Low-Cost Micromechanically Tunable Optical Devices: Strained Resonator Engineering, Technological Implementation and Characterization

The rapid growth of the optical communication branches and the enormous demand for more bandwidth require novel networks such as dense wavelength division multiplexing (DWDM). These networks enable higher bitrate transmission using the existing optical fibers. Micromechanically tunable optical microcavity devices like VCSELs, Fabry-Pérot filters and photodetectors are core components of these novel DWDM systems. Several air-gap based tunable devices were successfully implemented in the last years. Even though these concepts are very promising, two main disadvantages are still remaining. On the one hand, the high fabrication and integration cost and on the other hand the undesired adverse buckling of the suspended membranes. This thesis addresses these two problems and consists of two main parts: • PECVD dielectric material investigation and stress control resulting in membranes shape engineering. • Implementation and characterization of novel tunable optical devices with tailored shapes of the suspended membranes. For this purposes, low-cost PECVD technology is investigated and developed in detail. The macro- and microstress of silicon nitride and silicon dioxide are controlled over a wide range. Furthermore, the effect of stress on the optical and mechanical properties of the suspended membranes and on the microcavities is evaluated. Various membrane shapes (concave, convex and planar) with several radii of curvature are fabricated. Using this resonator shape engineering, microcavity devices such as non tunable and tunable Fabry-Pérot filters, VCSELs and PIN photodetectors are succesfully implemented. The fabricated Fabry-Pérot filters cover a spectral range of over 200nm and show resonance linewidths down to 1.5nm. By varying the stress distribution across the vertical direction within a DBR, the shape and the radius of curvature of the top membrane are explicitely tailored. By adjusting the incoming light beam waist to the curvature, the fundamental resonant mode is supported and the higher order ones are suppressed. For instance, a tunable VCSEL with 26 nm tuning range, 400µW maximal output power, 47nm free spectral range and over 57dB side mode suppresion ratio (SMSR) is demonstrated. Other technologies, such as introducing light emitting organic materials in microcavities are also investigated.

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.

Characterization of Novel Fabry Pérot Filter Arrays for Nanospectrometers in Medical Applications

Optische Spektroskopie ist eine sehr wichtige Messtechnik mit einem hohen Potential für zahlreiche Anwendungen in der Industrie und Wissenschaft. Kostengünstige und miniaturisierte Spektrometer z.B. werden besonders für moderne Sensorsysteme “smart personal environments” benötigt, die vor allem in der Energietechnik, Messtechnik, Sicherheitstechnik (safety and security), IT und Medizintechnik verwendet werden. Unter allen miniaturisierten Spektrometern ist eines der attraktivsten Miniaturisierungsverfahren das Fabry Pérot Filter. Bei diesem Verfahren kann die Kombination von einem Fabry Pérot (FP) Filterarray und einem Detektorarray als Mikrospektrometer funktionieren. Jeder Detektor entspricht einem einzelnen Filter, um ein sehr schmales Band von Wellenlängen, die durch das Filter durchgelassen werden, zu detektieren. Ein Array von FP-Filter wird eingesetzt, bei dem jeder Filter eine unterschiedliche spektrale Filterlinie auswählt. Die spektrale Position jedes Bandes der Wellenlänge wird durch die einzelnen Kavitätshöhe des Filters definiert. Die Arrays wurden mit Filtergrößen, die nur durch die Array-Dimension der einzelnen Detektoren begrenzt werden, entwickelt. Allerdings erfordern die bestehenden Fabry Pérot Filter-Mikrospektrometer komplizierte Fertigungsschritte für die Strukturierung der 3D-Filter-Kavitäten mit unterschiedlichen Höhen, die nicht kosteneffizient für eine industrielle Fertigung sind. Um die Kosten bei Aufrechterhaltung der herausragenden Vorteile der FP-Filter-Struktur zu reduzieren, wird eine neue Methode zur Herstellung der miniaturisierten FP-Filtern mittels NanoImprint Technologie entwickelt und präsentiert. In diesem Fall werden die mehreren Kavitäten-Herstellungsschritte durch einen einzigen Schritt ersetzt, die hohe vertikale Auflösung der 3D NanoImprint Technologie verwendet. Seit dem die NanoImprint Technologie verwendet wird, wird das auf FP Filters basierende miniaturisierte Spectrometer nanospectrometer genannt. Ein statischer Nano-Spektrometer besteht aus einem statischen FP-Filterarray auf einem Detektorarray (siehe Abb. 1). Jeder FP-Filter im Array besteht aus dem unteren Distributed Bragg Reflector (DBR), einer Resonanz-Kavität und einen oberen DBR. Der obere und untere DBR sind identisch und bestehen aus periodisch abwechselnden dünnen dielektrischen Schichten von Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Die optischen Schichten jeder dielektrischen Dünnfilmschicht, die in dem DBR enthalten sind, entsprechen einen Viertel der Design-Wellenlänge. Jeder FP-Filter wird einer definierten Fläche des Detektorarrays zugeordnet. Dieser Bereich kann aus einzelnen Detektorelementen oder deren Gruppen enthalten. Daher werden die Seitenkanal-Geometrien der Kavität aufgebaut, die dem Detektor entsprechen. Die seitlichen und vertikalen Dimensionen der Kavität werden genau durch 3D NanoImprint Technologie aufgebaut. Die Kavitäten haben Unterschiede von wenigem Nanometer in der vertikalen Richtung. Die Präzision der Kavität in der vertikalen Richtung ist ein wichtiger Faktor, der die Genauigkeit der spektralen Position und Durchlässigkeit des Filters Transmissionslinie beeinflusst.

Flexure based mounts for sensitive payloads : a management and engineering study

by Daniel K. Moon.

Plastic compression of a collagen gel forms a much improved scaffold for ocular surface tissue engineering over conventional collagen gels

We compare the use of plastically compressed collagen gels to conventional collagen gels as scaffolds onto which corneal limbal epithelial cells (LECs) are seeded to construct an artificial corneal epithelium. LECs were isolated from bovine corneas (limbus) and seeded onto either conventional uncompressed or novel compressed collagen gels and grown in culture. Scanning electron microscopy (SEM) results showed that fibers within the uncompressed gel were loose and irregularly ordered, whereas the fibers within the compressed gel were densely packed and more evenly arranged. Quantitative analysis of LECs expansion across the surface of the two gels showed similar growth rates (p > 0.05). Under SEM, the LECs, expanded on uncompressed gels, showed a rough and heterogeneous morphology, whereas on the compressed gel, the cells displayed a smooth and homogeneous morphology. Transmission electron microscopy (TEM) results showed the compressed scaffold to contain collagen fibers of regular diameter and similar orientation resembling collagen fibers within the normal cornea. TEM and light microscopy also showed that cell–cell and cell–matrix attachment, stratification, and cell density were superior in LECs expanded upon compressed collagen gels. This study demonstrated that the compressed collagen gel was an excellent biomaterial scaffold highly suited to the construction of an artificial corneal epithelium and a significant improvement upon conventional collagen gels.

Tissue engineering a fetal membrane

The aim of this study was to construct an artificial fetal membrane (FM) by combination of human amniotic epithelial stem cells (hAESCs) and a mechanically enhanced collagen scaffold containing encapsulated human amniotic stromal fibroblasts (hASFs). Such a tissue-engineered FM may have the potential to plug structural defects in the amniotic sac after antenatal interventions, or to prevent preterm premature rupture of the FM. The hAESCs and hASFs were isolated from human fetal amniotic membrane (AM). Magnetic cell sorting was used to enrich the hAESCs by positive ATP-binding cassette G2 selection. We investigated the use of a laminin/fibronectin (1:1)-coated compressed collagen gel as a novel scaffold to support the growth of hAESCs. A type I collagen gel was dehydrated to form a material mimicking the mechanical properties and ultra-structure of human AM. hAESCs successfully adhered to and formed a monolayer upon the biomimetic collagen scaffold. The resulting artificial membrane shared a high degree of similarity in cell morphology, protein expression profiles, and structure to normal fetal AM. This study provides the first line of evidence that a compacted collagen gel containing hASFs could adequately support hAESCs adhesion and differentiation to a degree that is comparable to the normal human fetal AM in terms of structure and maintenance of cell phenotype.

Effect of repeated torque/mechanical loading cycles on two different abutment types in implants with internal tapered connections: an in vitro study

Internal tapered connections were developed to improve biomechanical properties and to reduce mechanical problems found in other implant connection systems. The purpose of this study was to evaluate the effects of mechanical loading and repeated insertion/removal cycles on the torque loss of abutments with internal tapered connections. Sixty-eight conical implants and 68 abutments of two types were used. They were divided into four groups: groups 1 and 3 received solid abutments, and groups 2 and 4 received two-piece abutments. In groups 1 and 2, abutments were simply installed and uninstalled; torque-in and torque-out values were measured. In groups 3 and 4, abutments were installed, mechanically loaded and uninstalled; torque-in and torque-out values were measured. Under mechanical loading, two-piece abutments were frictionally locked into the implant; thus, data of group 4 were catalogued under two subgroups (4a: torque-out value necessary to loosen the fixation screw; 4b: torque-out value necessary to remove the abutment from the implant). Ten insertion/removal cycles were performed for every implant/abutment assembly. Data were analyzed with a mixed linear model (P <= 0.05). Torque loss was higher in groups 4a and 2 (over 30% loss), followed by group 1 (10.5% loss), group 3 (5.4% loss) and group 4b (39% torque gain). All the results were significantly different. As the number of insertion/removal cycles increased, removal torques tended to be lower. It was concluded that mechanical loading increased removal torque of loaded abutments in comparison with unloaded abutments, and removal torque values tended to decrease as the number of insertion/removal cycles increased. To cite this article:Ricciardi Coppede A, de Mattos MdaGC, Rodrigues RCS, Ribeiro RF. Effect of repeated torque/mechanical loading cycles on two different abutment types in implants with internal tapered connections: an in vitro study.Clin. Oral Impl. Res. 20, 2009; 624-632.doi: 10.1111/j.1600-0501.2008.01690.x.

1,4-Dioxane enhances properties and biocompatibility of polyanionic collagen for tissue engineering applications

Polyanionic collagen obtained from bovine pericardial tissue submitted to alkaline hydrolysis is an acellular matrix with strong potential in tissue engineering. However, increasing the carboxyl content reduces fibril formation and thermal stability compared to the native tissues. In the present work, we propose a chemical protocol based on the association of alkaline hydrolysis with 1,4-dioxane treatment to either attenuate or revert the drastic structural modifications promoted by alkaline treatments. For the characterization of the polyanionic membranes treated with 1,4-dioxane, we found that (1) scanning electron microscopy (SEM) shows a stronger reorientation and aggregation of collagen microfibrils; (2) histological evaluation reveals recovering of the alignment of collagen fibers and reassociation with elastic fibers; (3) differential scanning calorimetry (DSC) shows an increase in thermal stability; and (4) in biocompatibility assays there is a normal attachment, morphology and proliferation associated with high survival of the mouse fibroblast cell line NIH3T3 in reconstituted membranes, which behave as native membranes. Our conclusions reinforce the ability of 1,4-dioxane to enhance the properties of negatively charged polyanionic collagen associated with its potential use as biomaterials for grafting, cationic drug- or cell-delivery systems and for the coating of cardiovascular devices.

Novel production method of porous surface Ti samples for biomedical application

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

Tissue engineering: Using collagen type i matrix for bone healing of bone defects

Among the many tissues in the human body, bone has been considered as a powerful marker for regeneration and its formation serves as a prototype model for tissue engineering based on morphogenesis. Therefore, collagen type I is one of the most useful biomaterials used in tissue engineering as extracellular matrix components capable to promote bone healing. The literature reveals excellent biocompatibility and safety due to its biological characteristics, such as biodegradability and weak antigenicity, making collagen type I the primary resource in medical applications. Thus, it was also used for tissue engineering including skin replacement, bone substitutes, and artificial blood vessels and valves. The authors describe the treatment of an abscessed apical periodontal cyst and show good outcomes of bone healing, using tissue engineering, as collagen type I matrix. © 2013 by Mutaz B. Habal, MD.

Ultrasound Transient Shear Wave Elasticity Imaging for Tendon Tissue

Degeneration of tendon tissue is a common cause of tendon dysfunction with the symptoms of repeated episodes of pain and palpable increase of tendon thickness. Tendon mechanical properties are directly related to its physiological composition and the structural organization of the interior collagen fibers which could be altered by tendon degeneration due to overuse or injury. Thus, measuring mechanical properties of tendon tissue may represent a quantitative measurement of pain, reduced function, and tissue health. Ultrasound elasticity imaging has been developed in the last two decades and has proved to be a promising tool for tissue elasticity imaging. To date, however, well established protocols of tendinopathy elasticity imaging for diagnosing tendon degeneration in early stages or late stages do not exist. This thesis describes the re-creation of one dynamic ultrasound elasticity imaging method and the development of an ultrasound transient shear wave elasticity imaging platform for tendon and other musculoskeletal tissue imaging. An experimental mechanical stage with proper supporting systems and accurate translating stages was designed and made. A variety of high-quality tissue-mimicking phantoms were made to simulate homogeneous and heterogeneous soft tissues as well as tendon tissues. A series of data acquisition and data processing programs were developed to collect the displacement data from the phantom and calculate the shear modulus and Young’s modulus of the target. The imaging platform was found to be capable of conducting comparative measurements of the elastic parameters of the phantoms and quantitatively mapping elasticity onto ultrasound B-Mode images. This suggests the system has great potential for not only benefiting individuals with tendinopathy with an earlier detection, intervention and better rehabilitation, but also for providing a medical tool for quantification of musculoskeletal tissue dysfunction in other regions of the body such as the shoulder, elbow and knee.