Gérer la ville au Bénin : la mise en œuvre du Registre foncier urbain à Cotonou, Porto-Novo et Bohicon

La gestion des villes d’Afrique de l’Ouest pose problème à la période contemporaine : extension urbaine non maitrisée, services de base insuffisants, insécurité foncière. À travers l’aide internationale, d’importantes réformes visant à améliorer son efficacité ont pourtant été mises en place, mais elles semblent avoir été inefficaces. Dépassant ce constat d’échec, la thèse vise à comprendre comment se déroule l’acte de gérer la ville dans les circonstances particulières des villes d’Afrique de l’Ouest. La mise en œuvre du Registre foncier urbain (RFU), système d’information foncière municipal multi-fonctions introduit au Bénin à travers des programmes de développement au début des années 1990, constitue le prisme à travers lequel la gestion urbaine est analysée. Celle-ci est ainsi approchée par les actes plutôt que par les discours. S’appuyant sur une démarche socio-anthropologique, la mise en œuvre de l’instrument est analysée depuis le point de vue des acteurs locaux et selon une double grille de lecture : d’une part, il s’agit de saisir les logiques de l’appropriation locale dont le RFU a fait l’objet au sein des administrations; d’autre part, il s’agit de comprendre son interaction avec le territoire, notamment avec les dynamiques complexes d’accès au sol et de sécurisation foncière. Une étude de cas multiple a été menée dans trois communes : Cotonou, Porto-Novo et Bohicon. Deux ensembles de conclusions en découlent. Tout d’abord, le RFU s’est imposé comme l’instrument pivot de la fiscalité locale, mais est mis en œuvre de manière minimale. Ce fonctionnement particulier est une adaptation optimale à un contexte fait de rivalités professionnelles au sein d’administrations cloisonnées, d’enjeux politico-financiers liés aux différentes sources de revenus communaux et de tensions politico-institutionnelles liées à une décentralisation tardive. Les impacts du RFU en termes de développement des compétences professionnelles nationales sont insuffisants pour réformer la gestion urbaine depuis l’intérieur de l’administration municipale. Ensuite, alors qu’il vise à centraliser l’information sur les propriétaires présumés de la terre, le RFU se heurte à la marchandisation de cette information et à la territorialisation de la régulation foncière. La mise en œuvre du RFU s’en trouve affectée de deux manières : d’une part, elle s’insère dans ces circuits marchands de l’information foncière, avec cependant peu de succès ; d’autre part, elle a un impact différencié selon les territoires de la régulation foncière. En définitive, l’acte de gérer la ville au Bénin n’est pas devenu automatique avec l’introduction d’instruments comme le RFU. La municipalité se repose plutôt sur les piliers classiques de l’action publique, l’administration et le politique, pour gérer la ville plurielle de manière différenciée. À l’endroit des concepteurs d’action publique, cette thèse plaide pour une prise en compte des modes de régulation existant dans les sociétés africaines, fussent-ils pluriels, reconnaissant les voies originales que prend la construction des institutions en Afrique.

Systematic construction of models for the exchange hole of density functional theory.

Dans ce travail, nous étendons le nombre de conditions physiques actuellement con- nues du trou d’échange exact avec la dérivation de l’expansion de quatrième ordre du trou d’échange sphérique moyenne exacte. Nous comparons les expansions de deux- ième et de quatrième ordre avec le trou d’échange exact pour des systèmes atomiques et moléculaires. Nous avons constaté que, en général, l’expansion du quatrième ordre reproduit plus fidèlement le trou d’échange exact pour les petites valeurs de la distance interélectronique. Nous démontrons que les ensembles de base de type gaussiennes ont une influence significative sur les termes de cette nouvelle condition, en étudiant com- ment les oscillations causées par ces ensembles de bases affectent son premier terme. Aussi, nous proposons quatre modèles de trous d’échange analytiques auxquels nous imposons toutes les conditions actuellement connues du trou d’échange exact et la nou- velle présentée dans ce travail. Nous évaluons la performance des modèles en calculant des énergies d’échange et ses contributions à des énergies d’atomisation. On constate que les oscillations causeés par les bases de type gaussiennes peuvent compromettre la précision et la solution des modèles.

La reconnaissance émotionnelle faciale : validation préliminaire de stimuli virtuels dynamiques et comparaison avec les Pictures of Facial Affect (POFA)

Bien que des photographies d’expressions émotionnelles faciales soient couramment utilisées pour étudier le traitement des informations affectives, les ensembles de stimuli actuels comportent différentes limites méthodologiques. Dans la perspective d’améliorer la validité écologique des travaux sur la reconnaissance émotionnelle faciale (REF), l’étude propose un nouvel ensemble de stimuli dynamiques constitué de personnages virtuels exprimant les six émotions fondamentales à différentes intensités. La validation préliminaire des stimuli a été effectuée en les comparant aux stimuli du POFA. Dans l’étude 1, le contenu émotionnel de 84 avatars statiques et de 48 photographies du POFA a été évalué par 150 étudiants. Dans l’étude 2, la REF a été évaluée chez 134 étudiants à l’aide d’avatars dynamiques. L’habileté à reconnaître les émotions est similaire à celle rapportée dans la littérature scientifique ainsi qu’au POFA. Les résultats permettent de conclure que les avatars constituent un ensemble valide de stimuli pour étudier la REF, offrant une contribution significative dans le domaine de la recherche émotionnelle. L’usage d’avatars étant de plus en plus courant à des fins d’intervention et de recherche, les stimuli ouvrent aussi la voie à diverses applications, entre autres pour l’étude des comportements violents. D’autres travaux devront être réalisés afin de poursuivre leur validation.

Influence de la phase d’usage dans les enjeux de la rénovation de bâtiments résidentiels écologiques : vers une approche diachronique

En Amérique du Nord, les pratiques actuelles de conception de l’industrie de la construction suscitent de nombreux et importants problèmes, tant au niveau environnemental, que social et économique. Certaines tendances conceptuelles, telles que l’industrialisation de la construction, le bâtiment vert, l’approche diachronique et la rationalisation spatiale proposent des moyens afin de répondre à cette problématique. La conception synchronique, qui ne se base encore que sur des besoins immédiats, produit des bâtiments statiques qui ne peuvent accommoder l’évolution des besoins. En plus de la phase d’usage qui se révèle la plus coûteuse en termes de consommation d’énergie, d’eau, de matériaux et de génération de déchets, le bâtiment statique est amené à subir de nombreuses rénovations, profondément délétères pour l’environnement et la situation économique des ménages. Dans une perspective d’opérationnalisation du développement durable, la problématique de recherche concerne la considération de la phase d’usage dans le processus conceptuel de l’habitation. Dans l’optique de favoriser une conception plutôt diachronique, 55 projets de rénovation résidentiels ont été analysés et comparés afin de décrire la nature et l’intensité des interventions effectuées. L’examen des plans avant/après rénovation a permis de quantifier le niveau d’intensité des interventions et ainsi, mettre en relief certaines tendances et récurrences des pratiques actuelles. Dans le but de valider si le bâtiment vert est en mesure de répondre aux enjeux environnementaux contemporains de l’habitation, les contenus de trois programmes de certification utilisés en Amérique du Nord, à savoir BOMA-BESt®, LEED®, et Living Building ChallengeTM, sont analysés. Une classification des stratégies proposées montre la répartition des préoccupations envers le bâtiment, les systèmes et l’usager. Une analyse permet de mettre en relief que les considérations semblent, de façon générale, cohérentes avec les impacts associés à l’habitation. Un examen plus ciblé sur la teneur et les objectifs des stratégies considérant l’usager permet l’émergence de deux ensembles thématiques : les cinq sources potentielles d’impacts (énergie, eau, matériaux, déchets et environnement intérieur), ainsi que les quatre thèmes reliés aux objectifs et aux finalités des stratégies (entretien et surveillance; sensibilisation et formation; modélisation et mesurage; comportement et habitude). La discussion a permis d’émettre des pistes d’écoconception pour permettre à l’habitation d’accommoder l’évolution des besoins des occupants, à savoir la « démontabilité », l’aptitude à l’évolution et l’accessibilité. Des recommandations, telles que la nécessité de mieux prendre en compte l’usager comme facteur d’influence des impacts occasionnés par la phase d’usage, sont ensuite proposées. D’autres suggestions appellent à une concrétisation de la performance en suscitant l’implication, l’engagement, la responsabilisation et l’autonomisation des occupants. Enfin, il semble que certaines modifications des programmes de certification et de la législation en vigueur pourraient favoriser l’émergence d’une vision nouvelle concernant la nécessaire réduction de la superficie habitable. Toutes ces opportunités d’amélioration ont le potentiel de mener ce secteur vers une démarche plus globale et systémique, tout en bonifiant de façon majeure les implications environnementales, économiques et sociales de l’habitation.

Développements et applications de méthodes computationnelles pour l'étude de l'agrégation des protéines amyloïdes

Les protéines sont au coeur de la vie. Ce sont d'incroyables nanomachines moléculaires spécialisées et améliorées par des millions d'années d'évolution pour des fonctions bien définies dans la cellule. La structure des protéines, c'est-à-dire l'arrangement tridimensionnel de leurs atomes, est intimement liée à leurs fonctions. L'absence apparente de structure pour certaines protéines est aussi de plus en plus reconnue comme étant tout aussi cruciale. Les protéines amyloïdes en sont un exemple marquant : elles adoptent un ensemble de structures variées difficilement observables expérimentalement qui sont associées à des maladies neurodégénératives. Cette thèse, dans un premier temps, porte sur l'étude structurelle des protéines amyloïdes bêta-amyloïde (Alzheimer) et huntingtine (Huntington) lors de leur processus de repliement et d'auto-assemblage. Les résultats obtenus permettent de décrire avec une résolution atomique les interactions des ensembles structurels de ces deux protéines. Concernant la protéine bêta-amyloïde (AB), nos résultats identifient des différences structurelles significatives entre trois de ses formes physiologiques durant ses premières étapes d'auto-assemblage en environnement aqueux. Nous avons ensuite comparé ces résultats avec ceux obtenus au cours des dernières années par d'autres groupes de recherche avec des protocoles expérimentaux et de simulations variés. Des tendances claires émergent de notre comparaison quant à l'influence de la forme physiologique de AB sur son ensemble structurel durant ses premières étapes d'auto-assemblage. L'identification des propriétés structurelles différentes rationalise l'origine de leurs propriétés d'agrégation distinctes. Par ailleurs, l'identification des propriétés structurelles communes offrent des cibles potentielles pour des agents thérapeutiques empêchant la formation des oligomères responsables de la neurotoxicité. Concernant la protéine huntingtine, nous avons élucidé l'ensemble structurel de sa région fonctionnelle située à son N-terminal en environnement aqueux et membranaire. En accord avec les données expérimentales disponibles, nos résultats sur son repliement en environnement aqueux révèlent les interactions dominantes ainsi que l'influence sur celles-ci des régions adjacentes à la région fonctionnelle. Nous avons aussi caractérisé la stabilité et la croissance de structures nanotubulaires qui sont des candidats potentiels aux chemins d'auto-assemblage de la région amyloïde de huntingtine. Par ailleurs, nous avons également élaboré, avec un groupe d'expérimentateurs, un modèle détaillé illustrant les principales interactions responsables du rôle d'ancre membranaire de la région N-terminal, qui sert à contrôler la localisation de huntingtine dans la cellule. Dans un deuxième temps, cette thèse porte sur le raffinement d'un modèle gros-grain (sOPEP) et sur le développement d'un nouveau modèle tout-atome (aaOPEP) qui sont tous deux basés sur le champ de force gros-grain OPEP, couramment utilisé pour l'étude du repliement des protéines et de l'agrégation des protéines amyloïdes. L'optimisation de ces modèles a été effectuée dans le but d'améliorer les prédictions de novo de la structure de peptides par la méthode PEP-FOLD. Par ailleurs, les modèles OPEP, sOPEP et aaOPEP ont été inclus dans un nouveau code de dynamique moléculaire très flexible afin de grandement simplifier leurs développements futurs.

A Low-Energy Ion Scattering (LEIS) Study of the Influence of the Vanadium Concentration on the Activity of Vanadium-Niobium Oxide Catalysts for the Oxidative Dehydrogenation of Propane

A series of vanadium-niobium oxide catalysts in which the vanadia content varies between 0.3 and 18mol%was prepared by coprecipitation. These catalysts were characterized by X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), low-energy ion scattering (LEIS), and by catalytic testing in the oxidative dehydrogenation reaction of propane. The results of the surface analysis by XPS and LEIS are compared. It is concluded that the active site on the catalyst surface contains 2.0 ± 0.3 vanadium atoms on average. This can be understood byassuming the existenceof two or three different sites:isolated vanadium atoms, pairs of vanadium atoms, or ensembles of three vanadium atoms. At higher vanadium concentration more vanadium clusters with a higher activity are at the surface.LEIS revealed that as the vanadium concentration in the catalyst increases, vanadium replaces niobium at the surface. At vanadium concentrations above 8 mol%, new phases such as P-(Nb, V)20S which are less active because vanadium is present in isolated sites are formed, while the vanadium surface concentration shows a slight decrease

The Surface Plasmon Resonance of Supported Noble Metal Nanoparticles: Characterization, Laser Tailoring, and SERS Application

This work deals with the optical properties of supported noble metal nanoparticles, which are dominated by the so-called Mie resonance and are strongly dependent on the particles’ morphology. For this reason, characterization and control of the dimension of these systems are desired in order to optimize their applications. Gold and silver nanoparticles have been produced on dielectric supports like quartz glass, sapphire and rutile, by the technique of vapor deposition under ultra-high vacuum conditions. During the preparation, coalescence is observed as an important mechanism of cluster growth. The particles have been studied in situ by optical transmission spectroscopy and ex situ by atomic force microscopy. It is shown that the morphology of the aggregates can be regarded as oblate spheroids. A theoretical treatment of their optical properties, based on the quasistatic approximation, and its combination with results obtained by atomic force microscopy give a detailed characterization of the nanoparticles. This method has been compared with transmission electron microscopy and the results are in excellent agreement. Tailoring of the clusters’ dimensions by irradiation with nanosecond-pulsed laser light has been investigated. Selected particles are heated within the ensemble by excitation of the Mie resonance under irradiation with a tunable laser source. Laser-induced coalescence prevents strongly tailoring of the particle size. Nevertheless, control of the particle shape is possible. Laser-tailored ensembles have been tested as substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), leading to an improvement of the results. Moreover, they constitute reproducible, robust and tunable SERS-substrates with a high potential for specific applications, in the present case focused on environmental protection. Thereby, these SERS-substrates are ideally suited for routine measurements.

Goldnanoteilchen auf Titandioxid

In dieser Arbeit wurde das Wachstum sowie die ultraschnelle Elektronendynamik des Oberflächenplasmon Polaritons von Goldnanoteilchen auf Titandioxid untersucht. Die Messung der Dephasierungszeit des Oberflächenplasmons von Nanoteilchen mit definierter Form und Größe erfolgte dabei mit der Methode des spektralen Lochbrennens. Die Nanoteilchen wurden durch Deposition von Goldatomen aus einem thermischen Atomstrahl mit anschließender Diffussion und Nukleation, d.h. Volmer-Weber-Wachstum, auf Titandioxidsubstraten hergestellt und mittels einer Kombination aus optischer Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie systematisch untersucht. Dabei lässt sich das Nanoteilchenensemble durch das mittlere Achsverhältnis und den mittleren Äquivalentradius charakterisieren. Die Messungen zeigen, dass die Proben große Größen- und Formverteilungen aufweisen und ein definierter Zusammenhang zwischen Größe und Form der Teilchen existiert. Während kleine Goldnanoteilchen nahezu kugelförmig sind, flachen die Teilchen mit zunehmender Größe immer mehr ab. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit die Methode des lasergestützten Wachstums auf das System Gold auf Titandioxid angewendet. Systematische Untersuchungen zeigten, dass sich das Achsverhältnis der Teilchen durch geeignete Wahl von Photonenenergie und Fluenz des eingestrahlten Laserlichts definiert und gezielt vorgeben lässt. Die Methode des lasergestützten Wachstums erschließt damit den Bereich außerhalb der Zugänglichkeit des natürlichen Wachstums. Aufgrund der Formabhängigkeit der spektrale Lage der Plasmonresonanz ist man somit in der Lage, die optischen Eigenschaften der Nanoteilchen gezielt einzustellen und z.B. für technische Anwendungen zu optimieren. Die Untersuchung der ultraschnellen Elektronendynamik von Goldnanoteilchen auf Titandioxid mit äquivalenten Radien zwischen 8 bis 15 nm erfolgte in dieser Arbeit mit der Methode des spektralen Lochbrennes. Hierzu wurde die Dephasierungszeit des Oberflächenplasmons systematisch als Funktion der Photonenenergie in einem Bereich von 1,45 bis 1,85 eV gemessen. Es zeigte sich, dass die gemessenen Dephasierungszeiten von 8,5 bis 16,2 fs deutlich unter den in der dielektrischen Funktion von Gold enthaltenen Werten lagen, was den erwarteten Einfluss der reduzierten Dimension der Teilchen demonstriert. Um die Messwerte trotz verschiedener Teilchengrößen untereinander vergleichen und den Einfluss der intrinsischen Dämpfung quantifizieren zu können, wurde zusätzlich der Dämpfungsparameter A bestimmt. Die ermittelten A-Faktoren zeigten dabei eine starke Abhängigkeit von der Plasmonenergie. Für Teilchen mit Plasmonenergien von 1,45 bis 1,55 eV wurde ein Dämpfungsfaktor von A ~ 0,2 nm/fs ermittelt, der lediglich Oberflächenstreuung als dominierenden Dämpfungsmechanismus widerspiegelt. Hingegen wurde für Teilchen mit Plasmonenergien oberhalb von 1,55 eV ein drastischer Anstieg der Dämpfung auf A ~ 0,4 nm/fs beobachtet. Die erhöhte Dämpfung wurde dabei dem zusätzlichen Vorliegen einer chemischen Dämpfung durch das Titandioxidsubstrat zugeschrieben. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse somit, dass eine starke Abhängigkeit der chemischen Dämpfung von der Photonenenergie vorliegt. Es konnte erstmals nachgewiesen werden, dass die chemische Dämpfung erst ab einer bestimmten unteren Schwelle der Photonenenergie einsetzt, die für Goldnanoteilchen auf Titandioxid bei etwa 1,6 eV liegt.

High-Speed Semiconductor Lasers based on Low-Dimensional Active Materials for Optical Telecommunication

The scope of this work is the fundamental growth, tailoring and characterization of self-organized indium arsenide quantum dots (QDs) and their exploitation as active region for diode lasers emitting in the 1.55 µm range. This wavelength regime is especially interesting for long-haul telecommunications as optical fibers made from silica glass have the lowest optical absorption. Molecular Beam Epitaxy is utilized as fabrication technique for the quantum dots and laser structures. The results presented in this thesis depict the first experimental work for which this reactor was used at the University of Kassel. Most research in the field of self-organized quantum dots has been conducted in the InAs/GaAs material system. It can be seen as the model system of self-organized quantum dots, but is not suitable for the targeted emission wavelength. Light emission from this system at 1.55 µm is hard to accomplish. To stay as close as possible to existing processing technology, the In(AlGa)As/InP (100) material system is deployed. Depending on the epitaxial growth technique and growth parameters this system has the drawback of producing a wide range of nano species besides quantum dots. Best known are the elongated quantum dashes (QDash). Such structures are preferentially formed, if InAs is deposited on InP. This is related to the low lattice-mismatch of 3.2 %, which is less than half of the value in the InAs/GaAs system. The task of creating round-shaped and uniform QDs is rendered more complex considering exchange effects of arsenic and phosphorus as well as anisotropic effects on the surface that do not need to be dealt with in the InAs/GaAs case. While QDash structures haven been studied fundamentally as well as in laser structures, they do not represent the theoretical ideal case of a zero-dimensional material. Creating round-shaped quantum dots on the InP(100) substrate remains a challenging task. Details of the self-organization process are still unknown and the formation of the QDs is not fully understood yet. In the course of the experimental work a novel growth concept was discovered and analyzed that eases the fabrication of QDs. It is based on different crystal growth and ad-atom diffusion processes under supply of different modifications of the arsenic atmosphere in the MBE reactor. The reactor is equipped with special valved cracking effusion cells for arsenic and phosphorus. It represents an all-solid source configuration that does not rely on toxic gas supply. The cracking effusion cell are able to create different species of arsenic and phosphorus. This constitutes the basis of the growth concept. With this method round-shaped QD ensembles with superior optical properties and record-low photoluminescence linewidth were achieved. By systematically varying the growth parameters and working out a detailed analysis of the experimental data a range of parameter values, for which the formation of QDs is favored, was found. A qualitative explanation of the formation characteristics based on the surface migration of In ad-atoms is developed. Such tailored QDs are finally implemented as active region in a self-designed diode laser structure. A basic characterization of the static and temperature-dependent properties was carried out. The QD lasers exceed a reference quantum well laser in terms of inversion conditions and temperature-dependent characteristics. Pulsed output powers of several hundred milli watt were measured at room temperature. In particular, the lasers feature a high modal gain that even allowed cw-emission at room temperature of a processed ridge wave guide device as short as 340 µm with output powers of 17 mW. Modulation experiments performed at the Israel Institute of Technology (Technion) showed a complex behavior of the QDs in the laser cavity. Despite the fact that the laser structure is not fully optimized for a high-speed device, data transmission capabilities of 15 Gb/s combined with low noise were achieved. To the best of the author`s knowledge, this renders the lasers the fastest QD devices operating at 1.55 µm. The thesis starts with an introductory chapter that pronounces the advantages of optical fiber communication in general. Chapter 2 will introduce the fundamental knowledge that is necessary to understand the importance of the active region`s dimensions for the performance of a diode laser. The novel growth concept and its experimental analysis are presented in chapter 3. Chapter 4 finally contains the work on diode lasers.

Metallische Nanopartikel auf Quarz

This work presents the developement of an chemically stable and easy to produce in situ sensor for fast and reliable detection of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in low nanomolar concentrations. Metallic nanoparticles on dielectric substrates werde used for the rst time with surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) in combination with shifted excitation Raman difference spectroscopy (SERDS). The preparation of the metallic nanoparticle ensembles with Volmer-Webergrowth is described first. The nanoparticles are characterized with both, optical spectroscopy and atomic force microscopy. The morphological properties of the nanoparticle ensembles are de ned by the mean axial ratio (a/b) and the mean equivalent radius (R Äq), respectively. The prepared and characterized nanoparticles were then used for intensive Raman spectroscopy measurements. Two sophisticated diode laser systems were used in cooperation with the TU Berlin, to carry out these experiments. The first step was to establish the ideal combination of excitation wavelength of the diode laser and the maximum of the surface plasmon resonance of the nanoparticle ensembles. From these results it was deduced, that for an optimum Raman signal the plasmon resonance maximum of the nanoparticle ensemble has to be red-shifted a few nanometeres in respect to the excitation wavelength. Different PAHs werde detected in concentrations of only 2 and 0.5 nmol/, respectively. Furthermore, the obtained results show an excellent reproducability. In addition the time dependence of the Raman signal intensity was investigated. The results of these measurements show, that only 2 minutes after placing the substrates in the molecular solution, a detectable Raman signal was generated. The maximum Raman signal, i.e. the time in which the molecular adsorption process is finished, was determined to about 10 minutes. In summary it was shown, that the used metallic nanoparticle ensembles are highly usable as substrates for SERS in combination with SERDS to detect PAHs in low nanomolar concentrations.

1.55 µm High-Speed QDs Lasers for Optical Telecommunication Applications

In this work investigation of the QDs formation and the fabrication of QD based semiconductor lasers for telecom applications are presented. InAs QDs grown on AlGaInAs lattice matched to InP substrates are used to fabricate lasers operating at 1.55 µm, which is the central wavelength for far distance data transmission. This wavelength is used due to its minimum attenuation in standard glass fibers. The incorporation of QDs in this material system is more complicated in comparison to InAs QDs in the GaAs system. Due to smaller lattice mismatch the formation of circular QDs, elongated QDs and quantum wires is possible. The influence of the different growth conditions, such as the growth temperature, beam equivalent pressure, amount of deposited material on the formation of the QDs is investigated. It was already demonstrated that the formation process of QDs can be changed by the arsenic species. The formation of more round shaped QDs was observed during the growth of QDs with As2, while for As4 dash-like QDs. In this work only As2 was used for the QD growth. Different growth parameters were investigated to optimize the optical properties, like photoluminescence linewidth, and to implement those QD ensembles into laser structures as active medium. By the implementation of those QDs into laser structures a full width at half maximum (FWHM) of 30 meV was achieved. Another part of the research includes the investigation of the influence of the layer design of lasers on its lasing properties. QD lasers were demonstrated with a modal gain of more than 10 cm-1 per QD layer. Another achievement is the large signal modulation with a maximum data rate of 15 Gbit/s. The implementation of optimized QDs in the laser structure allows to increase the modal gain up to 12 cm-1 per QD layer. A reduction of the waveguide layer thickness leads to a shorter transport time of the carriers into the active region and as a result a data rate up to 22 Gbit/s was achieved, which is so far the highest digital modulation rate obtained with any 1.55 µm QD laser. The implementation of etch stop layers into the laser structure provide the possibility to fabricate feedback gratings with well defined geometries for the realization of DFB lasers. These DFB lasers were fabricated by using a combination of dry and wet etching. Single mode operation at 1.55 µm with a high side mode suppression ratio of 50 dB was achieved.

Extension of spherical nonparametric estimators to nonisotropic kernels: An oceanographic application

In a recently published paper. spherical nonparametric estimators were applied to feature-track ensembles to determine a range of statistics for the atmospheric features considered. This approach obviates the types of bias normally introduced with traditional estimators. New spherical isotropic kernels with local support were introduced. Ln this paper the extension to spherical nonisotropic kernels with local support is introduced, together with a means of obtaining the shape and smoothing parameters in an objective way. The usefulness of spherical nonparametric estimators based on nonisotropic kernels is demonstrated with an application to an oceanographic feature-track ensemble.

Spherical nonparametric estimators applied to the UGAMP model integration for AMIP

The aim of this paper is essentially twofold: first, to describe the use of spherical nonparametric estimators for determining statistical diagnostic fields from ensembles of feature tracks on a global domain, and second, to report the application of these techniques to data derived from a modern general circulation model. New spherical kernel functions are introduced that are more efficiently computed than the traditional exponential kernels. The data-driven techniques of cross-validation to determine the amount elf smoothing objectively, and adaptive smoothing to vary the smoothing locally, are also considered. Also introduced are techniques for combining seasonal statistical distributions to produce longer-term statistical distributions. Although all calculations are performed globally, only the results for the Northern Hemisphere winter (December, January, February) and Southern Hemisphere winter (June, July, August) cyclonic activity are presented, discussed, and compared with previous studies. Overall, results for the two hemispheric winters are in good agreement with previous studies, both for model-based studies and observational studies.

A comparison of recent reanalysis datasets using objective feature tracking: Storm tracks and tropical easterly waves

Data from four recent reanalysis projects [ECMWF, NCEP-NCAR, NCEP - Department of Energy ( DOE), NASA] have been diagnosed at the scale of synoptic weather systems using an objective feature tracking method. The tracking statistics indicate that, overall, the reanalyses correspond very well in the Northern Hemisphere (NH) lower troposphere, although differences for the spatial distribution of mean intensities show that the ECMWF reanalysis is systematically stronger in the main storm track regions but weaker around major orographic features. A direct comparison of the track ensembles indicates a number of systems with a broad range of intensities that compare well among the reanalyses. In addition, a number of small-scale weak systems are found that have no correspondence among the reanalyses or that only correspond upon relaxing the matching criteria, indicating possible differences in location and/or temporal coherence. These are distributed throughout the storm tracks, particularly in the regions known for small-scale activity, such as secondary development regions and the Mediterranean. For the Southern Hemisphere (SH), agreement is found to be generally less consistent in the lower troposphere with significant differences in both track density and mean intensity. The systems that correspond between the various reanalyses are considerably reduced and those that do not match span a broad range of storm intensities. Relaxing the matching criteria indicates that there is a larger degree of uncertainty in both the location of systems and their intensities compared with the NH. At upper-tropospheric levels, significant differences in the level of activity occur between the ECMWF reanalysis and the other reanalyses in both the NH and SH winters. This occurs due to a lack of coherence in the apparent propagation of the systems in ERA15 and appears most acute above 500 hPa. This is probably due to the use of optimal interpolation data assimilation in ERA15. Also shown are results based on using the same techniques to diagnose the tropical easterly wave activity. Results indicate that the wave activity is sensitive not only to the resolution and assimilation methods used but also to the model formulation.

Dynamics of convectively driven banded jets in the laboratory

The banded organization of clouds and zonal winds in the atmospheres of the outer planets has long fascinated observers. Several recent studies in the theory and idealized modeling of geostrophic turbulence have suggested possible explanations for the emergence of such organized patterns, typically involving highly anisotropic exchanges of kinetic energy and vorticity within the dissipationless inertial ranges of turbulent flows dominated (at least at large scales) by ensembles of propagating Rossby waves. The results from an attempt to reproduce such conditions in the laboratory are presented here. Achievement of a distinct inertial range turns out to require an experiment on the largest feasible scale. Deep, rotating convection on small horizontal scales was induced by gently and continuously spraying dense, salty water onto the free surface of the 13-m-diameter cylindrical tank on the Coriolis platform in Grenoble, France. A “planetary vorticity gradient” or “β effect” was obtained by use of a conically sloping bottom and the whole tank rotated at angular speeds up to 0.15 rad s−1. Over a period of several hours, a highly barotropic, zonally banded large-scale flow pattern was seen to emerge with up to 5–6 narrow, alternating, zonally aligned jets across the tank, indicating the development of an anisotropic field of geostrophic turbulence. Using particle image velocimetry (PIV) techniques, zonal jets are shown to have arisen from nonlinear interactions between barotropic eddies on a scale comparable to either a Rhines or “frictional” wavelength, which scales roughly as (β/Urms)−1/2. This resulted in an anisotropic kinetic energy spectrum with a significantly steeper slope with wavenumber k for the zonal flow than for the nonzonal eddies, which largely follows the classical Kolmogorov k−5/3 inertial range. Potential vorticity fields show evidence of Rossby wave breaking and the presence of a “hyperstaircase” with radius, indicating instantaneous flows that are supercritical with respect to the Rayleigh–Kuo instability criterion and in a state of “barotropic adjustment.” The implications of these results are discussed in light of zonal jets observed in planetary atmospheres and, most recently, in the terrestrial oceans.