Fabrication and Characterization of Efficient Optical Filter Arrays Implemented by 3D Nanoimprint

In dieser Arbeit werden optische Filterarrays für hochqualitative spektroskopische Anwendungen im sichtbaren (VIS) Wellenlängenbereich untersucht. Die optischen Filter, bestehend aus Fabry-Pérot (FP)-Filtern für hochauflösende miniaturisierte optische Nanospektrometer, basieren auf zwei hochreflektierenden dielektrischen Spiegeln und einer zwischenliegenden Resonanzkavität aus Polymer. Jeder Filter erlaubt einem schmalbandigem spektralen Band (in dieser Arbeit Filterlinie genannt) ,abhängig von der Höhe der Resonanzkavität, zu passieren. Die Effizienz eines solchen optischen Filters hängt von der präzisen Herstellung der hochselektiven multispektralen Filterfelder von FP-Filtern mittels kostengünstigen und hochdurchsatz Methoden ab. Die Herstellung der multiplen Spektralfilter über den gesamten sichtbaren Bereich wird durch einen einzelnen Prägeschritt durch die 3D Nanoimprint-Technologie mit sehr hoher vertikaler Auflösung auf einem Substrat erreicht. Der Schlüssel für diese Prozessintegration ist die Herstellung von 3D Nanoimprint-Stempeln mit den gewünschten Feldern von Filterkavitäten. Die spektrale Sensitivität von diesen effizienten optischen Filtern hängt von der Genauigkeit der vertikalen variierenden Kavitäten ab, die durch eine großflächige ‚weiche„ Nanoimprint-Technologie, UV oberflächenkonforme Imprint Lithographie (UV-SCIL), ab. Die Hauptprobleme von UV-basierten SCIL-Prozessen, wie eine nichtuniforme Restschichtdicke und Schrumpfung des Polymers ergeben Grenzen in der potenziellen Anwendung dieser Technologie. Es ist sehr wichtig, dass die Restschichtdicke gering und uniform ist, damit die kritischen Dimensionen des funktionellen 3D Musters während des Plasmaätzens zur Entfernung der Restschichtdicke kontrolliert werden kann. Im Fall des Nanospektrometers variieren die Kavitäten zwischen den benachbarten FP-Filtern vertikal sodass sich das Volumen von jedem einzelnen Filter verändert , was zu einer Höhenänderung der Restschichtdicke unter jedem Filter führt. Das volumetrische Schrumpfen, das durch den Polymerisationsprozess hervorgerufen wird, beeinträchtigt die Größe und Dimension der gestempelten Polymerkavitäten. Das Verhalten des großflächigen UV-SCIL Prozesses wird durch die Verwendung von einem Design mit ausgeglichenen Volumen verbessert und die Prozessbedingungen werden optimiert. Das Stempeldesign mit ausgeglichen Volumen verteilt 64 vertikal variierenden Filterkavitäten in Einheiten von 4 Kavitäten, die ein gemeinsames Durchschnittsvolumen haben. Durch die Benutzung der ausgeglichenen Volumen werden einheitliche Restschichtdicken (110 nm) über alle Filterhöhen erhalten. Die quantitative Analyse der Polymerschrumpfung wird in iii lateraler und vertikaler Richtung der FP-Filter untersucht. Das Schrumpfen in vertikaler Richtung hat den größten Einfluss auf die spektrale Antwort der Filter und wird durch die Änderung der Belichtungszeit von 12% auf 4% reduziert. FP Filter die mittels des Volumengemittelten Stempels und des optimierten Imprintprozesses hergestellt wurden, zeigen eine hohe Qualität der spektralen Antwort mit linearer Abhängigkeit zwischen den Kavitätshöhen und der spektralen Position der zugehörigen Filterlinien.

Modulateurs intégrés sur silicium pour la transmission de signaux à modulation d'amplitude multi-niveau

Au cours des dernières années, la photonique intégrée sur silicium a progressé rapidement. Les modulateurs issus de cette technologie présentent des caractéristiques potentiellement intéressantes pour les systèmes de communication à courte portée. En effet, il est prévu que ces modulateurs pourront être opérés à des vitesses de transmission élevées, tout en limitant le coût de fabrication et la consommation de puissance. Parallèlement, la modulation d’amplitude multi-niveau (PAM) est prometteuse pour ce type de systèmes. Ainsi, ce travail porte sur le développement de modulateurs de silicium pour la transmission de signaux PAM. Dans le premier chapitre, les concepts théoriques nécessaires à la conception de modulateurs de silicium sont présentés. Les modulateurs Mach-Zehnder et les modulateurs à base de réseau de Bragg sont principalement abordés. De plus, les effets électro-optiques dans le silicium, la modulation PAM, les différents types d’électrodes intégrées et la compensation des distorsions par traitement du signal sont détaillés.Dans le deuxième chapitre, un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées est présenté. La segmentation des électrodes permet la génération de signaux optiques PAM à partir de séquences binaires. Cette approche permet d’éliminer l’utilisation de convertisseur numérique-analogique en intégrant cette fonction dans le domaine optique, ce qui vise à réduire le coût du système de communication. Ce chapitre contient la description détaillée du modulateur, les résultats de caractérisation optique et de la caractérisation électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, les tests systèmes incluent l’utilisation de pré-compensation ou de post-compensation du signal sous la forme d’égalisation de la réponse en fréquence pour les formats de modulation PAM-4 et PAM-8 à différents taux binaires. Une vitesse de transmission de 30 Gb/s est démontrée dans les deux cas et ce malgré une limitation importante de la réponse en fréquence suite à l’ajout d’un assemblage des circuits radiofréquences (largeur de bande 3 dB de 8 GHz). Il s’agit de la première démonstration de modulation PAM-8 à l’aide d’un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées. Finalement, les conclusions tirées de ce travail ont mené à la conception d’un deuxième modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées présentement en phase de test, dont les performances montrent un très grand potentiel. Dans le troisième chapitre, un modulateur à réseau de Bragg à deux sauts de phase est présenté. L’utilisation de réseaux de Bragg est une approche encore peu développée pour la modulation. En effet, la réponse spectrale de ces structures peut être contrôlée précisément, une caractéristique intéressante pour la conception de modulateurs. Dans ces travaux, nous proposons l’ajout de deux sauts de phase à un réseau de Bragg uniforme pour obtenir un pic de transmission dans la bande de réflexion de celui-ci. Ainsi, il est possible d’altérer l’amplitude du pic de transmission à l’aide d’une jonction pn. Comme pour le deuxième chapitre, ce chapitre inclut la description détaillée du modulateur, les résultats des caractérisations optique et électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, la caractérisation de jonctions pn à l’aide du modulateur à réseau de Bragg est expliquée. Des vitesses de transmission PAM-4 de 60 Gb/s et OOK de 55 Gb/s sont démontrées après la compensation des distorsions des signaux. À notre connaissance, il s’agit du modulateur à réseau de Bragg le plus rapide à ce jour. De plus, pour la première fois, les performances d’un tel modulateur s’approchent de celles des modulateurs de silicium les plus rapides utilisant des microrésonateurs en anneau ou des interféromètres Mach-Zehnder.

Modulateur à réseau de Bragg intégré sur silicium pour les télécommunications dans les centres de données et leurs applications

Récemment, beaucoup d’efforts ont été investis afin de développer des modulateurs sur silicium pour les télécommunications optiques et leurs domaines d’applications. Ces modulateurs sont utiles pour les centres de données à courte portée et à haut débit. Ainsi, ce travail porte sur la caractérisation de deux types de modulateurs à réseau de Bragg intégré sur silicium comportant une jonction PN entrelacée dont le but est de réaliser une modulation de la longueur d’onde de Bragg par le biais de l’application d’un tension de polarisation inverse réalisant une déplétion des porteurs au sein du guide d’onde. Pour le premier modulateur à réseau de Bragg, la période de la jonction PN est différente de celle du réseau de Bragg tandis que le deuxième modulateur à réseau de Bragg a la période de sa jonction PN en accord avec celle du réseau de Bragg. Ces différences apporteront un comportement différent du modulateur impliquant donc une transmission de données de qualité différente et c’est ce que nous cherchons à caractériser. L’avantage de ce modulateur à réseau de Bragg est qu’il est relativement simple à designer et possède un réseau de Bragg uniforme dont on connaît déjà très bien les caractéristiques. La première étape dans la caractérisation de ces modulateurs fut de réaliser des mesures optiques, uniquement, afin de constater la réponse spectrale en réflexion et en transmission. Par la suite, nous sommes passé par l’approche usuelle, c’est à dire en réalisant des mesures DC sur les modulateurs. Ce mémoire montre également les résultats pratiques sur le comportement des électrodes et de la jonction PN. Mais il rend compte également des résultats de la transmission de données de ces modulateurs par l’utilisation d’une modulation OOK et PAM-4 et permet de mettre en évidence les différences en terme d’efficacité de modulation de ces deux modulateurs. Nous discutons alors de la pertinence de ce choix de design par rapport à ce que l’on peut trouver actuellement dans la littérature.

Libs in cultural heritage: recognition and identification of objects in an underwater archaeological shipwreck

Nowadays, one of the most important areas of interest in archeology is the characterization of the submersed cultural heritage. Mediterranean Sea is rich in archaeological findings due to storms, accidents and naval battles since prehistoric times. Chemical analysis of submerged materials is an extremely valuable source of information on the origin and precedence of the wrecks, and also the raw materials employed during the manufacturing of the objects found in these sites. Nevertheless, sometimes it is not possible to extract the archaeological material from the marine environment due to size of the sample, the legislation or preservation purposes. In these cases, the in-situ analysis turns into the only alternative for obtaining information. In spite of this demand, no analytical techniques are available for the in-situ chemical characterization of underwater materials. The versatility of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) has been successfully tested in oceanography 1. Advantages such as rapid and in situ analysis with no sample preparation make LIBS a suitable alternative for field measurements. To further exploit the inherent advantages of the technology, a mobile fiber-based LIBS platform capable of performing remote measurements up to 50 meters range has been designed for the recognition and identification of artworks in underwater archaeological shipwrecks. The LIBS prototype featured both single-pulse (SP-LIBS) and multi-pulse excitation (MP-LIBS) 2. The use of multi-pulse excitation allowed an increased laser beam energy (up to 95 mJ) transmitted through the optical fiber. This excitation mode results in an improved performance of the equipment in terms of extended range of analysis (to a depth of 50 m) and a broader variety of samples to be analyzed (i.e., rocks, marble, ceramics and concrete). In the present work, the design and construction considerations of the instrument are reported and its performance is discussed on the basis of the spectral response, the remote irradiance achieved upon the range of analysis and its influence on plasma properties, as well as the effect of the laser pulse duration and purge gas to the LIBS signal. Also, to check the reliability and reproducibility of the instrument for field analysis several robustness tests were performed outside the lab. Finally, the capability of this instrument was successfully demonstrated in an underwater archaeological shipwreck (San Pedro de Alcántara, Malaga).

The optical design of a far infrared imaging FTS for SPICA

This paper describes the optical design of the far infrared imaging spectrometer for the JAXA's SPICA mission. The SAFARI instrument, is a cryogenic imaging Fourier transform spectrometer (iFTS), designed to perform backgroundlimited spectroscopic and photometric imaging in the band 34-210 μm. The all-reflective optical system is highly modular and consists of three main modules; input optics module, interferometer module (FTS) and camera bay optics. A special study has been dedicated to the spectroscopic performance of the instrument, in which the spectral response and interference of the instrument have been modeled, as the FTS mechanism scans over the total desired OPD range.

Impact of controlled changes in grain size and pore space characteristics on the hydraulic conductivity and spectral induced polarization response of "proxies" of saturated alluvial sediments

Understanding the influence of pore space characteristics on the hydraulic conductivity and spectral induced polarization (SIP) response is critical for establishing relationships between the electrical and hydrological properties of surficial unconsolidated sedimentary deposits, which host the bulk of the world's readily accessible groundwater resources. Here, we present the results of laboratory SIP measurements on industrial-grade, saturated quartz samples with granulometric characteristics ranging from fine sand to fine gravel, which can be regarded as proxies for widespread alluvial deposits. We altered the pore space characteristics by changing (i) the grain size spectra, (ii) the degree of compaction, and (iii) the level of sorting. We then examined how these changes affect the SIP response, the hydraulic conductivity, and the specific surface area of the considered samples. In general, the results indicate a clear connection between the SIP response and the granulometric as well as pore space characteristics. In particular, we observe a systematic correlation between the hydraulic conductivity and the relaxation time of the Cole-Cole model describing the observed SIP effect for the entire range of considered grain sizes. The results do, however, also indicate that the detailed nature of these relations depends strongly on variations in the pore space characteristics, such as, for example, the degree of compaction. The results of this study underline the complexity of the origin of the SIP signal as well as the difficulty to relate it to a single structural factor of a studied sample, and hence raise some fundamental questions with regard to the practical use of SIP measurements as site- and/or sample-independent predictors of the hydraulic conductivity.

Modification of spectral characteristics and optogalvanic response in neon hollow cathode under laser excitation

The changes in emission characteristics of a neon hollow cathode discharge by resonant laser excitation of 1s 5→2p 2 and 1s 5→2p 4 transition have been studied by simultaneously monitoring the optogalvanic effect and the laser induced fluorescence. It has been observed that resonant excitation causes substantial variation in the relative intensities of lines in the emission spectrum of neon discharge.

Sub-bandgap spectral photo-response analysis of Ti supersaturated Si

We have analyzed the increase of the sheet conductance (ΔG□) under spectral illumination in high dose Ti implanted Si samples subsequently processed by pulsed-laser melting. Samples with Ti concentration clearly above the insulator-metal transition limit show a remarkably high ΔG□, even higher than that measured in a silicon reference sample. This increase in the ΔG□ magnitude is contrary to the classic understanding of recombination centers action and supports the lifetime recovery predicted for concentrations of deep levels above the insulator-metal transition.

Directional spectral wave generator basin response to monochromatic waves /

"This report is a product of the Laboratory Simulation of Spectral and Directional Spectral Waves Work Unit, Coastal Flooding and Storm Protection Program, Civil Works Research and Development, at the US Army Engineer Waterways Experiment Station's Coastal Engineering Research Center."--Preface.

Transverse momentum and centrality dependence of dihadron correlations in Au plus Au collisions at root s(NN)=200 GeV: Jet quenching and the response of partonic matter

Azimuthal angle (Delta phi) correlations are presented for charged hadrons from dijets for 0.4 < p(T)< 10 GeV/c in Au+Au collisions at root s(NN)=200 GeV. With increasing p(T), the away-side distribution evolves from a broad and relatively flat shape to a concave shape, then to a convex shape. Comparisons to p+p data suggest that the away-side can be divided into a partially suppressed ""head"" region centered at Delta phi similar to pi and an enhanced ""shoulder"" region centered at Delta phi similar to pi +/- 1.1. The p(T) spectrum for the head region softens toward central collisions, consistent with the onset of jet quenching. The spectral slope for the shoulder region is independent of centrality and trigger p(T), which offers constraints on energy transport mechanisms and suggests that it contains the medium response to energetic jets.

Spectral characteristics of atrial electrograms in sinus rhythm correlates with sites of ganglionated plexuses in patients with paroxysmal atrial fibrillation

Aims To verify whether spectral components of atrial electrograms (AE) during sinus rhythm (SR) correlate with cardiac ganglionated plexus (GP) sites. Methods and results Thirteen patients undergoing atrial fibrillation (AF) ablation were prospectively enrolled. Prior to radio frequency application, endocardial AE were recorded with a sequential point-by-point approach. Electrical stimuli were delivered at 20 Hz, amplitude 100 V, and pulse width of 4 ms. A vagal response was defined as a high-frequency stimulation (HFS) evoked atrioventricular block or a prolongation of RR interval. Spectral analysis was performed on single AE during SR, sampling rate of 1000 Hz, Hanning window. Overall, 1488 SR electrograms were analysed from 186 different left atrium sites, 129 of them corresponding to negative vagal response sites, and 57 to positive response sites. The electrogram duration and the number of deflections were similar in positive and negative response sites. Spectral power density of sites with vagal response was lower between 26 and 83 Hz and higher between 107 and 200 Hz compared with negative response sites. The area between 120 and 170 Hz normalized to the total spectrum area was tested as a diagnostic parameter. Receiver operating characteristic curve analysis demonstrated that an area120-170/area(total) value >0.14 identified vagal sites with 70.9% sensitivity and 72.1% specificity. Conclusion Spectral analysis of AE during SR in sites that correspond to the anatomical location of the GP is feasible and may be a simpler method of mapping the cardiac autonomic nervous system, compared with the HFS technique.

Heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A3, a novel RNA trafficking response element-binding protein

The cis-acting response element, A2RE, which is sufficient for cytoplasmic mRNA trafficking in oligodendrocytes, binds a small group of rat brain proteins. Predominant among these is heterogeneous nuclear ribonucleoprotein (hnRNP) A2, a trans-acting factor for cytoplasmic trafficking of RNAs bearing A2RE-like sequences. We have now identified the other A2RE-binding proteins as hnRNP A1/A1(B), hnRNP B1, and four isoforms of hnRNP A3. The rat and human hnRNP A3 cDNAs have been sequenced, revealing the existence of alternatively spliced mRNAs. In Western blotting, 38-, 39-, 41 -, and 41.5-kDa components were all recognized by antibodies against a peptide in the glycine-rich region of hnRNP A3, but only the 41- and 41.5-kDa bands bound antibodies to a 15-residue N-terminal peptide encoded by an alternatively spliced part of exon 1. The identities of these four proteins were verified by Edman sequencing and mass spectral analysis of tryptic fragments generated from electrophoretically separated bands. Sequence-specific binding of bacterially expressed hnRNP A3 to A2RE has been demonstrated by biosensor and UV cross-linking electrophoretic mobility shift assays. Mutational analysis and confocal microscopy data support the hypothesis that the hnRNP A3 isoforms have a role in cytoplasmic trafficking of RNA.

Enhanced short wavelength response in laser-scanned-photodiode image sensor using an a-SiC : H/a-Si : H tandem structure

We report in this paper the recent advances we obtained in optimizing a color image sensor based on the laser-scanned-photodiode (LSP) technique. A novel device structure based on a a-SiC:H/a-Si:H pin/pin tandem structure has been tested for a proper color separation process that takes advantage on the different filtering properties due to the different light penetration depth at different wavelengths a-SM and a-SiC:H. While the green and the red images give, in comparison with previous tested structures, a weak response, this structure shows a very good recognition of blue color under reverse bias, leaving a good margin for future device optimization in order to achieve a complete and satisfactory RGB image mapping. Experimental results about the spectral collection efficiency are presented and discussed from the point of view of the color sensor applications. The physics behind the device functioning is explained by recurring to a numerical simulation of the internal electrical configuration of the device.

Characterisation of neutron spectra in mixed high energy fields in lineal accelerators: response functions validation

Actualment, la resposta de la majoria d’instrumentació operacional i dels dosímetres personals utilitzats en radioprotecció per a la dosimetria neutrònica és altament dependent de l’energia dels espectres neutrònics a analitzar, especialment amb camps neutrònics amb una important component intermitja. En conseqüència, la interpretació de les lectures d’aquests aparells es complicada si no es té un coneixement previ de la distribució espectral de la fluència neutrònica en els punts d’interès. El Grup de Física de les Radiacions de la Universitat Autònoma de Barcelona (GFR-UAB) ha desenvolupat en els últims anys un espectròmetre de neutrons basat en un Sistema d’Esferes Bonner (BSS) amb un contador proporcional d’3He com a detector actiu. Els principals avantatges dels espectròmetres de neutrons per BSS són: la seva resposta isotròpica, la possibilitat de discriminar la component neutrònica de la gamma en camps mixtos, i la seva alta sensibilitat neutrònica als nivells de dosi analitzats. Amb aquestes característiques, els espectròmetres neutrònics per BSS compleixen amb els estándards de les últimes recomanacions de la ICRP i poden ser utilitzats també en el camp de la dosimetria neutrònica per a la mesura de dosis en el rang d’energia que va dels tèrmics fins als 20 MeV, en nou ordres de magnitud. En el marc de la col•laboració entre el GFR - UAB i el Laboratorio Nazionale di Frascati – Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (LNF-INFN), ha tingut lloc una experiència comparativa d’espectrometria per BSS amb els feixos quasi monoenergètics de 2.5 MeV i 14 MeV del Fast Neutron Generator de l’ENEA. En l’exercici s’ha determinat l’espectre neutrònic a diferents distàncies del blanc de l’accelerador, aprofitant el codi FRUIT recentment desenvolupat pel grup LNF. Els resultats obtinguts mostren una bona coherència entre els dos espectròmetres i les dades mesurades i simulades.

Hepatitis c virus infection induces pro- and antiapoptotic cell response: who is the winner?

Introduction: Apoptosis plays a central role in chronic hepatitis C virus (HCV) infection. Although the activation of cell death signals has been reported, HCV infection persists in most patients suggesting a pro-survival adaptation, eventually developing hepatocellular carcinoma. This study focused on the role of mitochondria in the activation of pro- and antiapoptotic response in cells expressing HCV proteins. Materials and Methods: Human Osteosarcoma U2-OS cells inducibly expressing the HCV polyprotein; huh7.5 hepatoma cells transfected with full length HCV genome. Results: Long term induction of viral proteins in U2-OS cells induced a cyclosporine A-sensitive cytochrome c partial release from mitochondria, revealed by immunofluorescence, western blot and spectral analysis. In HCV-transfected Huh7.5 cells, release of the apoptosis inducing factor (AIF) with no apparent nuclear translocation was also observed. HCV positive cells displayed an HIF-dependent enhanced glycolysis, charachterized by up-regulation of the mitochondria-bound Hexokinase II (HKII); preliminary data on signal transduction pathway revealed the iperphosphorylation of Glycogen synthase kinase 3b(GSK3b). Conclusion: HCV causes a cell stress activating an early apoptotic response, the entity of which likely depends on the cell type. Nevertheless a wide series of cell survival mechanisms are also triggered resulting in a metabolic adaptation possibly favouring carcinogenesis. Based on our results, we propose a pro-survival mechanism linking HCV infection to inhibition of GSK-3b, stabilization of HIF1a and up-regulation of HKII, the last events causing a glycolytic shift and protecting from apoptosis.