Microwave Characterisation of BaCe2Ti5O15 and Ba5Nb4O15 Ceramic Dielectric Resonators Using Whispering Gallery Mode Method

A microwave dielectric ceramic resonator based on BaCe2Ti5O15 and Ba5Nb4O15 have been prepared by conventional solid state ceramic route. The dielectric resonators (DRs) have high dielectric constant 32 and 40 for BaCe2Ti5O15 and Ba5Nb4O15, respectively. The whispering gallery mode (WGM) technique was employed for the accurate determination of the dielectric properties in the microwave frequency range. The BaCe2Ti5O15 and Ba5Nb4O15 have quality factors (Q X F) of 30,600 and 53,000 respectively. The quality factor is found to depend on the azimuthal mode numbers. The temperature coefficient of resonant frequency (Tr) of BaCe2Ti5O15 and Ba5Nb4O15 have been measured accurately using different resonant modes and are + 41 and + 78 ppm/K, respectively

Analysis of Cavity Backed Printed Dipoles

The closed form expression for the radiated power of a half-wave microstrip patch is modified to calculate the impedance bandwidth of a printed dipole. Analyses of cavity backed flared and end-loaded printed dipoles are presented

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.

Quantum dynamics of crystals of molecular nanomagnets inside a resonant cavity

It is found that crystals of molecular nanomagnets exhibit enhanced magnetic relaxation when placed inside a resonant cavity. A strong dependence of the magnetization curve on the geometry of the cavity has been observed, providing indirect evidence of the coherent microwave radiation by the crystals. A similar dependence has been found for a crystal placed between the Fabry-Perot superconducting mirrors.

Chipless RFID Tag Using Multiple Microstrip Open Stub Resonators

A novel compact RFID tag employing open stubs in a microstrip transmission line is proposed. The prototype of the tag is fabricated on a substrate of dielectric constant 4.4 and loss tangent 0.0018. The tag consists of microstrip open stub resonators and cross polarized transmitting and receiving disc monopole antennas. A prototype of 8 bit data encoded tag is demonstrated in this communication. Method for enhancing the performance of the RFID tag is also proposed. Magnitude or group delay response can be used to decode the tag informations

Frequency Coded Chipless RFID Tag using Spurline Resonators

A novel compact chipless RFID tag using spurline resonators is discussed in this paper. The detection of the tag's ID is using the spectral signature of a spurline resonator circuit. The tag has a data capacity of 8-bits in the range 2.38 to 4.04 GHz. The tag consists of a spurline multiresonating circuit and two cross polarized antennas. The prototype of the tag is fabricated on a substrate CMET/ LK4.3 of dielectric constant 4.3 and loss tangent 0.0018. The measured results show that group delay response can also be used to decode the tag’s identity

High Selectivity Filter Employing Stepped Impedance Resonators, Series Capacitors and Defected Ground Structures for Ultra Wide Band Applications

The paper presents a compact planar Ultra Wide Band ¯lter employing folded stepped impedance resonators with series capacitors and dumb bell shaped defected ground structures. An interdigital quarter wavelength coupled line is used for achieving the band pass characteristics. The transmission zeros are produced by stepped impedance resonators. The ¯lter has steep roll o® rate and good attenuation in its lower and upper stop bands, contributed by the series capacitor and defected ground structures respectively.

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.

Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

Scattering and absorption by acoustic resonators

by Karl Uno Ingard.

Nitrogen fertilizer and seed rate effects on Hagberg failing number of hybrid wheats and their parents are associated with alpha-amylase activity, grain cavity size and dormancy

Field experiments were carried out to assess the effects of nitrogen fertilization and seed rate on the Hagberg falling number (HFN) of commercial wheat hybrids and their parents. Applying nitrogen (200 kg N ha(-1)) increased HFN in two successive years. The HFN of the hybrid Hyno Esta was lower than either of its parents (Estica and Audace), particularly when nitrogen was not applied. Treatment effects on HFN were negatively associated with a-amylase activity. Phadebas grain blotting suggested two populations of grains with different types of a-amylase activity: Estica appeared to have a high proportion of grains with low levels of late maturity endosperm a-amylase activity (LMEA); Audace had a few grains showing high levels of germination amylase; and the hybrid, Hyno Esta, combined the sources from both parents to show heterosis for a-amylase activity. Applying nitrogen reduced both apparent LMEA and germination amylase. The effects on LMEA were associated with the size and disruption of the grain cavity, which was greater in Hyno Esta and Estica and in zero-nitrogen treatments. External grain morphology failed to explain much of the variation in LMEA and cavity size, but there was a close negative correlation between cavity size and protein content. Applying nitrogen increased post-harvest dormancy of the grain. Dormancy was greatest in Estica and least in Audace. It is proposed that effects of seed rate, genotype and nitrogen fertilizer on HFN are mediated through factors affecting the size and disruption of the grain cavity and therefore LMEA, and through factors affecting dormancy and therefore germination amylase. (c) 2004 Society of Chemical Industry.

Cavity-enhanced absorption: detection of nitrogen dioxide and iodine monoxide using a violet laser diode

We present an application of cavity-enhanced absorption spectroscopy with an off-axis alignment of the cavity formed by two spherical mirrors and with time integration of the cavity-output intensity for detection of nitrogen dioxide (NO2) and iodine monoxide (IO) radicals using a violet laser diode at lambda = 404.278 nm. A noise-equivalent (1sigma = root-mean-square variation of the signal) fractional absorption for one optical pass of 4.5x10(-8) was demonstrated with a mirror reflectivity of similar to0.99925, a cavity length of 0.22 m and a lock-in-amplifier time constant of 3 s. Noise-equivalent detection sensitivities towards nitrogen dioxide of 1.8x10(10) molecule cm(-3) and towards the IO radical of 3.3x10(9) molecule cm(-3) were achieved in flow tubes with an inner diameter of 4 cm for a lock-in-amplifier time constant of 3 s. Alkyl peroxy radicals were detected using chemical titration with excess nitric oxide (RO2 + NO --> RO + NO2). Measurement of oxygen-atom concentrations was accomplished by determining the depletion of NO2 in the reaction NO2 + O --> NO + O-2. Noise-equivalent concentrations of alkyl peroxy radicals and oxygen atoms were 3x10(10) molecule cm(-3) in the discharge-flow-tube experiments.