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.

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.

Fermentation of heated gluten systems by gut microflora

The Maillard reaction causes changes to protein structure and occurs in foods mainly during thermal treatment. Melanoidins, the final products of the Maillard reaction, may enter the gastrointestinal tract, which is populated by different species of bacteria. In this study, melanoidins were prepared from gluten and glucose. Their effect on the growth of faecal bacteria was determined in culture with genotype and phenotype probes to identify the different species involved. Analysis of peptic and tryptic digests showed that low molecular mass products are formed from the degradation of melanoidins. Results showed a change in the growth of bacteria. This in vitro study demonstrated that melanoidins, prepared from gluten and glucose, affect the growth of the gut microflora.

Kinetic modeling of the generation of 2-and 3-methylbutanal in a heated extract of beef liver

Quantitative control of aroma generation during the Maillard reaction presents great scientific and industrial interest. Although there have been many studies conducted in simplified model systems, the results are difficult to apply to complex food systems, where the presence of other components can have a significant impact. In this work, an aqueous extract of defatted beef liver was chosen as a simplified food matrix for studying the kinetics of the Mallard reaction. Aliquots of the extract were heated under different time and temperature conditions and analyzed for sugars, amino acids, and methylbutanals, which are important Maillard-derived aroma compounds formed in cooked meat. Multiresponse kinetic modeling, based on a simplified mechanistic pathway, gave a good fit with the experimental data, but only when additional steps were introduced to take into account the interactions of glucose and glucose-derived intermediates with protein and other amino compounds. This emphasizes the significant role of the food matrix in controlling the Maillard reaction.

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.

Cloud-resolving simulations of deep convection over a heated mountain

Cloud-resolving numerical simulations of airflow over a diurnally heated mountain ridge are conducted to explore the mechanisms and sensitivities of convective initiation under high pressure conditions. The simulations are based on a well-observed convection event from the Convective and Orographically Induced Precipitation Study (COPS) during summer 2007, where an isolated afternoon thunderstorm developed over the Black Forest mountains of central Europe, but they are idealized to facilitate understanding and reduce computational expense. In the conditionally unstable but strongly inhibited flow under consideration, sharp horizontal convergence over the mountain acts to locally weaken the inhibition and moisten the dry midtroposphere through shallow cumulus detrainment. The onset of deep convection occurs not through the deep ascent of a single updraft but rather through a rapid succession of thermals that are vented through the mountain convergence zone into the deepening cloud mass. Emerging thermals rise through the saturated wakes of their predecessors, which diminishes the suppressive effects of entrainment and allows for rapid glaciation above the freezing level as supercooled cloud drops rime onto preexisting ice particles. These effects strongly enhance the midlevel cloud buoyancy and enable rapid ascent to the tropopause. The existence and vigor of the convection is highly sensitive to small changes in background wind speed U0, which controls the strength of the mountain convergence and the ability of midlevel moisture to accumulate above the mountain. Whereas vigorous deep convection develops for U0 = 0 m s−1, deep convection is completely eliminated for U0 = 3 m s−1. Although deep convection is able to develop under intermediate winds (U0 = 1.5 m s−1), its formation is highly sensitive to small-amplitude perturbations in the initial flow.