Surface characterization techniques for determining the root-mean-square roughness and power spectral densities of optical components

Surface topography and light scattering were measured on 15 samples ranging from those having smooth surfaces to others with ground surfaces. The measurement techniques included an atomic force microscope, mechanical and optical profilers, confocal laser scanning microscope, angle-resolved scattering, and total scattering. The samples included polished and ground fused silica, silicon carbide, sapphire, electroplated gold, and diamond-turned brass. The measurement instruments and techniques had different surface spatial wavelength band limits, so the measured roughnesses were not directly comparable. Two-dimensional power spectral density (PSD) functions were calculated from the digitized measurement data, and we obtained rms roughnesses by integrating areas under the PSD curves between fixed upper and lower band limits. In this way, roughnesses measured with different instruments and techniques could be directly compared. Although smaller differences between measurement techniques remained in the calculated roughnesses, these could be explained mostly by surface topographical features such as isolated particles that affected the instruments in different ways.

Ultraviolet optical and microstructural properties of MgF2 and LaF3 coatings deposited by ion-beam sputtering and boat and electron-beam evaporation

Single layers of MgF2 and LaF3 were deposited upon superpolished fused-silica and CaF2 substrates by ion-beam sputtering (IBS) as well as by boat and electron beam (e-beam) evaporation and were characterized by a variety of complementary analytical techniques. Besides undergoing photometric and ellipsometric inspection, the samples were investigated at 193 and 633 nm by an optical scatter measurement facility. The structural properties were assessed with atomic-force microscopy, x-ray diffraction, TEM techniques that involved conventional thinning methods for the layers. For measurement of mechanical stress in the coatings, special silicon substrates were coated and analyzed. The dispersion behavior of both deposition materials, which was determined on the basis of various independent photometric measurements and data reduction techniques, is in good agreement with that published in the literature and with the bulk properties of the materials. The refractive indices of the MgF2 coatings ranged from 1.415 to 1.440 for the wavelength of the ArF excimer laser (193 nm) and from 1.435 to 1.465 for the wavelength of the F2 excimer laser (157 nm). For single layers of LaF3 the refractive indices extended from 1.67 to 1.70 at 193 nm to ~1.80 at 157 nm. The IBS process achieves the best homogeneity and the lowest surface roughness values (close to 1 nmrms) of the processes compared in the joint experiment. In contrast to MgF2 boat and e-beam evaporated coatings, which exhibit tensile mechanical stress ranging from 300 to 400 MPa, IBS coatings exhibit high compressive stress of as much as 910 MPa. A similar tendency was found for coating stress in LaF3 single layers. Experimental results are discussed with respect to the microstructural and compositional properties as well as to the surface topography of the coatings.

Real-time monitoring of protein conformational changes using a nano-mechanical sensor.

Proteins can switch between different conformations in response to stimuli, such as pH or temperature variations, or to the binding of ligands. Such plasticity and its kinetics can have a crucial functional role, and their characterization has taken center stage in protein research. As an example, Topoisomerases are particularly interesting enzymes capable of managing tangled and supercoiled double-stranded DNA, thus facilitating many physiological processes. In this work, we describe the use of a cantilever-based nanomotion sensor to characterize the dynamics of human topoisomerase II (Topo II) enzymes and their response to different kinds of ligands, such as ATP, which enhance the conformational dynamics. The sensitivity and time resolution of this sensor allow determining quantitatively the correlation between the ATP concentration and the rate of Topo II conformational changes. Furthermore, we show how to rationalize the experimental results in a comprehensive model that takes into account both the physics of the cantilever and the dynamics of the ATPase cycle of the enzyme, shedding light on the kinetics of the process. Finally, we study the effect of aclarubicin, an anticancer drug, demonstrating that it affects directly the Topo II molecule inhibiting its conformational changes. These results pave the way to a new way of studying the intrinsic dynamics of proteins and of protein complexes allowing new applications ranging from fundamental proteomics to drug discovery and development and possibly to clinical practice.

Use of the Optical Cantilever Microphone in Photoacoustic Spectroscopy

A novel cantilever pressure sensor was developed in the Department of Physics at the University of Turku in order to solve the sensitivity problems which are encountered when condenser microphones are used in photoacoustic spectroscopy. The cantilever pressure sensor, combined with a laser interferometer for the measurement of the cantilever movements, proved to be highly sensitive. The original aim of this work was to integrate the sensor in a photoacoustic gas detector working in a differential measurement scheme. The integration was made successfully into three prototypes. In addition, the cantilever was also integrated in the photoacoustic FTIR measurement schemes of gas-, liquid-, and solid-phase samples. A theoretical model for the signal generation in each measurement scheme was created and the optimal celldesign discussed. The sensitivity and selectivity of the differential method were evaluated when a blackbody radiator and a mechanical chopper were used with CO₂, CH4, CO, and C2H4 gases. The detection limits were in the sub-ppm level for all four gases with only a 1.3 second integration time and the cross interference was well below one percent for all gas combinations other than those between hydrocarbons. Sensitivity with other infrared sources was compared using ethylene as an example gas. In the comparison of sensitivity with different infrared sources the electrically modulated blackbody radiator gave a 35 times higher and the CO2-laser a 100 times lower detection limit than the blackbody radiator with a mechanical chopper. As a conclusion, the differential system is well suited to rapid single gas measurements. Gas-phase photoacoustic FTIR spectroscopy gives the best performance, when several components have to be analyzed simultaneously from multicomponent samples. Multicomponent measurements were demonstrated with a sample that contained different concentrations of CO₂, H₂O, CO, and four different hydrocarbons. It required an approximately 10 times longer measurement time to achieve the same detection limit for a single gas as with the differential system. The properties of the photoacoustic FTIR spectroscopy were also compared to conventional transmission FTIR spectroscopy by simulations. Solid- and liquid-phase photoacoustic FTIR spectroscopy has several advantages compared to other techniques and therefore it also has a great variety of applications. A comparison of the signal-to-noise ratio between photoacoustic cells with a cantilever microphone and a condenser microphone was done with standard carbon black, polyethene, and sunflower oil samples. The cell with the cantilever microphone proved to have a 5-10 times higher signal-to-noise ratio than the reference detector, depending on the sample. Cantilever enhanced photoacoustics will be an effective tool for gas detection and analysis of solid- and liquid-phase samples. The preliminary prototypes gave good results in all three measurement schemes that were studied. According to simulations, there are possibilities for further enhancement of the sensitivity, as well as other properties, of each system.

Optical and microstructural properties of MgF2 UV coatings grown by ion beam sputtering process

The optical, mechanical, and microstructural properties of MgF2 single layers grown by ion beam sputtering have been investigated by spectrophotometric measurements, film stress characterization, x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), x-ray diffraction, and transmission electron microscopy. The deposition conditions, using fluorine reactive gas or not, have been found to greatly influence the optical absorption and the stress of the films as well as their microstructure. The layers grown with fluorine compensation exhibit a regular columnar microstructure and an UV-optical absorption which can be very low, either as deposited or after thermal annealings at very low temperatures. On the contrary, layers grown without fluorine compensation exhibit a less regular microstructure and a high ultraviolet absorption which is particularly hard to cure. On the basis of calculations, it is shown that F centers are responsible for this absorption, whereas all the films were found to be stoichiometric, in the limit of the XPS sensitivity. On the basis of external data taken from literature, our experimental curves are analyzed, so we propose possible diffusion mechanisms which could explain the behaviors of the coatings.

A monolithic glass chip for active single-cell sorting based on mechanical phenotyping

The mechanical properties of biological cells have long been considered as inherent markers of biological function and disease. However, the screening and active sorting of heterogeneous populations based on serial single-cell mechanical measurements has not been demonstrated. Here we present a novel monolithic glass chip for combined fluorescence detection and mechanical phenotyping using an optical stretcher. A new design and manufacturing process, involving the bonding of two asymmetrically etched glass plates, combines exact optical fiber alignment, low laser damage threshold and high imaging quality with the possibility of several microfluidic inlet and outlet channels. We show the utility of such a custombuilt optical stretcher glass chip by measuring and sorting single cells in a heterogeneous population based on their different mechanical properties and verify sorting accuracy by simultaneous fluorescence detection. This offers new possibilities of exact characterization and sorting of small populations based on rheological properties for biological and biomedical applications.

Critical aspects on the behavior of material from the mechanical tool-workpiece interaction in single point diamond turning

Some material aspects such as grain size, purity and anisotropy exert an important influence on surface quality, especially in single point diamond turning. The aim of this paper is to present and discuss some critical factors that can limit the accuracy of ultraprecision machining of non-ferrous metals and to identify the effects of them on the cutting mechanism with single point diamond tools. This will be carried out through observations of machined surfaces and chips produced using optical and scanning electron microscopy. Solutions to reduce the influence of some of these limiting factors related with the mechanism of generation of mirror-like surfaces will be discussed.

Developing correlative Optical-Photoacustic microscopy for high-resolution in vivo imaging

PhotoAcoustic Imaging (PAI) is a branch in clinical and pre-clinical imaging, that refers to the techniques mapping acoustic signals caused by the absorption of the short laser pulse. This conversion of electromagnetic energy of the light to the mechanical (acoustic) energy is usually called photoacoustic effect. PAI, by combining optical excitation with acoustical detection, is able to preserve the diffraction limited spatial resolution. At the same time, the penetration depth is extended beyond the diffusive limit. The Laser-Scanning PhotoAcoustic Microscope system (LS-PAM) has been developed, that offers the axial resolution of 7.75 µm with the lateral resolution better than 10 µm. The first in vivo imaging experiments were carried out. Thus, in vivo label-free imaging of the mouse ear was performed. The principle possibility to image vessels located in deep layers of the mouse skin was shown. As well as that, a gold printing sample, vasculature of the Chick Chorioallantoic Membrane Assay, Drosophila larvae were imaged by PAI. During the experimental work, a totally new application of PAM was found, in which the acoustic waves, generated by incident light can be used for further imaging of another sample. In order to enhance the performance of the presented system two main recommendation can be offered. First, the current system should be transformed into reflection-mode setup system. Second, a more powerful source of light with the sufficient repetition rate should be introduced into the system.

Domain/Multi-Domain Protection and Provisioning in Optical Networks

L’évolution récente des commutateurs de sélection de longueurs d’onde (WSS -Wavelength Selective Switch) favorise le développement du multiplexeur optique d’insertionextraction reconfigurable (ROADM - Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers) à plusieurs degrés sans orientation ni coloration, considéré comme un équipement fort prometteur pour les réseaux maillés du futur relativement au multiplexage en longueur d’onde (WDM -Wavelength Division Multiplexing ). Cependant, leur propriété de commutation asymétrique complique la question de l’acheminement et de l’attribution des longueur d’ondes (RWA - Routing andWavelength Assignment). Or la plupart des algorithmes de RWA existants ne tiennent pas compte de cette propriété d’asymétrie. L’interruption des services causée par des défauts d’équipements sur les chemins optiques (résultat provenant de la résolution du problème RWA) a pour conséquence la perte d’une grande quantité de données. Les recherches deviennent ainsi incontournables afin d’assurer la survie fonctionnelle des réseaux optiques, à savoir, le maintien des services, en particulier en cas de pannes d’équipement. La plupart des publications antérieures portaient particulièrement sur l’utilisation d’un système de protection permettant de garantir le reroutage du trafic en cas d’un défaut d’un lien. Cependant, la conception de la protection contre le défaut d’un lien ne s’avère pas toujours suffisante en termes de survie des réseaux WDM à partir de nombreux cas des autres types de pannes devenant courant de nos jours, tels que les bris d’équipements, les pannes de deux ou trois liens, etc. En outre, il y a des défis considérables pour protéger les grands réseaux optiques multidomaines composés de réseaux associés à un domaine simple, interconnectés par des liens interdomaines, où les détails topologiques internes d’un domaine ne sont généralement pas partagés à l’extérieur. La présente thèse a pour objectif de proposer des modèles d’optimisation de grande taille et des solutions aux problèmes mentionnés ci-dessus. Ces modèles-ci permettent de générer des solutions optimales ou quasi-optimales avec des écarts d’optimalité mathématiquement prouvée. Pour ce faire, nous avons recours à la technique de génération de colonnes afin de résoudre les problèmes inhérents à la programmation linéaire de grande envergure. Concernant la question de l’approvisionnement dans les réseaux optiques, nous proposons un nouveau modèle de programmation linéaire en nombres entiers (ILP - Integer Linear Programming) au problème RWA afin de maximiser le nombre de requêtes acceptées (GoS - Grade of Service). Le modèle résultant constitue celui de l’optimisation d’un ILP de grande taille, ce qui permet d’obtenir la solution exacte des instances RWA assez grandes, en supposant que tous les noeuds soient asymétriques et accompagnés d’une matrice de connectivité de commutation donnée. Ensuite, nous modifions le modèle et proposons une solution au problème RWA afin de trouver la meilleure matrice de commutation pour un nombre donné de ports et de connexions de commutation, tout en satisfaisant/maximisant la qualité d’écoulement du trafic GoS. Relativement à la protection des réseaux d’un domaine simple, nous proposons des solutions favorisant la protection contre les pannes multiples. En effet, nous développons la protection d’un réseau d’un domaine simple contre des pannes multiples, en utilisant les p-cycles de protection avec un chemin indépendant des pannes (FIPP - Failure Independent Path Protecting) et de la protection avec un chemin dépendant des pannes (FDPP - Failure Dependent Path-Protecting). Nous proposons ensuite une nouvelle formulation en termes de modèles de flots pour les p-cycles FDPP soumis à des pannes multiples. Le nouveau modèle soulève un problème de taille, qui a un nombre exponentiel de contraintes en raison de certaines contraintes d’élimination de sous-tour. Par conséquent, afin de résoudre efficacement ce problème, on examine : (i) une décomposition hiérarchique du problème auxiliaire dans le modèle de décomposition, (ii) des heuristiques pour gérer efficacement le grand nombre de contraintes. À propos de la protection dans les réseaux multidomaines, nous proposons des systèmes de protection contre les pannes d’un lien. Tout d’abord, un modèle d’optimisation est proposé pour un système de protection centralisée, en supposant que la gestion du réseau soit au courant de tous les détails des topologies physiques des domaines. Nous proposons ensuite un modèle distribué de l’optimisation de la protection dans les réseaux optiques multidomaines, une formulation beaucoup plus réaliste car elle est basée sur l’hypothèse d’une gestion de réseau distribué. Ensuite, nous ajoutons une bande pasiv sante partagée afin de réduire le coût de la protection. Plus précisément, la bande passante de chaque lien intra-domaine est partagée entre les p-cycles FIPP et les p-cycles dans une première étude, puis entre les chemins pour lien/chemin de protection dans une deuxième étude. Enfin, nous recommandons des stratégies parallèles aux solutions de grands réseaux optiques multidomaines. Les résultats de l’étude permettent d’élaborer une conception efficace d’un système de protection pour un très large réseau multidomaine (45 domaines), le plus large examiné dans la littérature, avec un système à la fois centralisé et distribué.

Ultrasonic measurement of the elastic constants of selected nonlinear optical /semiorganic crystals with orthorhombic symmetry

Ultrasonic is a good tool to investigate the elastic properties of crystals. It enables one to determine all the elastic constants, Poisson’s ratios, volume compressibility and bulk modulus of crystals from velocity measurements. It also enables one to demonstrate the anisotropy of elastic properties by plotting sections of the surfaces of phase velocity, slowness, group velocity, Young’s modulus and linear compressibility along the a-b, b-c and a-c planes. They also help one to understand more about phonon amplification and help to interpret various phenomena associated with ultrasonic wave propagation, thermal conductivity, phonon transport etc. Study of nonlinear optical crystals is very important from an application point of view. Hundreds of new NLO materials are synthesized to meet the requirements for various applications. Inorganic, organic and organometallic or semiorganic classes of compounds have been studied for several reasons. Semiorganic compounds have some advantages over their inorganic and inorganic counterparts with regard to their mechanical properties. High damage resistance, high melting point, good transparency and non-hygroscopy are some of the basic requirements for a material to be suitable for device fabrication. New NLO materials are being synthesized and investigation of the mechanical and elastic properties of these crystals is very important to test the suitability of these materials for technological applications

Fabrication and characterisation of polymer optical fibers for smart sensing and optical amplification

The thesis presented the fabrication and characterisation of polymer optical fibers in their applications as optical amplifier and smart sensors.Optical polymers such as PMMA are found to be a very good host material due to their ability to incorporate very high concentration of optical gain media like fluorescent dyes and rare earth compounds. High power and high gain optical amplification in organic dye-doped polymer optical fibers is possible due to extremely large emission cross sections of oyes. Dye doped (Rhodamine 6G) optical fibers were fabricated by using indigenously developed polymer optical fiber drawing tower. Loss characterization of drawn dye doped fibers was carried out using side illumination technique. The advantage of the above technique is that it is a nondestructive method and can also be used for studying the uniformity in fiber diameter and doping. Sensitivity of the undoped polymer fibers to temperature and microbending were also studied in its application in smart sensors.Optical amplification studies using the dye doped polymer optical fibers were carried out and found that an amplification of l8dB could be achieved using a very short fiber of length lOcm. Studies were carried out in fibers with different dye concentrations and diameter and it was observed that gain stability was achieved at relatively high dye concentrations irrespective of the fiber diameter.Due to their large diameter, large numerical aperture, flexibility and geometrical versatility of polymer optical fibers it has a wide range of applications in the field of optical sensing. Just as in the case of conventional silica based fiber optic sensors, sensing techniques like evanescent wave, grating and other intensity modulation schemes can also be efficiently utilized in the case of POF based sensors. Since polymer optical fibers have very low Young's modulus when compared to glass fibers, it can be utilized for sensing mechanical stress and strain efficiently in comparison with its counterpart. Fiber optic sensors have proved themselves as efficient and reliable devices to sense various parameters like aging, crack formation, weathering in civil structures. A similar type of study was carried out to find the setting characteristics of cement paste used for constructing civil structures. It was found that the measurements made by using fiber optic sensors are far more superior than that carried out by conventional methods. More over,POF based sensors were found to have more sensitivity as well.

On structural, optical and dielectric properties of zinc aluminate nanoparticles

Zinc aluminate nanoparticles with average particle size of 40 nm were synthesized using a sol–gel combustion method. X-ray diffractometry result was analysed by Rietveld refinement method to establish the phase purity of the material. Different stages of phase formation of the material during the synthesis were investigated using differential scanning calorimetry and differential thermogravimetric analysis. Particle size was determined with transmission electron microscopy and the optical bandgap of the nanoparticles was determined by absorption spectroscopy in the ultraviolet-visible range. Dielectric permittivity and a.c. conductivity of the material were measured for frequencies from 100 kHz to 8 MHz in the temperature range of 30–120◦C. The presence of Maxwell– Wagner type interfacial polarization was found to exist in the material and hopping of electron by means of quantum mechanical tunneling is attributed as the reason for the observed a.c. conductivity

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.

MEMS-based Tunable Optical Filter Arrays for Nano-Spectrometer in the Visible Spectral Range

Optische Spektrometer sind bekannte Instrumente für viele Anwendungen in Life Sciences, Produktion und Technik aufgrund ihrer guten Selektivität und Sensitivität zusammen mit ihren berührungslosen Messverfahren. MEMS (engl. Micro-electro-mechanical system)-basierten Spektrometer werden als disruptive Technologie betrachtet, in der miniaturisierte Fabry-Pérot Filter als sehr attraktiv für die optische Kommunikation und 'Smart Personal Environments', einschließlich des medizinischen Anwendungen, zu nennen sind. Das Ziel dieser Arbeit ist, durchstimmbare Filter-Arrays mit kostengünstigen Technologien herzustellen. Materialien und technologische Prozesse, die für die Herstellung der Filter-Arrays benötigt werden, wurden untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit, wurden durchstimmbare Fabry Pérot Filter-Arrays für den sichtbaren Spektralbereich untersucht, die als Nano-Spektrometer eingesetzt werden. Darüber hinaus wurde ein Modell der numerischen Simulation vorgestellt, die zur Ermittlung eines optimales geometrisches Designs verwendet wurde, wobei sich das Hauptaugenmerk der Untersuchung auf die Durchbiegung der Filtermembranen aufgrund der mechanischen Verspannung der Schichten richtet. Die geometrische Form und Größe der Filtermembranen zusammen mit der Verbindungsbrücken sind von entscheidender Bedeutung, da sie die Durchbiegung beeinflussen. Lange und schmale Verbindungsbrücken führen zur stärkeren Durchbiegung der Filtermembranen. Dieser Effekt wurde auch bei der Vergrößerung der Durchmesser der Membran beobachtet. Die Filter mit spiralige (engl. curl-bent) Verbindungsbrücken führten zu geringerer Deformation als die mit geraden oder gebogenen Verbindungsbrücken. Durchstimmbare Si3N4/SiO2 DBR-basierende Filter-Arrays wurden erfolgreich hergestellt. Eine Untersuchung über die UV-NIL Polymere, die als Opferschicht und Haltepfosten-Material der Filter verwendet wurden, wurde durchgeführt. Die Polymere sind kompatibel zu dem PECVD-Verfahren, das für die Spiegel-Herstellung verwendet wird. Die laterale Strukturierung der DBR-Spiegel mittels des RIE (engl. Reactive Ion Etching)-Prozesses sowie der Unterätz-Prozess im Sauerstoffplasma zur Entfernung der Opferschicht und zum Erreichen der Luftspalt-Kavität, wurden durchgeführt. Durchstimmbare Filter-Arrays zeigten einen Abstimmbereich von 70 nm bei angelegten Spannungen von weniger als 20 V. Optimierungen bei der Strukturierung von TiO2/SiO2 DBR-basierenden Filtern konnte erzielt werden. Mit der CCP (engl. Capacitively Coupling Plasma)-RIE, wurde eine Ätzrate von 20 nm/min erreicht, wobei Fotolack als Ätzmaske diente. Mit der ICP (engl. Inductively Coupling Plasma)-RIE, wurden die Ätzrate von mehr als 60 nm/min mit einem Verhältniss der Ar/SF6 Gasflüssen von 10/10 sccm und Fotolack als Ätzmasken erzielt. Eine Ätzrate von 80 bis 90 nm/min wurde erreicht, hier diente ITO als Ätzmaske. Ausgezeichnete geätzte Profile wurden durch den Ätzprozess unter Verwendung von 500 W ICP/300 W RF-Leistung und Ar/SF6 Gasflüsse von 20/10 sccm erreicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die Realisierung eines breiten Spektralbereichs der Filter-Arrays im Nano-Spektrometer.