Development of Compact Microwave Filters Using Microstrip Loop Resonators

Study of the characteristics of planar loop resonators and their use in the construction of filters at microwave frequencies are presented in this thesis.A detailed investigation of parameters affecting the strength of coupling and the resonant frequency are also carried out .Techniques for size reduction in bandstop and bandpass filters using planar loop resonators are developed.Different configurations of bandstop and bandpass filters using loop resonators are simulated and experimental results on optimal filter configurations are presented.

Enhancement of Microwave Properties of Planar Filters and Antennas using Photonic Bandgap (PBG) Structures

In this thesis, we explore the design, computation, and experimental analysis of photonic crystals, with a special emphasis on structures and devices that make a connection with practically realizable systems. First, we analyze the propenies of photonic-crystal: periodic dielectric structures that have a band gap for propagation. The band gap of periodically loaded air column on a dielectric substrate is computed using Eigen solvers in a plane wave basis. Then this idea is extended to planar filters and antennas at microwave regime. The main objectives covered in this thesis are:• Computation of Band Gap origin in Photonic crystal with the abet of Maxwell's equation and Bloch-Floquet's theorem • Extension of Band Gap to Planar structures at microwave regime • Predict the dielectric constant - synthesized dieletric cmstant of the substrates when loaded with Photonic Band Gap (PBG) structures in a microstrip transmission line • Identify the resonant characteristic of the PBG cell and extract the equivalent circuit based on PBG cell and substrate parameters for microstrip transmission line • Miniaturize PBG as Defected Ground Structures (DGS) and use the property to be implemented in planar filters with microstrip transmission line • Extended the band stop effect of PBG / DGS to coplanar waveguide and asymmetric coplanar waveguide. • Formulate design equations for the PBG / DGS filters • Use these PBG / DGS ground plane as ground plane of microstrip antennas • Analysis of filters and antennas using FDID method

Design of electron band pass filters for electrically biased finite superlattices

We design optimal band pass filters for electrons in semiconductor heterostructures, under a uniform applied electric field. The inner cells are chosen to provide a desired transmission window. The outer cells are then designed to transform purely incoming or outgoing waves into Bloch states of the inner cells. The transfer matrix is interpreted as a conformal mapping in the complex plane, which allows us to write constraints on the outer cell parameters, from which physically useful values can be obtained.

Design, Development and Realization of Quadratic Volterra Filters for Selected Applications

The basic concepts of digital signal processing are taught to the students in engineering and science. The focus of the course is on linear, time invariant systems. The question as to what happens when the system is governed by a quadratic or cubic equation remains unanswered in the vast majority of literature on signal processing. Light has been shed on this problem when John V Mathews and Giovanni L Sicuranza published the book Polynomial Signal Processing. This book opened up an unseen vista of polynomial systems for signal and image processing. The book presented the theory and implementations of both adaptive and non-adaptive FIR and IIR quadratic systems which offer improved performance than conventional linear systems. The theory of quadratic systems presents a pristine and virgin area of research that offers computationally intensive work. Once the area of research is selected, the next issue is the choice of the software tool to carry out the work. Conventional languages like C and C++ are easily eliminated as they are not interpreted and lack good quality plotting libraries. MATLAB is proved to be very slow and so do SCILAB and Octave. The search for a language for scientific computing that was as fast as C, but with a good quality plotting library, ended up in Python, a distant relative of LISP. It proved to be ideal for scientific computing. An account of the use of Python, its scientific computing package scipy and the plotting library pylab is given in the appendix Initially, work is focused on designing predictors that exploit the polynomial nonlinearities inherent in speech generation mechanisms. Soon, the work got diverted into medical image processing which offered more potential to exploit by the use of quadratic methods. The major focus in this area is on quadratic edge detection methods for retinal images and fingerprints as well as de-noising raw MRI signals

Catalysis by Modified Pillared Clays and Porous Clay Heterostructures

In this venture three distinct class of catalysts such as, pillared clays and transition metal loaded pillared clays , porous clay heterostructures and their transition metal loaded analogues and DTP supported on porous clay heterostructures etc. were prepared and characterized by various physico chemical methods. The catalytic activities of prepared catalysts were comparatively evaluated for the industrially important alkylation, acetalization and oxidation reactions.The general conclusions drawn from the present investigation are  Zirconium, iron - aluminium pillared clays were synthesized by ion exchange method and zirconium-silicon porous heterostructures were Summary and conclusions 259 prepared by intergallery template method. Transition metals were loaded in PILCs and PCHs by wet impregnation method.  Textural and acidic properties of the clays were modified by pillaring and post pillaring modifications.  The shift in 2θ value to lower range and increase in d (001) spacing indicate the success of pillaring process.  Surface area, pore volume, average pore size etc. increased dramatically as a result of pillaring process.  Porous clay heterostructures have higher surface area, pore volume, average pore diameter and narrow pore size distribution than that of pillared clays.  The IR spectrum of PILCs and PCHs are in accordance with literature without much variation compared to parent montmorillonite which indicate that basic clay structure is retained even after modification.  The silicon NMR of PCHs materials have intense peaks corresponding to Q4 environment which indicate that mesoporous silica is incorporated between clay layers.  Thermo gravimetric analysis showed that thermal stability is improved after the pillaring process. PCH materials have higher thermal stability than PILCs.  In metal loaded pillared clays, up to 5% metal species were uniformly dispersed (with the exception of Ni) as evident from XRD and TPR analysis. Chapter 9 260  Impregnation of transition metals in PILCs and PCHs enhanced acidity of catalysts as evident from TPD of ammonia and cumene cracking reactions.  For porous clay heterostructures the acidic sites have major contribution from weak and medium acid sites which can be related to the Bronsted sites as evident from TPD of ammonia.  Pillared clays got more Lewis acidity than PCHs as inferred from α- methyl styrene selectivity in cumene cracking reaction.  SEM images show that layer structure is preserved even after modification. Worm hole like morphology is observed in TEM image of PCHs materials  In ZrSiPCHS, Zr exists as Zr 4+ and is incorporated to silica pillars in the intergallary of clay layers as evident from XPS analysis.  In copper loaded zirconium pillared clays, copper exists as isolated species with +2 oxidation state at lower loading. At higher loading, Cu exists as clusters as evident from reduction peak at higher temperatures in TPR.  In vanadium incorporated PILCs and PCHs, vanadium exist as isolated V5+ in tetrahedral coordination which is confirmed from TPR and UVVis DRS analysis.  In cobalt loaded PCHs, cobalt exists as CoO with 2+ oxidation state as confirmed from XPS.  Cerium incorporated iron aluminium pillared clay was found to be the best catalyst for the hydroxylation of phenol in aqueous media due to the additional surface area provided by ceria mesopores and its redox properties. Summary and conclusions 261  Cobalt loaded zirconium porous clay heterostructures were found to be promising catalyst for the tertiary butylation of phenol due to higher surface area and acidic properties.  Copper loaded pillared clays were found to be good catalyst for the direct hydroxylation of benzene to phenol.  Vanadium loaded PCHs catalysts were found to be efficient catalysts for oxidation of benzyl alcohol.  DTP was firmly fixed on the mesoporous channels of PCHs by Direct method and functionalization method.  DTP supported PCHs catalyst were found to be good catalyst for acetalization of cyclohexanone with more than 90% conversion.

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.

Model Calculations and Implementation of Filters and Hybrid Green VCSELs based on Optical Thin Film Stacks

This work introduced the novel conception of complex coupled hybrid VCSELs for the first time. Alternating organic and inorganic layers in the lasers provide periodic variation of refractive index and optical gain, which enable single mode operation and low threshold of the VCSELs. Model calculations revealed great reduction of the lasing threshold with factors over 30, in comparison with the existing micro-cavity lasers. Tunable green VCSEL has been also designed, implemented and analyzed taking advantage of the broad photoluminescence spectra of the organics. Free standing optical thin films without compressive stress are technologically implemented. Multiple membrane stacks with air gap in between have been fabricated for the implementation of complex coupled VCSEL structures. Complex coupled hybrid VCSEL is a very promising approach to fill the gaps in the green spectral range of the semiconductor lasers.

Spektrometrische Bestimmung der NO2-Konzentration im Abgas von Lastkraftwagen mit Dieselmotor unter Verwendung eines elektrostatisch durchstimmbaren Fabry-Pérot-Filters zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches und der Schadstoffemissionen

Die Reduktion von Schadstoff-Emissionen und des Kraftstoffverbrauches sind für die Einhaltung von immer strenger werdenden Abgasgrenzwerten zum Schutz der menschlichen Gesundheit und der Vegetation von großer gesellschaftlicher Bedeutung. Ob Deutschland die innerstädtischen Immissionsgrenzwerte der Europäischen Union (EU) für Stickstoffdioxid (NO2) ab 2010 einhalten wird, ist fraglich. Vor allem Lastkraftwagen mit Dieselmotor emittieren einen Großteil dieses Schadstoffes, sodass man mit einer Senkung der NO2-Emissionen dem gesetzten Ziel der Einhaltung der von der EU festgelegten NO2-Immisionsgrenzwerte bereits erheblich näher kommen würde. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob mit der Kenntnis der NO2-Konzentration im Abgas von Lastkraftwagen mit Dieselmotor mittels Spektroskopie eine Reduzierung der NO2-Emissionen und eine Senkung des Kraftstoffverbrauches erreicht werden kann. Hierzu muss sowohl die Bestimmung der NO2-Konzentration aus der spektralen Analyse des Abgases möglich sein, als auch die Herstellung eines mikromechanisch durchstimmbaren optischen Fabry-Pérot-Filters mit Bragg-Spiegeln, der die Voraussetzungen erfüllt, das für die spektrale Analyse benötigte Spektrum quantifizieren zu können. Zusätzlich soll mit Hilfe der aus den Spektren extrahierten Information eine in Echtzeit gemessene NO2-Konzentration im Abgas ableitbar sein. Damit sollen Kraftstoff eingespart und Schadstoff-Emissionen reduziert werden. Hierfür wird am Beispiel eines Lastkraftwagens mit typischer Abgasnachbehandlung aufgezeigt, wie über innermotorische Maßnahmen die Verbrennung optimierbar ist und wie die Eigenschaften der Abgasnachbehandlung verbesserbar sind, sodass die gewünschten Senkungen erreicht werden. Zusätzlich kann auf den Einbau eines Sperrkatalysators im Abgasstrang verzichtet werden. Ferner reduziert sich auch der Verbrauch des für die Abgasnachbehandlung benötigten Harnstoffs. Zur Klärung, ob die NO2-Konzentration aus der spektralen Analyse des Abgases bestimmt werden kann, wurden an einem Motorprüfstand Spektren für verschiedene NO2-Konzentrationen gemessen. Zusätzlich wurde das in dieser Arbeit behandelte Sensor-System mittels mathematischer Modellrechnung beschrieben, sodass dieses Modell anschließend auf die am Motorprüfstand gemessenen Spektren angewendet werden konnte. Die auf diese Weise berechneten Ergebnisse wurden mit den NO2-Messungen am Motorprüfstand verglichen und zeigen eine große Korrelation. In dem mathematischen Modell wird auch die spektrale Auflösung des Sensors berücksichtigt, die vom optischen Filter erreicht werden muss. Es wurde in dieser Arbeit untersucht, ob ein solches Filter realisiert werden kann. Hierzu wurde unter Anwendung der Transfer-Matrix-Methode (TMM) zur Berechnung optischer Eigenschaften von Dünnschichtsystemen eine Struktur entwickelt, die den optischen Anforderungen an das Filter genügt. Grundlage für dieses Design ist ein mikromechanisch durchstimmbares Fabry-Pérot-Filter mit Bragg-Spiegeln. Zur Herstellung dieses mikromechanisch durchstimmbaren, optischen Filters wurde eine Prozesskette entwickelt, mit der Filter mit einer Transmission von über 60 % hergestellt wurden. Die mit dieser Prozesskette hergestellten Strukturen wurden topografisch und optisch charakterisiert. Der Vergleich der gemessenen Ergebnisse mit theoretischen Modellrechnungen zeigt eine hohe Übereinstimmung, sodass mit der verwendeten Methodik gute Prognosen von Filtereigenschaften getroffen werden können. Es kann außerdem ein verbessertes Design präsentiert werden, welches eine um 10 % höhere Transmission und ein doppelt so großes Auflösungsvermögen gegenüber dem ursprünglichen Design aufweist. Verbesserungspotenziale in der Prozesskette können präsentiert werden, mit denen die optischen und mechanischen Eigenschaften zukünftiger Filter optimiert werden können. Es wird gezeigt, dass ein optisches Filter hergestellt werden kann, mit dem die NO2-Konzentration im Abgas von Lastkraftwagen mit Dieselmotoren spektroskopisch bestimmt werden kann, sodass der Kraftstoffverbrauch gesenkt und die Schadstoffemissionen reduziert werden können. In Abgasnormen sind einzuhaltende NOX-Grenzwerte festgelegt. Sollten in Zukunft auch NO2-Emissionsgrenzwerte in den Abgasnormen festgelegt werden, kann deren Einhaltung mit dem vorgestellten Sensor-Prinzip überwacht werden. Auf diese Weise wird die Chance auf Einhaltung der NO2-Immissionsgrenzwerte der EU maßgeblich erhöht.

Assignment on Filters, Source Coding and Channel Coding

Considers bandpass filters, Huffman coding, arithmetic coding and Hamming coding.

Laser Eyewear and filters (NPL)

Short video on laser eyewear and filters produced by the National Physical Laboratory (NPL)

Cooled Infrared Dichroic Beamsplitters and Filters for the MIRI Spectrometer and Imager (5-29µm)

The spectral design and fabrication of cooled (7K) mid-infrared dichroic beamsplitters and bandpass filter coatings for the MIRI spectrometer and imager are described. Design methods to achieve the spectral performance and coating materials are discussed.

Achieving accurate FTIR measurements on high performance bandpass filters

The sources of ordinate error in FTIR spectrometers are reviewed with reference to measuring small out-of-band features in the spectra of bandpass filters. Procedures for identifying instrumental artefacts are described. It is shown that features well below 0.01%T can be measured reliably.