Vertikale Integrationsstrukturen kommunaler Verkehrsunternehmen : eine transaktionskostentheoretische Evaluation

Der Markt für öffentlichen Personennahverkehr (ÖPNV) wird liberalisiert, in die gewachsenen Monopolstrukturen werden Marktmechanismen implementiert. Ziel der neuen ordnungspolitischen Rahmenbedingungen ist die Steigerung der Effizienz des defizitären Verkehrsbereichs, der von kommunalen Verkehrsunternehmen dominiert wird. Diese erbringen als Quasi-Monopolisten traditionell die Verkehrsdurchführung, regelmäßig anfallende Defizite werden von der öffentlichen Hand ausgeglichen. Bedingt durch ihre Leistungsstrukturen sind kommunale Verkehrsunternehmen in einem Wettbewerbsmarkt kaum konkurrenzfähig. Charakteristisch für diesen Unternehmenstyp ist der hohe Grad an vertikal integrierten Wertschöpfungsstufen. Im Gegensatz zu anderen Branchen erbringen kommunale Verkehrsunternehmen die wesentlichen Teile der gesamten ÖPNV-Wertschöpfungskette innerhalb der eigenen Unternehmensgrenzen. An dem hohen vertikalen Integrationsgrad setzt die Untersuchung an. Mit dem von Williamson entwickelten Instrumentarium der Transaktionskostentheorie werden die Leistungsbereiche einer transaktionskostentheoretischen Bewertung unterzogen. Als Alternativen zum institutionellen Arrangement der vertikalen Integration – das als Hierarchie bezeichnet wird – stehen die Arrangements Kooperation und Markt zur Verfügung. Die Bewertung zeigt, welche Leistungsbereiche unter transaktionskostentheoretischen Gesichtspunkten hierarchisch institutionalisiert werden sollten und welche alternativ erbracht werden können. Aus den Ergebnissen werden Strategieempfehlungen abgeleitet, die als Arbeitshypothesen einer anschließenden empirischen Überprüfung unterzogen werden. Die befragten ÖPNV-Experten bewerten somit die Marktfähigkeit der Strategieempfehlungen. Die Untersuchungsergebnisse werden für die Erarbeitung eines alternativen Koordinierungsarrangements für kommunale Verkehrsunternehmen herangezogen. Das Modell basiert auf der Grundlage Strategischer Netzwerke. Kommunale Verkehrsunternehmen nehmen in dem Modell die Rolle des Nukleus ein, der eine Vielzahl von Netzwerkpartnern steuert und für die Erbringung der ÖPNV-Leistungen mit diesen kooperiert.

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.

Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

Netzmonopole in der Elektrizitätswirtschaft und Wettbewerb

Bei der Stromversorgung handelte es sich bis zu seiner Liberalisierung 1998 um einen Wirtschaftszweig, der von Gebietsmonopolen auf allen Versorgungsstufen geprägt war. Diese Monopole gründeten im Wesentlichen auf dem natürlichen Monopol des Stromnetzes sowie auf der Bedeutung der Stromversorgung. Auch nach der Liberalisierung ist der Markt noch immer durch die etablierten ehemaligen Gebietsversorger geprägt, die nach wie vor über die Netze verfügen und zudem untereinander und mit der Politik gut vernetzt sind. Damit über das weiterhin bestehende natürliche Monopol bei den Stromnetzen keine wettbewerbswidrigen Interessen verfolgt werden können, bedarf die Transformation der Elektrizitätsversorgung in einen vorwiegend vom Wettbewerb geprägten Markt einiger Anpassungen. Einige Interessenskonflikte können bereits gelöst werden, indem die Marktstruktur an die neuen Bedingungen angepasst wird. Zum einen bedarf es einer Netzzugangsregelung, die dem Netzbetreiber möglichst geringe Missbrauchsmöglichkeiten offen lässt. Damit der Netzbetreiber überdies keine Interessen aus Aktivitäten in wettbewerbsgeprägten Märkten zulasten der Netznutzer verfolgt, ist zumindest der Betrieb des Netzes auf eigentumsrechtlich unabhängige Netzbetreiber zu übertragen. Diese Entflechtungsform sollte scheinbar bequemeren Lösungen, die sich leichter umsetzen lassen, vorgezogen werden. Auf lange Sicht werden die damit verbundenen höheren Regulierungskosten die Markttransformationskosten weit übersteigen. Das Problem des natürlichen Monopols beim Netz bedarf trotz allem einer dauernden Regulierung. Hier empfiehlt sich eine weitreichende ex-ante-Regulierung, in die auch Kriterien einfließen sollten, die den Netzbetreiber zu einem stabilen und sicheren Betrieb des Netzes veranlassen. Infolgedessen dürfte der Bedarf an einer ex-post-Kontrolle durch die Regulierungsinstitution entsprechend gering ausfallen. Die Regulierungsinstitution sollte hierbei nicht auf einige wenige Regulierungsinstrumente festgelegt werden. Die Gefahr der Anmaßung von Wissen, der Regulierungsinstitutionen wegen ihrer im Vergleich zu den Marktteilnehmern größeren Marktferne ausgesetzt sind, lässt sich durch die Akteursbeteiligung in der Regulierungsinstitution verringern: Die Akteure könnten innerhalb eines vorgegebenen Rahmens die Ausgestaltung der Netznutzungsregeln weitestgehend selbst bestimmen, die Aushandelungsmodalitäten hierfür müssen allerdings präzise festgelegt und die getroffenen Regelungen für alle Marktteilnehmer verbindlich sein. Diese Mischform zwischen staatlicher Rahmensetzung und Selbstregulierung nutzt die Regelungspotentiale des Staates und die Selbstorganisationsmöglichkeiten der relevanten Akteure gleichermaßen. Durch die Besetzung der Regulierungsinstitution mit Vertretern der relevanten Akteure wird zudem ein großes Maß an spezifischem Branchenwissen in sie hineingetragen, insbesondere da die vertikal integrierten Elektrizitätsversorgungsunternehmen nach der eigentumsrechtlichen Entflechtung zumindest noch anfangs über einen großen Teil der Informationen über den Netzbetrieb verfügen. Damit wäre das Informationsproblem, das staatlichen Regulierungsstellen anhaftet, geringer. Durch die Interessenlage der Mitglieder der Regulierungsinstitution dürfte sie auf den Netzbetreiber den starken Effizienzdruck ausüben. Der Netzbetreiber sollte hingegen ein Unternehmen im vollständigen öffentlichen Eigentum sein. Damit kann eine Unterwanderung durch Anteilserwerb verhindert und das Netz leichter im Sinne gemeinwirtschaftlicher Verpflichtungen betrieben werden. Dies wäre überdies wegen der Legitimationsprobleme, die mit einer weitgehend unabhängigen, mit umfangreichen und nicht präzise abgegrenzten Eingriffbefugnissen versehenen Regulierungsinstitution einhergehen, vorteilhaft, wenn nicht gar geboten. Damit sind große Teile der Grundrechtsprobleme, die mit der Regulierungsinstitution, ihrer Zusammensetzung und ihren Kompetenzen zusammenhängen, irrelevant.

Fabrication and Characterization of Efficient Optical Filter Arrays Implemented by 3D Nanoimprint

In dieser Arbeit werden optische Filterarrays für hochqualitative spektroskopische Anwendungen im sichtbaren (VIS) Wellenlängenbereich untersucht. Die optischen Filter, bestehend aus Fabry-Pérot (FP)-Filtern für hochauflösende miniaturisierte optische Nanospektrometer, basieren auf zwei hochreflektierenden dielektrischen Spiegeln und einer zwischenliegenden Resonanzkavität aus Polymer. Jeder Filter erlaubt einem schmalbandigem spektralen Band (in dieser Arbeit Filterlinie genannt) ,abhängig von der Höhe der Resonanzkavität, zu passieren. Die Effizienz eines solchen optischen Filters hängt von der präzisen Herstellung der hochselektiven multispektralen Filterfelder von FP-Filtern mittels kostengünstigen und hochdurchsatz Methoden ab. Die Herstellung der multiplen Spektralfilter über den gesamten sichtbaren Bereich wird durch einen einzelnen Prägeschritt durch die 3D Nanoimprint-Technologie mit sehr hoher vertikaler Auflösung auf einem Substrat erreicht. Der Schlüssel für diese Prozessintegration ist die Herstellung von 3D Nanoimprint-Stempeln mit den gewünschten Feldern von Filterkavitäten. Die spektrale Sensitivität von diesen effizienten optischen Filtern hängt von der Genauigkeit der vertikalen variierenden Kavitäten ab, die durch eine großflächige ‚weiche„ Nanoimprint-Technologie, UV oberflächenkonforme Imprint Lithographie (UV-SCIL), ab. Die Hauptprobleme von UV-basierten SCIL-Prozessen, wie eine nichtuniforme Restschichtdicke und Schrumpfung des Polymers ergeben Grenzen in der potenziellen Anwendung dieser Technologie. Es ist sehr wichtig, dass die Restschichtdicke gering und uniform ist, damit die kritischen Dimensionen des funktionellen 3D Musters während des Plasmaätzens zur Entfernung der Restschichtdicke kontrolliert werden kann. Im Fall des Nanospektrometers variieren die Kavitäten zwischen den benachbarten FP-Filtern vertikal sodass sich das Volumen von jedem einzelnen Filter verändert , was zu einer Höhenänderung der Restschichtdicke unter jedem Filter führt. Das volumetrische Schrumpfen, das durch den Polymerisationsprozess hervorgerufen wird, beeinträchtigt die Größe und Dimension der gestempelten Polymerkavitäten. Das Verhalten des großflächigen UV-SCIL Prozesses wird durch die Verwendung von einem Design mit ausgeglichenen Volumen verbessert und die Prozessbedingungen werden optimiert. Das Stempeldesign mit ausgeglichen Volumen verteilt 64 vertikal variierenden Filterkavitäten in Einheiten von 4 Kavitäten, die ein gemeinsames Durchschnittsvolumen haben. Durch die Benutzung der ausgeglichenen Volumen werden einheitliche Restschichtdicken (110 nm) über alle Filterhöhen erhalten. Die quantitative Analyse der Polymerschrumpfung wird in iii lateraler und vertikaler Richtung der FP-Filter untersucht. Das Schrumpfen in vertikaler Richtung hat den größten Einfluss auf die spektrale Antwort der Filter und wird durch die Änderung der Belichtungszeit von 12% auf 4% reduziert. FP Filter die mittels des Volumengemittelten Stempels und des optimierten Imprintprozesses hergestellt wurden, zeigen eine hohe Qualität der spektralen Antwort mit linearer Abhängigkeit zwischen den Kavitätshöhen und der spektralen Position der zugehörigen Filterlinien.

3D nanoimprint technology for NIR Fabry-Pérot filter arrays

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Herstellung von miniaturisierten NIR-Spektrometern auf Basis von Fabry-Pérot (FP) Filter Arrays behandelt. Bisher ist die kostengünstige Strukturierung von homogenen und vertikal erweiterten Kavitäten für NIR FP-Filter mittels Nanoimprint Technologie noch nicht verfügbar, weil die Qualität der Schichten des Prägematerials unzureichend ist und die geringe Mobilität der Prägematerialien nicht ausreicht, um die vertikal erweiterten Kavitäten zu füllen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Reduzierung des technischen Aufwands zur Herstellung von homogenen und vertikal erweiterten Kavitäten. Zur Strukturierung der Kavitäten wird ein großflächiger substratkonformer UV-Nanoimprint Prozess (SCIL - Substrate Conformal Imprint Lithoghaphy) verwendet, der auf einem Hybridstempel basiert und Vorteile von harten und weichen Stempeln vereint. Um die genannten Limitierungen zu beseitigen, werden alternative Designs der Kavitäten untersucht und ein neues Prägematerial eingesetzt. Drei Designlösungen zur Herstellung von homogenen und erweiterten Kavitäten werden untersucht und verglichen: (i) Das Aufbringen des Prägematerials mittel mehrfacher Rotationsbeschichtung, um eine höhere Schichtdicke des Prägematerials vor dem Prägeprozess zu erzeugen, (ii) die Verwendung einer hybriden Kavität bestehend aus einer strukturierten Schicht des Prägematerials eingebettet zwischen zwei Siliziumoxidschichten, um die Schichtdicke der organischen Kavität zu erweitern und (iii) die Optimierung des Prägeprozesses durch Verwendung eines neuen Prägematerials. Die mit diesen drei Ansätzen hergestellten FP-Filter Arrays zeigen, hohe Transmissionen (beste Transmission > 90%) und kleine Linienbreiten (Halbwertsbreiten <5 nm).