) sensor, light sensor, or accelerometer. Since many applications in ubiquitous computing environments can exploit context information for enhancing their service to the user, these devices are highly useful for context-aware applications in ubiquitous computing environments. Additionally, context reasoners and external context providers can be incorporated. It is possible that several context sensors, reasoners and context providers offer the same type of information. However, the information providers can differ in quality levels (e.g. accuracy), representations (e.g. position represented in coordinates and as an address) of the offered information, and costs (like battery consumption) for providing the information. In order to simplify the development of context-aware applications, the developers should be able to transparently access context information without bothering with underlying context accessing techniques and distribution aspects. They should rather be able to express which kind of information they require, which quality criteria this information should fulfil, and how much the provision of this information should cost (not only monetary cost but also energy or performance usage). For this purpose, application developers as well as developers of context providers need a common language and vocabulary to specify which information they require respectively they provide. These descriptions respectively criteria have to be matched. For a matching of these descriptions, it is likely that a transformation of the provided information is needed to fulfil the criteria of the context-aware application. As it is possible that more than one provider fulfils the criteria, a selection process is required. In this process the system has to trade off the provided quality of context and required costs of the context provider against the quality of context requested by the context consumer. This selection allows to turn on context sources only if required. Explicitly selecting context services and thereby dynamically activating and deactivating the local context provider has the advantage that also the resource consumption is reduced as especially unused context sensors are deactivated. One promising solution is a middleware providing appropriate support in consideration of the principles of service-oriented computing like loose coupling, abstraction, reusability, or discoverability of context providers. This allows us to abstract context sensors, context reasoners and also external context providers as context services. In this thesis we present our solution consisting of a context model and ontology, a context offer and query language, a comprehensive matching and mediation process and a selection service. Especially the matching and mediation process and the selection service differ from the existing works. The matching and mediation process allows an autonomous establishment of mediation processes in order to transfer information from an offered representation into a requested representation. In difference to other approaches, the selection service selects not only a service for a service request, it rather selects a set of services in order to fulfil all requests which also facilitates the sharing of services. The approach is extensively reviewed regarding the different requirements and a set of demonstrators shows its usability in real-world scenarios.

Theoretical and experimental study of intracavity laser absorption spectroscopy

In this thesis, a dual mode tunable gas sensor based on intracavity laser absorption spectroscopy (ICLAS) principle is investigated, both, numerically and experimentally. In order to minimize the cost and size of the gas sensor, relative intensity noise (RIN) is implemented as a detection parameter. Investigation is performed to determine the effect of injection current, operating temperature, mode spacing, and cavity length on RIN. It has been found that it is best to operate the gas sensor at smaller mode spacing and near the threshold current or at larger mode spacing and far above the threshold current for the use of RIN as the readout parameter.

Optimierung von Betriebsstrategien für elektrifizierte Antriebskonzepte

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine gemeinsame Optimierung der Hybrid-Betriebsstrategie und des Verhaltens des Verbrennungsmotors vorgestellt. Die Übernahme von den im Steuergerät verwendeten Funktionsmodulen in die Simulationsumgebung für Fahrzeuglängsdynamik stellt eine effiziente Applikationsmöglichkeit der Originalparametrierung dar. Gleichzeitig ist es notwendig, das Verhalten des Verbrennungsmotors derart nachzubilden, dass das stationäre und das dynamische Verhalten, inklusive aller relevanten Einflussmöglichkeiten, wiedergegeben werden kann. Das entwickelte Werkzeug zur Übertragung der in Ascet definierten Steurgerätefunktionen in die Simulink-Simulationsumgebung ermöglicht nicht nur die Simulation der relevanten Funktionsmodule, sondern es erfüllt auch weitere wichtige Eigenschaften. Eine erhöhte Flexibilität bezüglich der Daten- und Funktionsstandänderungen, sowie die Parametrierbarkeit der Funktionsmodule sind Verbesserungen die an dieser Stelle zu nennen sind. Bei der Modellierung des stationären Systemverhaltens des Verbrennungsmotors erfolgt der Einsatz von künstlichen neuronalen Netzen. Die Auswahl der optimalen Neuronenanzahl erfolgt durch die Betrachtung des SSE für die Trainings- und die Verifikationsdaten. Falls notwendig, wird zur Sicherstellung der angestrebten Modellqualität, das Interpolationsverhalten durch Hinzunahme von Gauß-Prozess-Modellen verbessert. Mit den Gauß-Prozess-Modellen werden hierbei zusätzliche Stützpunkte erzeugt und mit einer verminderten Priorität in die Modellierung eingebunden. Für die Modellierung des dynamischen Systemverhaltens werden lineare Übertragungsfunktionen verwendet. Bei der Minimierung der Abweichung zwischen dem Modellausgang und den Messergebnissen wird zusätzlich zum SSE das 2σ-Intervall der relativen Fehlerverteilung betrachtet. Die Implementierung der Steuergerätefunktionsmodule und der erstellten Steller-Sensor-Streckenmodelle in der Simulationsumgebung für Fahrzeuglängsdynamik führt zum Anstieg der Simulationszeit und einer Vergrößerung des Parameterraums. Das aus Regelungstechnik bekannte Verfahren der Gütevektoroptimierung trägt entscheidend zu einer systematischen Betrachtung und Optimierung der Zielgrößen bei. Das Ergebnis des Verfahrens ist durch das Optimum der Paretofront der einzelnen Entwurfsspezifikationen gekennzeichnet. Die steigenden Simulationszeiten benachteiligen Minimumsuchverfahren, die eine Vielzahl an Iterationen benötigen. Um die Verwendung einer Zufallsvariablen, die maßgeblich zur Steigerung der Iterationanzahl beiträgt, zu vermeiden und gleichzeitig eine Globalisierung der Suche im Parameterraum zu ermöglichen wird die entwickelte Methode DelaunaySearch eingesetzt. Im Gegensatz zu den bekannten Algorithmen, wie die Partikelschwarmoptimierung oder die evolutionären Algorithmen, setzt die neu entwickelte Methode bei der Suche nach dem Minimum einer Kostenfunktion auf eine systematische Analyse der durchgeführten Simulationsergebnisse. Mit Hilfe der bei der Analyse gewonnenen Informationen werden Bereiche mit den bestmöglichen Voraussetzungen für ein Minimum identifiziert. Somit verzichtet das iterative Verfahren bei der Bestimmung des nächsten Iterationsschrittes auf die Verwendung einer Zufallsvariable. Als Ergebnis der Berechnungen steht ein gut gewählter Startwert für eine lokale Optimierung zur Verfügung. Aufbauend auf der Simulation der Fahrzeuglängsdynamik, der Steuergerätefunktionen und der Steller-Sensor-Streckenmodelle in einer Simulationsumgebung wird die Hybrid-Betriebsstrategie gemeinsam mit der Steuerung des Verbrennungsmotors optimiert. Mit der Entwicklung und Implementierung einer neuen Funktion wird weiterhin die Verbindung zwischen der Betriebsstrategie und der Motorsteuerung erweitert. Die vorgestellten Werkzeuge ermöglichten hierbei nicht nur einen Test der neuen Funktionalitäten, sondern auch eine Abschätzung der Verbesserungspotentiale beim Verbrauch und Abgasemissionen. Insgesamt konnte eine effiziente Testumgebung für eine gemeinsame Optimierung der Betriebsstrategie und des Verbrennungsmotorverhaltens eines Hybridfahrzeugs realisiert werden.

The competitiveness of domestic rice production in East Africa: A domestic resource cost approach in Uganda

The rapid increase of rice imports in sub-Saharan Africa under the unstable situation in the world rice market during the 2000s has made it an important policy target for the countries in the region to increase self-sufficiency in rice in order to enhance food security. Whether domestic rice production can be competitive with imported rice is a serious question in East African countries that lie close, just across the Arabian Sea, to major rice exporting countries in South Asia. This study investigates the international competitiveness of domestic rice production in Uganda in terms of the domestic resource cost ratio. The results show that rainfed rice cultivation, which accounts for 95% of domestic rice production, does not have a comparative advantage with respect to rice imported from Pakistan, the largest supplier of imported rice to Uganda. However, the degree of non-competitiveness is not serious, and a high possibility exists for Uganda’s rainfed rice cultivation to become internationally competitive by improving yield levels by applying more modern inputs and enhancing labour productivity. Irrigated rice cultivation, though very limited in area, is competitive even under the present input-output structure when the cost of irrigation infrastructure is treated as a sunk cost. If the cost of installing irrigation infrastructure and its operation and maintenance is taken into account, the types of irrigation development that are economically feasible are not large-scale irrigation projects, but are small- and microscale projects for lowland rice cultivation and rain-water harvesting for upland rice cultivation.