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.

Development of hybrid UV VCSEL with organic active material and dielectric DBR mirrors for medical, sensoric and data storage applications

Lasers play an important role for medical, sensoric and data storage devices. This thesis is focused on design, technology development, fabrication and characterization of hybrid ultraviolet Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (UV VCSEL) with organic laser-active material and inorganic distributed Bragg reflectors (DBR). Multilayer structures with different layer thicknesses, refractive indices and absorption coefficients of the inorganic materials were studied using theoretical model calculations. During the simulations the structure parameters such as materials and thicknesses have been varied. This procedure was repeated several times during the design optimization process including also the feedback from technology and characterization. Two types of VCSEL devices were investigated. The first is an index coupled structure consisting of bottom and top DBR dielectric mirrors. In the space in between them is the cavity, which includes active region and defines the spectral gain profile. In this configuration the maximum electrical field is concentrated in the cavity and can destroy the chemical structure of the active material. The second type of laser is a so called complex coupled VCSEL. In this structure the active material is placed not only in the cavity but also in parts of the DBR structure. The simulations show that such a distribution of the active material reduces the required pumping power for reaching lasing threshold. High efficiency is achieved by substituting the dielectric material with high refractive index for the periods closer to the cavity. The inorganic materials for the DBR mirrors have been deposited by Plasma- Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) and Dual Ion Beam Sputtering (DIBS) machines. Extended optimizations of the technological processes have been performed. All the processes are carried out in a clean room Class 1 and Class 10000. The optical properties and the thicknesses of the layers are measured in-situ by spectroscopic ellipsometry and spectroscopic reflectometry. The surface roughness is analyzed by atomic force microscopy (AFM) and images of the devices are taken with scanning electron microscope (SEM). The silicon dioxide (SiO2) and silicon nitride (Si3N4) layers deposited by the PECVD machine show defects of the material structure and have higher absorption in the ultra violet range compared to ion beam deposition (IBD). This results in low reflectivity of the DBR mirrors and also reduces the optical properties of the VCSEL devices. However PECVD has the advantage that the stress in the layers can be tuned and compensated, in contrast to IBD at the moment. A sputtering machine Ionsys 1000 produced by Roth&Rau company, is used for the deposition of silicon dioxide (SiO2), silicon nitride (Si3N4), aluminum oxide (Al2O3) and zirconium dioxide (ZrO2). The chamber is equipped with main (sputter) and assisted ion sources. The dielectric materials were optimized by introducing additional oxygen and nitrogen into the chamber. DBR mirrors with different material combinations were deposited. The measured optical properties of the fabricated multilayer structures show an excellent agreement with the results of theoretical model calculations. The layers deposited by puttering show high compressive stress. As an active region a novel organic material with spiro-linked molecules is used. Two different materials have been evaporated by utilizing a dye evaporation machine in the clean room of the department Makromolekulare Chemie und Molekulare Materialien (mmCmm). The Spiro-Octopus-1 organic material has a maximum emission at the wavelength λemission = 395 nm and the Spiro-Pphenal has a maximum emission at the wavelength λemission = 418 nm. Both of them have high refractive index and can be combined with low refractive index materials like silicon dioxide (SiO2). The sputtering method shows excellent optical quality of the deposited materials and high reflection of the multilayer structures. The bottom DBR mirrors for all VCSEL devices were deposited by the DIBS machine, whereas the top DBR mirror deposited either by PECVD or by combination of PECVD and DIBS. The fabricated VCSEL structures were optically pumped by nitrogen laser at wavelength λpumping = 337 nm. The emission was measured by spectrometer. A radiation of the VCSEL structure at wavelength 392 nm and 420 nm is observed.

Prognosemethode für das Schutzgut ‚Landschaft’ im Rahmen der Strategischen Umweltprüfung

Im Mittelpunkt der Dissertation stehen das Schutzgut ‚Landschaft’ sowie ‚Prognosemethoden in der Umweltprüfung’. Mit beiden Themenbereichen verbinden sich bereits heute ungelöste methodische Probleme, die mit der Umsetzung der Richtlinie zur Strategischen Umweltprüfung (SUP) zusätzlich komplexer und deren Lösung mithin anspruchsvoller werden. Dies hängt einerseits damit zusammen, dass eine gesetzeskonforme Gleichbehandlung aller Schutzgüter zunehmend eingefordert wird und gerade das Schutzgut ‚Landschaft’ in einer SUP methodisch besondere Aufmerksamkeit verlangt. Zum anderen führt die gängige planungsmethodische Diskussion allein nicht zu geeigneten Antworten auf o.g. Fragen, und es bedarf der Prüfung verschiedener Methodenbausteine, auch aus anderen Wissensgebieten, um – über ein eindimensionales Landschaftsverständnis einerseits und die bisher bekannten linearen Wirkungsprognosen andererseits hinaus gehend – mehrfach verknüpfte Prognoseschritte zur Anwendung in der SUP zu entwickeln, in denen das Schutzgut ‚Landschaft’ modellhaft für Bewertungsschritte nachvollziehbar abgebildet wird. Hierbei müssen entscheidungsrelevante Prognosezeiträume ebenso beachtet werden, wie in diesen Zeiträumen möglicherweise auftretende sekundäre, kumulative, synergetische, positive und negative Auswirkungen der zu beurteilenden Planung. Dieser Ziel- und Aufgabenstellung entsprechend erfolgt die theoretische Herangehensweise der Arbeit von zwei Seiten: 1. Die Funktionen und Stellung von Prognosen innerhalb der SUP wird erläutert (Kap. 2), und es wird der Frage nachgegangen, welche Anforderungen an Prognosemethoden zu stellen sind (Kap. 2.4) und welche Prognosemethoden in der SUP Verwendung finden bzw. finden können (Kap. 3). Der Schwerpunkt wird dabei auf die Anwendung der Szenariotechnik gelegt. 2. Es wird dargestellt wie Landschaft für Aufgaben der Landschaftsplanung und Umweltprüfung bisher üblicherweise erfasst und analysiert wird, um in Prognoseschritten handhabbar behandelt zu werden (Kap. 4). Beide Zugänge werden sodann zusammengeführt (Kap. 5), um am Beispiel einer Hochwasserschutzkonzeption im Rahmen der SUP Landschaftliche Prognosen zu erarbeiten. Die Prognose setzt methodisch mit der Beschreibung des zu verwendenden Landschaftsmodells und der Klärung des Modellzwecks ein. Bezugsbasis ist die Beschreibung des Charakters einzelner logisch hergeleiteter Landschaftseinheiten bzw. Landschaftsräume, die typisiert werden. Die Prognose selber unterscheidet zwischen der Abschätzung zu erwartender Landschaftsveränderungen im Sinne der ‚Status-quo-Prognose’ (einschließlich der Entwicklung von drei Szenarien möglicher Zukunftslandschaften bis 2030) und der Wirkungsabschätzungen verschiedener Maßnahmen bzw. Planungsalternativen und zwar zunächst raumunabhängig, und dann raumkonkret. Besondere Bedeutung bei den Wirkungsabschätzungen erhält die klare Trennung von Sach- und Wertebene, eine angemessene Visualisierung und die Dokumentation von Informationslücken und Unsicherheiten bei der Prognose. Diskutiert wird u.a. (Kap. 6) · die Bildung und Abgrenzung landschaftlicher Einheiten und Typen in Bezug zu der Aufgabe, landschaftliche Eigenart zu definieren und planerisch handhabbar und anwendbar zu bestimmen, · die Bedeutung angemessener Visualisierung zur Unterstützung von Beteiligungsverfahren und · die Bestimmung des so genannten ‚Raumwiderstandes’. Beigefügt sind zwei Karten des gesamten Bearbeitungsgebietes: Karte 1 „Landschaftstypen“, Karte 2 „Maßnahmentypen des Hochwasserschutzes mit möglichen Synergieeffekten für die Landschaft“.

An Experimental Multimedia Process Control Room

The centralised control rooms of large industrial plants have separated people from the processes they should control. Perception is restricted mainly to the visual sense. Only telephone or radio links provide narrow-band voice communication with maintenance personnel down in the plant. Multimedia equipment can perceptionally bring back the operator into the plant while bodily keeping him the comfortable and safe control room. This involves video and audio transmission from process components as well as sights and sounds artificially generated from measurements. Groupware systems support inter-action between operators, engineers, and managers in different plants. With support from the German government, the state of Hessen, and industrial companies the Laboratory for Systems Engineering and Human-Machine Systems at the University of Kassel establishes an Experimental Multimedia Process Control Room. Core of this set-up are two high-performance graphics workstations linked to one of several process or vehicle simulators. Multimedia periphery includes video and teleconferencing equipment and a vibration and sound generation system.

Mikromechanisch durchstimmbare, dielektrische Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich: Konzept, Herstellung und Charakterisierung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung mikromechanisch durchstimmbarer, dielektrischer Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich bei einer Zentralwellenlänge von λc = 950 nm. Diese Bauelemente wurden auf Basis kostengünstiger Technologien realisiert, dank deren Entwicklung extreme Miniaturisierung und gleichzeitig hohe spektrale Anforderungen möglich sind. Der Vorteil solcher Filter liegt darin, dass sie direkt in einen Photodetektor integriert werden können und mit ganz wenigen Komponenten zu einem kompakten Spektrometermodul zusammengesetzt werden können. Die Baugröße ist nur durch die Größe des Photodetektors limitiert und die gesamte Intensität des einfallenden Lichts kann vorteilhaft auf eine einzelne Filtermembran des Fabry-Pérot-Filters fokussiert werden. Für den Filteraufbau werden zwei hochreflektierende, dielektrische DBR-Spiegel, ein organisches Opferschichtmaterial, welches zur Erzeugung einer Luftkavität im Filter dient, und zwei unterschiedliche Elektroden aus ITO und Aluminium verwendet. Die mikromechanische Auslenkung der freigelegten Filtermembran geschieht mittels elektrostatischer Aktuation, wobei auf diese Weise die Kavitätshöhe des Fabry-Pérot-Filters geändert wird und somit dieser im erforderlichen Spektralbereich optisch durchgestimmt wird. Das in dieser Arbeit gewählte Filterkonzept stellt eine Weiterentwicklung eines bereits bestehenden Filterkonzepts für den sichtbaren Spektralbereich dar. Zum Einen wurden in dieser Arbeit das vertikale und das laterale Design der Filterstrukturen geändert. Eine entscheidende Änderung lag im mikromechanisch beweglichen Teil des Fabry-Pérot-Filters. Dieser schließt den oberen DBR-Spiegel und ein aus dielektrischen Schichten und der oberen Aluminium-Elektrode bestehendes Membranhaltesystem ein, welches später durch Entfernung der Opferschicht freigelegt wird. Die Fläche des DBR-Spiegels wurde auf die Fläche der Filtermembran reduziert und auf dem Membranhaltesystem positioniert. Zum Anderen wurde im Rahmen dieser Arbeit der vertikale Schichtaufbau des Membranhaltesystems variiert und der Einfluss der gewählten Materialien auf die Krümmung der freistehenden Filterstrukturen, auf das Aktuationsverhalten und auf die spektralen Eigenschaften des gesamten Filters untersucht. Der Einfluss der mechanischen Eigenschaften dieser Materialien spielt nämlich eine bedeutende Rolle bei der Erhaltung der erforderlichen optischen Eigenschaften des gesamten Filters. Bevor Fabry-Pérot-Filter ausgeführt wurden, wurde die mechanische Spannung in den einzelnen Materialien des Membranhaltesystems bestimmt. Für die Messung wurde Substratkrümmungsmethode angewendet. Es wurde gezeigt, dass die Plasmaanregungsfrequenzen der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung bei einer Prozesstemperatur von 120 °C die mechanische Spannung von Si3N4 enorm beeinflussen. Diese Ergebnisse wurden im Membranhaltesystem umgesetzt, wobei verschiedene Filter mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften des Membranhaltesystems gezeigt wurden. Darüber hinaus wurden optische Eigenschaften der Filter unter dem Einfluss des lateralen Designs der Filterstrukturen untersucht. Bei den realisierten Filtern wurden ein optischer Durchstimmbereich von ca. 70 nm und eine spektrale Auflösung von 5 nm erreicht. Die erreichte Intensität der Transmissionslinie liegt bei 45-60%. Diese Parameter haben für den späteren spektroskopischen Einsatz der realisierten Fabry-Pérot-Filter eine hohe Bedeutung. Die Anwendung soll erstmalig in einem „Proof of Concept“ stattfinden, wobei damit die Oberflächentemperatur eines GaAs-Wafers über die Messung der spektralen Lage seiner Bandlücke bestimmt werden kann.