Thermo-optic variable optical attenuator with low power consumption fabricated on silicon-on-insulator by anisotropic chemical etching

A thermo-optic Mach-Zehnder (MZ) variable optical attenuator based on silicon waveguides with a large cross section was designed and fabricated on silicon-on-insulator (SOI) wafer. Multimode interferometers were used as power splitters and combiners in the MZ structure. In order to achieve a smooth interface, anisotropic chemical etching of silicon was used to fabricate the waveguides. Isolating grooves were introduced to reduce power consumption and device length. The device has a low power consumption of 210 mW and a response time of 50 mus. (C) 2004 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers.

Low power 2 x 2 thermo-optic SOI waveguide switch fabricated by anisotropy chemical etching

A 2 x 2 thermo-optic (TO) Mach-Zehnder (MZ) switch based on silicon waveguides with large cross section was designed and fabricated on silicon-on-insulator (SOI) wafer. The multi-mode interferometers (MMI) were used as power splitter and combiner in MZ structure. In order to get smooth interface, anisotropy chemical wet-etching of silicon was used to fabricate the waveguides instead of dry-etching. Additional grooves were introduced to reduce power consumption. The device has a low switching power of 235 mW and a switching speed of 60 mus. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Fabrication of a 4x4 strictly nonblocking SOI switch matrix

A 4 x 4 strictly nonblocking thermo-optical switch matrix based on Mach-Zehnder (MZ) switching unit was designed and fabricated in silicon-on-insulator (SOI) wafer. The paired multi-mode interferometers (MMI) were used as power splitters and combiners in MZ structures. The device presents an average insertion loss of 17 dB and an average crosstalk of 16.5 dB. The power consumption needed for operation is reduced to 0.288 W by adding isolating trenches. The switching time of the device is about 15 mu s, which is much faster than that of silica-based switches. (C) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Thermo-optical switch matrix based on silicon-on-insulator waveguides

A thermo-optical waveguide switch matrix is designed and fabricated on silicon-on-insulator wafer. Multi-mode interferometers are used as power splitters and combiners in a Mach-Zehnder structure. Inductively coupled plasma reactive ion etching is used to fabricate the waveguides. The rise and fall times of the switch matrix are 13 mu s and 7 mu s, respectively. Switch cells have an average switching power consumption of 340 mW.

Millstone Hill电离层F层等效风场的气候学研究

Neutral winds and electric fields in the ionospheric F layer play important roles in the variations of the ionosphere, and also affect the thermospheric circulation via the close coupling between the ionosphere and the thermosphere. By now, the neutral winds and electric drifts are generally observed with ground-based Fabry-Perot interferometers (FPI) and incoherent scatter radars (ISR), rockets, and satellite-borne instrument. Based on the servo theory, the ionospheric equivalent winds, which include the information of both the neutral winds and electric fields, can be derived from these characteristic parameters observed by ionosondes. This indirect derivation has potential values in climatological researches and space weather forecast. With the data set of the incoherent scatter radar observations at Millstone Hill, USA, from 1976 to 2006, we statistically analyzed the climatological variations of the vertical component of the equivalent winds (VEWs) over Millstone Hill, which are derived from the ionospheric key parameters (the peak electron number density and peak height of the F2 layer, NmF2 and hmF2) on the basis of the servo theory, Liu's method, and measurements from the ion line-of-sight velocity as well. The main results of this analysis are summarized as follows: (1) The values of VEWs over Millstone Hill during nighttime are stronger than in the daytime, and the upward drift dominates most of the day. In 1993, Hagan found that the component of the neutral winds in the magnetic meridion in daytime is weaker than during nighttime under both solar maximum and minimum conditions; he also found that the equatorward winds dominate most of the day. Both results suggest that the thermosphere in Millstone Hill is modulated by the aurorally driven high-latitude circulation cell; that is, during geomagnetic quiet periods, the average auroral activity is strong enough to drive thermospheric circulation equatorward for most of the day at Millstone Hill. Moreover, since ion drag is the strongest during daytime when F region densities are enhanced by photoionization, the wind speeds are smaller during the daytime than in the nighttime. (2) There is equinoctial symmetry in VEWs at Millstone Hill. The amplitudes and phases of VEWs in spring are quite similar to those in autumn. In contrast, the nighttime upward drift in winter is weaker than in summer and the difference becomes more significant with increasing solar activity. This solstice asymmetry indicates that, the aurorally driven circulation in the northern hemisphere at Millstone Hill latitude is weaker in winter due to arctic darkness, because the subsolar point is in the southern hemisphere. (3) The comparison of the VEWs derived from three methods, i.e., the servo theory, Liu's method, and the ISR ion line-of-sight velocity measurements, indicates that the amplitudes and main phase tendencies of these VEWs accord well with each other during nighttime hours. However, the case in the daytime is relatively worse. This daytime discrepancy can be explained in terms of the effects of photochemical processes and the choices of the servo constants. A larger servo constant gives a stronger plasma drift in daytime. Therefore, this study tells how important to choose a suitable constant for deriving VEWs at Millstone Hill.

Detection of Lead Contamination of Water and VOC Contamination of Air Using SOI Micro-Optical Devices

Micro-photonic SOI Mach-Zehnder interferometers were coated with solid-phase micro-extraction materials derived from polydimethylsiloxane to enable sensing of volatile organic compounds of the BTEX class in air. A different coating based on functionalized mesoporous silicates is used to detect lead Pb(II) with a detection limit of <;; 100 ppb in water.

Single-Mode Fiber Refractive Index Sensor Based on Core-Offset Attenuators

Mach-Zehnder and Michelson interferometers using core-offset attenuators were demonstrated. As the relative offset direction of the two attenuators in the Mach-Zehnder interferometer can significantly affect the extinction ratio of the interference pattern, single core-offset attenuator-based sensors appear more robust and repeatable. A novel fiber Michelson interferometer refractive index (RI) sensor was subsequently realized by a single core-offset attenuator and a layer of ~ 500-nm gold coating. The device had a minimum insertion loss of 0.01 dB and maximum extinction ratio over 9 dB. The sensitivity (0.333 nm) of the new sensor to its surrounding RI change (0.01) was found to be comparable to that (0.252 nm) of an identical long period gratings pair Mach-Zehnder interferometric sensor, and its ease of fabrication makes it a low-cost alternative to existing sensing applications.

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.

Magnetic-field asymmetry of nonlinear transport in a small ring

We have investigated the magnetic-field asymmetry of the conductance in the nonlinear regime in a small Aharonov-Bohm ring. We have found that the odd-in B and linear in V (the DC bias) correlation function of the differential conductance exhibits periodical oscillations with the Aharonov-Bohm flux. We have deduced the electron interaction constant and analyzed the phase rigidity of the Aharonov-Bohm oscillations in the nonlinear regime. Copyright (C) EPLA, 2009

Localization in splitting of matter waves

In this paper we present an analysis of how matter waves, guided as propagating modes in potential structures, are split under adiabatic conditions. The description is formulated in terms of localized states obtained through a unitary transformation acting on the mode functions. The mathematical framework results in coupled propagation equations that are decoupled in the asymptotic regions as well before as after the split. The resulting states have the advantage of describing propagation in situations, for instance matter-wave interferometers, where local perturbations make the transverse modes of the guiding potential unsuitable as a basis. The different regimes of validity of adiabatic propagation schemes based on localized versus delocalized basis states are also outlined. Nontrivial dynamics for superposition states propagating through split potential structures is investigated through numerical simulations. For superposition states the influence of longitudinal wave-packet extension on the localization is investigated and shown to be accurately described in quantitative terms using the adiabatic formulations presented here.

Sagnac rotational phase shifts in a mesoscopic electron interferometer with spin-orbit interactions

The Sagnac effect is an important phase coherent effect in optical and atom interferometers where rotations of the interferometer with respect to an inertial reference frame result in a shift in the interference pattern proportional to the rotation rate. Here, we analyze the Sagnac effect in a mesoscopic semiconductor electron interferometer. We include in our analysis the Rashba spin-orbit interactions in the ring. Our results indicate that spin-orbit interactions increase the rotation-induced phase shift. We discuss the potential experimental observability of the Sagnac phase shift in such mesoscopic systems.

Extending the surface force apparatus capabilities by using white light interferometry in reflection

The application of surface force apparatus (SFA) capabilities in measuring interactions between surfaces over nanometer separations was described. The technique is used when both the materials are transparent. It was observed that the poorly reflecting surface produce fringes that have low contrast and low finesse. The results show that the technique is successful when the visibility of the interference fringes is maximized.

A simple interferometric method to measure the calibration factor and displacement amplification in piezoelectric flextensional actuators

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Heterodyne Interferometry Applied to the Characterization of Acousto-Electro-Optic Light Modulators

When the electro-optic and acousto-optic effects are combined into a single device, the resulting acousto-electro-optic (AEO) modulator shows improved flexibility to overcome some limitations of the individual modulators or their cascade combinations. By using optical interferometry, it is possible to investigate the AEO modulator behavior as a function of this applied voltage. By this way, a lithium niobate AEO modulator is positioned in one of the arms of a Mach-Zehnder interferometer and operates at 62 MHz frequency, which constitutes the intermediate frequency of the heterodyne interferometer. Operating the AEO modulator in the acousto-optic small diffraction efficiency regime, the photodetected signal amplitude and phase are analyzed, and the induced phase shift, transmission curve and linearity response are obtained. The experimental results show good agreement with that expected from the coupled-mode theory. The possibility of linear control of the optical phase shift by the external voltage, from 0 to 2 p radians, is demonstrated.

Linear readout of dynamic phase modulation index in an optical voltage sensor using the new J(1) ... J(3) spectral method

The J(1)...J(3) is a recent optical method for linear readout of dynamic phase modulation index in homodyne interferometers. In this work, the J(1)... J(3) method is applied to measure voltage in an optical voltage sensor. Based on the classical J(1)...J(4) method, the J(1)... J(3) technique shows to be more stable to phase drift and simpler for implementation than the original one. The sensor dynamic range is enhanced. The agreement between theoretical and experimental results, based on 1/f noise, is demonstrated.