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.

Evaluating the state of the art of parallel programming systems

This paper describes our plans to evaluate the present state of affairs concerning parallel programming and its systems. Three subprojects are proposed: a survey among programmers and scientists, a comparison of parallel programming systems using a standard set of test programs, and a wiki resource for the parallel programming community - the Parawiki. We would like to invite you to participate and turn these subprojects into true community efforts.

Observations on the Publicity and Usage of Parallel Programming Systems and Languages: A Survey Approach

In this publication, we report on an online survey that was carried out among parallel programmers. More than 250 people worldwide have submitted answers to our questions, and their responses are analyzed here. Although not statistically sound, the data we provide give useful insights about which parallel programming systems and languages are known and in actual use. For instance, the collected data indicate that for our survey group MPI and (to a lesser extent) C are the most widely used parallel programming system and language, respectively.

A User-Centric Perspective on Parallel Programming with Focus on OpenMP

The process of developing software that takes advantage of multiple processors is commonly referred to as parallel programming. For various reasons, this process is much harder than the sequential case. For decades, parallel programming has been a problem for a small niche only: engineers working on parallelizing mostly numerical applications in High Performance Computing. This has changed with the advent of multi-core processors in mainstream computer architectures. Parallel programming in our days becomes a problem for a much larger group of developers. The main objective of this thesis was to find ways to make parallel programming easier for them. Different aims were identified in order to reach the objective: research the state of the art of parallel programming today, improve the education of software developers about the topic, and provide programmers with powerful abstractions to make their work easier. To reach these aims, several key steps were taken. To start with, a survey was conducted among parallel programmers to find out about the state of the art. More than 250 people participated, yielding results about the parallel programming systems and languages in use, as well as about common problems with these systems. Furthermore, a study was conducted in university classes on parallel programming. It resulted in a list of frequently made mistakes that were analyzed and used to create a programmers' checklist to avoid them in the future. For programmers' education, an online resource was setup to collect experiences and knowledge in the field of parallel programming - called the Parawiki. Another key step in this direction was the creation of the Thinking Parallel weblog, where more than 50.000 readers to date have read essays on the topic. For the third aim (powerful abstractions), it was decided to concentrate on one parallel programming system: OpenMP. Its ease of use and high level of abstraction were the most important reasons for this decision. Two different research directions were pursued. The first one resulted in a parallel library called AthenaMP. It contains so-called generic components, derived from design patterns for parallel programming. These include functionality to enhance the locks provided by OpenMP, to perform operations on large amounts of data (data-parallel programming), and to enable the implementation of irregular algorithms using task pools. AthenaMP itself serves a triple role: the components are well-documented and can be used directly in programs, it enables developers to study the source code and learn from it, and it is possible for compiler writers to use it as a testing ground for their OpenMP compilers. The second research direction was targeted at changing the OpenMP specification to make the system more powerful. The main contributions here were a proposal to enable thread-cancellation and a proposal to avoid busy waiting. Both were implemented in a research compiler, shown to be useful in example applications, and proposed to the OpenMP Language Committee.

On Parallel Communicating Grammar Systems and Correctness Preserving Restarting Automata

This paper contributes to the study of Freely Rewriting Restarting Automata (FRR-automata) and Parallel Communicating Grammar Systems (PCGS), which both are useful models in computational linguistics. For PCGSs we study two complexity measures called 'generation complexity' and 'distribution complexity', and we prove that a PCGS Pi, for which the generation complexity and the distribution complexity are both bounded by constants, can be transformed into a freely rewriting restarting automaton of a very restricted form. From this characterization it follows that the language L(Pi) generated by Pi is semi-linear, that its characteristic analysis is of polynomial size, and that this analysis can be computed in polynomial time.

Agricultural practices and horizontal nutrient balances in urban gardens and the alternative use of urban agricultural land in Khartoum, Sudan

The surge in the urban population evident in most developing countries is a worldwide phenomenon, and often the result of drought, conflicts, poverty and the lack of education opportunities. In parallel with the growth of the cities is the growing need for food which leads to the burgeoning expansion of urban and peri-urban agriculture (UPA). In this context, urban agriculture (UA) contributes significantly to supplying local markets with both vegetable and animal produce. As an income generating activity, UA also contributes to the livelihoods of poor urban dwellers. In order to evaluate the nutrient status of urban soils in relation to garden management, this study assessed nutrient fluxes (inputs and outputs) in gardens on urban Gerif soils on the banks of the River Nile in Khartoum, the capital city of Sudan. To achieve this objective, a preliminary baseline survey was carried out to describe the structure of the existing garden systems. In cooperation with the author of another PhD thesis (Ms. Ishtiag Abdalla), alternative uses of cow dung in brick making kilns in urban Khartoum were assessed; and the socio-economic criteria of the brick kiln owners or agents, economical and plant nutritional value of animal dung and the gaseous emission related to brick making activities were assessed. A total of 40 household heads were interviewed using a semi-structured questionnaire to collect information on demographic, socio-economic and migratory characteristics of the household members, the gardening systems used and the problems encountered in urban gardening. Based on the results of this survey, gardens were divided into three groups: mixed vegetable-fodder gardens, mixed vegetable-subsistence livestock gardens and pure vegetable gardens. The results revealed that UA is the exclusive domain of men, 80% of them non-native to Khartoum. The harvested produce in all gardens was market oriented and represented the main source of income for 83% of the gardeners. Fast growing leafy vegetables such as Jew’s mallow (Corchorous olitorius L.), purslane (Portulaca oleracea L.) and rocket (Eruca sativa Mill.) were the dominant cultivated species. Most of the gardens (95%) were continuously cultivated throughout the year without any fallow period, unless they were flooded. Gardeners were not generally aware of the importance of crop diversity, which may help them overcome the strongly fluctuating market prices for their produce and thereby strengthen the contributions of UA to the overall productivity of the city. To measure nutrient fluxes, four gardens were selected and their nutrients inputs and outputs flows were monitored. In each garden, all plots were monitored for quantification of nutrient inputs and outputs. To determine soil chemical fertility parameters in each of the studied gardens, soil samples were taken from three selected plots at the beginning of the study in October 2007 (gardens L1, L2 and H1) and in April 2008 (garden H2) and at the end of the study period in March 2010. Additional soil sampling occurred in May 2009 to assess changes in the soil nutrient status after the River Nile flood of 2008 had receded. Samples of rain and irrigation water (river and well-water) were analyzed for nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K) and carbon (C) content to determine their nutrient inputs. Catchment traps were installed to quantify the sediment yield from the River Nile flood. To quantify the nutrient inputs of sediments, samples were analyzed for N, P, K and organic carbon (Corg) content, cation exchange capacity (CEC) and the particle size distribution. The total nutrient inputs were calculated by multiplying the sediment nutrient content by total sediment deposits on individual gardens. Nutrient output in the form of harvested yield was quantified at harvest of each crop. Plant samples from each field were dried, and analyzed for their N, P, K and Corg content. Cumulative leaching losses of mineral N and P were estimated in a single plot in garden L1 from December 1st 2008 to July 1st 2009 using 12 ion exchange resins cartridges. Nutrients were extracted and analyzed for nitrate (NO3--N), ammonium (NH4+-N) and phosphate PO4-3-P. Changes in soil nutrient balance were assessed as inputs minus outputs. The results showed that across gardens, soil N and P concentrations increased from 2007 to 2009, while particle size distribution remained unchanged. Sediment loads and their respective contents of N, P and Corg decreased significantly (P < 0.05) from the gardens of the downstream lowlands (L1 and L2) to the gardens of the upstream highlands (H1 and H2). No significant difference was found in K deposits. None of the gardens received organic fertilizers and the only mineral fertilizer applied was urea (46-0-0). This equaled 29, 30, 54, and 67% of total N inputs to gardens L1, L2, H1, and H2, respectively. Sediment deposits of the River Nile floods contributed on average 67, 94, 6 and 42% to the total N, P, K and C inputs in lowland gardens and 33, 86, 4 and 37% of total N, P, K and C inputs in highland gardens. Irrigation water and rainfall contributed substantially to K inputs representing 96, 92, 94 and 96% of total K influxes in garden L1, L2, H1 and H2, respectively. Following the same order, total annual DM yields in the gardens were 26, 18, 16 and 1.8 t ha-1. Annual leaching losses were estimated to be 0.02 kg NH4+-N ha-1 (SE = 0.004), 0.03 kg NO3--N ha-1 (SE = 0.002) and 0.005 kg PO4-3-P ha-1 (SE = 0.0007). Differences between nutrient inputs and outputs indicated negative nutrient balances for P and K and positive balances of N and C for all gardens. The negative balances in P and K call for adoptions of new agricultural techniques such as regular manure additions or mulching which may enhance the soil organic matter status. A quantification of fluxes not measured in our study such as N2-fixation, dry deposition and gaseous emissions of C and N would be necessary to comprehensively assess the sustainability of these intensive gardening systems. The second part of the survey dealt with the brick making kilns. A total of 50 brick kiln owners/or agents were interviewed from July to August 2009, using a semi-structured questionnaire. The data collected included general information such as age, family size, education, land ownership, number of kilns managed and/or owned, number of months that kilns were in operation, quantity of inputs (cow dung and fuel wood) used, prices of inputs and products across the production season. Information related to the share value of the land on which the kilns were built and annual income for urban farmers and annual returns from dung for the animal raisers was also collected. Using descriptive statistics, budget calculation and Gini coefficient, the results indicated that renting the land to brick making kilns yields a 5-fold higher return than the rent for agriculture. Gini coefficient showed that the kiln owners had a more equal income distribution compared to farmers. To estimate emission of greenhouse gases (GHGs) and losses of N, P, K, Corg and DM from cow dung when used in brick making, samples of cow dung (loose and compacted) were collected from different kilns and analyzed for their N, P, K and Corg content. The procedure modified by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 1994) was used to estimate the gaseous emissions of cow dung and fuel wood. The amount of deforested wood was estimated according to the default values for wood density given by Dixon et al. (1991) and the expansion ratio for branches and small trees given by Brown et al. (1989). The data showed the monetary value of added N and P from cow dung was lower than for mineral fertilizers. Annual consumption of compacted dung (381 t DM) as biomass fuel by far exceeded the consumption of fuel wood (36 t DM). Gaseous emissions from cow dung and fuel wood were dominated by CO2, CO and CH4. Considering that Gerif land in urban Khartoum supports a multifunctional land use system, efficient use of natural resources (forest, dung, land and water) will enhance the sustainability of the UA and brick making activities. Adoption of new kilns with higher energy efficiency will reduce the amount of biomass fuels (cow dung and wood) used the amount of GHGs emitted and the threat to the few remaining forests.

Systems of Parallel Communicating Restarting Automata

In der vorliegenden Dissertation werden Systeme von parallel arbeitenden und miteinander kommunizierenden Restart-Automaten (engl.: systems of parallel communicating restarting automata; abgekürzt PCRA-Systeme) vorgestellt und untersucht. Dabei werden zwei bekannte Konzepte aus den Bereichen Formale Sprachen und Automatentheorie miteinander vescrknüpft: das Modell der Restart-Automaten und die sogenannten PC-Systeme (systems of parallel communicating components). Ein PCRA-System besteht aus endlich vielen Restart-Automaten, welche einerseits parallel und unabhängig voneinander lokale Berechnungen durchführen und andererseits miteinander kommunizieren dürfen. Die Kommunikation erfolgt dabei durch ein festgelegtes Kommunikationsprotokoll, das mithilfe von speziellen Kommunikationszuständen realisiert wird. Ein wesentliches Merkmal hinsichtlich der Kommunikationsstruktur in Systemen von miteinander kooperierenden Komponenten ist, ob die Kommunikation zentralisiert oder nichtzentralisiert erfolgt. Während in einer nichtzentralisierten Kommunikationsstruktur jede Komponente mit jeder anderen Komponente kommunizieren darf, findet jegliche Kommunikation innerhalb einer zentralisierten Kommunikationsstruktur ausschließlich mit einer ausgewählten Master-Komponente statt. Eines der wichtigsten Resultate dieser Arbeit zeigt, dass zentralisierte Systeme und nichtzentralisierte Systeme die gleiche Berechnungsstärke besitzen (das ist im Allgemeinen bei PC-Systemen nicht so). Darüber hinaus bewirkt auch die Verwendung von Multicast- oder Broadcast-Kommunikationsansätzen neben Punkt-zu-Punkt-Kommunikationen keine Erhöhung der Berechnungsstärke. Desweiteren wird die Ausdrucksstärke von PCRA-Systemen untersucht und mit der von PC-Systemen von endlichen Automaten und mit der von Mehrkopfautomaten verglichen. PC-Systeme von endlichen Automaten besitzen bekanntermaßen die gleiche Ausdrucksstärke wie Einwegmehrkopfautomaten und bilden eine untere Schranke für die Ausdrucksstärke von PCRA-Systemen mit Einwegkomponenten. Tatsächlich sind PCRA-Systeme auch dann stärker als PC-Systeme von endlichen Automaten, wenn die Komponenten für sich genommen die gleiche Ausdrucksstärke besitzen, also die regulären Sprachen charakterisieren. Für PCRA-Systeme mit Zweiwegekomponenten werden als untere Schranke die Sprachklassen der Zweiwegemehrkopfautomaten im deterministischen und im nichtdeterministischen Fall gezeigt, welche wiederum den bekannten Komplexitätsklassen L (deterministisch logarithmischer Platz) und NL (nichtdeterministisch logarithmischer Platz) entsprechen. Als obere Schranke wird die Klasse der kontextsensitiven Sprachen gezeigt. Außerdem werden Erweiterungen von Restart-Automaten betrachtet (nonforgetting-Eigenschaft, shrinking-Eigenschaft), welche bei einzelnen Komponenten eine Erhöhung der Berechnungsstärke bewirken, in Systemen jedoch deren Stärke nicht erhöhen. Die von PCRA-Systemen charakterisierten Sprachklassen sind unter diversen Sprachoperationen abgeschlossen und einige Sprachklassen sind sogar abstrakte Sprachfamilien (sogenannte AFL's). Abschließend werden für PCRA-Systeme spezifische Probleme auf ihre Entscheidbarkeit hin untersucht. Es wird gezeigt, dass Leerheit, Universalität, Inklusion, Gleichheit und Endlichkeit bereits für Systeme mit zwei Restart-Automaten des schwächsten Typs nicht semientscheidbar sind. Für das Wortproblem wird gezeigt, dass es im deterministischen Fall in quadratischer Zeit und im nichtdeterministischen Fall in exponentieller Zeit entscheidbar ist.

Optimal control theory for a unitary operation under dissipative evolution

We show that optimizing a quantum gate for an open quantum system requires the time evolution of only three states irrespective of the dimension of Hilbert space. This represents a significant reduction in computational resources compared to the complete basis of Liouville space that is commonly believed necessary for this task. The reduction is based on two observations: the target is not a general dynamical map but a unitary operation; and the time evolution of two properly chosen states is sufficient to distinguish any two unitaries. We illustrate gate optimization employing a reduced set of states for a controlled phasegate with trapped atoms as qubit carriers and a iSWAP gate with superconducting qubits.