Novel window functions for digital filters

Window technique is one of the simplest methods to design Finite Impulse Response (FIR) filters. It uses special functions to truncate an infinite sequence to a finite one. In this paper, we propose window techniques based on integer sequences. The striking feature of the proposed work is that it overcomes all the problems posed by floating point numbers and inaccuracy, as the sequences are made of only integers. Some of these integer window sequences, yield sharp transition, while some of them result in zero ripple in passband and stopband.

Design of some 2-D filters through the transformation technique

The transformation technique is a tool FIR designing 2-D filters, useful for the design of specially shaped filters with passband/stopband regions not centred around the origin. The authors extend this technique to design two types or filters. A notch filter has a stopband centred about a small region in the 2-D frequency plane. The authors propose an extension to the transformation technique with the windowing concept to achieve the design of notch filters. A directional filter has a passband extending fully along: a straight line pacing through the origin. The transformation technique is: further extended to yield such directional filters. Design and application examples for both these fillers are also presented.

A widely tunable continuous-time LPF for a direct conversion DBS Tuner

A continuous-time 7th-order Butterworth Gm-C low pass filter (LPF) with on-chip automatic tuning circuit has been implemented for a direct conversion DBS tuner in a 0.35um SiGe BiCMOS technology. The filter's -3dB cutoff frequency f(0) can be tuned from 4MHz to 40MHz. A novel translinear transconductor (Gm) cell is used to implement the widely tunable and high linear filter. The filter has -0.5dB passband gain, 28nV/Hz(1/2) input referred noise, -2dBVrms passband IIP3, 24dBVrms stopband IIP3. The I/Q LPFs with the tuning circuit draw 16mA (with f(0)=20MHz) from 3.3 V supply, and occupy an area of 0.45 mm(2).

A widely tunable continuous-time LPF for a direct conversion DBS tuner

A continuous-time 7th-order Butterworth Gm-C low pass filter (LPF) with on-chip automatic tuning circuit has been implemented for a direct conversion DBS tuner in 0.35μm SiGe BiCMOS technology. The filter's -3 dB cutoff frequency f0 can be tuned from 4 to 40 MHz. A novel on-chip automatic tuning scheme has been successfully realized to tune and lock the filter's cutoff frequency. Measurement results show that the filter has -0.5 dB passband gain, +/- 5% bandwidth accuracy, 30 nV/Hz~(1/2) input referred noise, -3 dBVrms passband IIP3, and 27 dBVrms stopband IIP3. The I/Q LPFs with the tuning circuit draw 13 mA (with f_0 = 20 MHz) from 5 V supply, and occupy 0.5 mm~2.

Novel periodically loaded E-plane filters

Novel E-plane waveguide filters with periodically loaded resonators are proposed. The proposed filters make use of the slow wave effect in order to achieve improved stopband performance and size reduction of roughly 50% without introducing any complexity in the fabrication process. Numerical and experimental results are presented to validate the argument.

Inline Interdigital Pseudo-Elliptic Helical Resonator Filters

A new inline coupling topology for narrowband helical resonator filters is proposed that allows to introduce selectively located transmission zeros (TZs) in the stopband. We show that a pair of helical resonators arranged in an interdigital configuration can realize a large range of in-band coupling coefficient values and also selectively position a TZ in the stopband. The proposed technique dispenses the need for auxiliary elements, so that the size, complexity, power handling and insertion loss of the filter are not compromised. A second order prototype filter with dimensions of the order of 0.05 lambda, power handling capability up to 90 W, measured insertion loss of 0.18 dB and improved selectivity is presented.

Ultra compact pseudo-elliptic inline waveguide bandpass filters using bypass coupling

This paper presents an ultra compact waveguide bandpass filter that exhibits a pseudo-elliptic response. The transmission zero created in the upper stopband to form a rapid roll off is produced through a bypass coupling with higher order modes. A 3rd order filter is designed at the centre frequency of 9.4 GHz with a 5.3% fractional bandwidth. The proposed structure's size is 38% smaller than one of a 3rd order E-plane extracted pole filter with comparable response. Additionally, this configuration allows larger span of different bandwidths. The filter has been fabricated and tested using E-plane waveguide technology, which has benefits of being inexpensive and having mass producible capabilities. Measurements of such a fabricated filter validate the simulated results.

SRR loaded waveguide band rejection filter with adjustable bandwidth

The use of a split-ring resonator (SRR)-loaded waveguide for the design of a band-rejection filter with adjustable bandwidth is reported. The width of the stopband can be adjusted by suitably positioning the SRR array in the waveguide. The rejection band can be made very narrow by placing the array at the electric-field minimum. The stopband attenuation depends on the number of unit cells in the array.

Polyphase Implementation of Non-recursive Comb Decimators for Sigma-Delta A/D Converters

In a sigma-delta analog to digital (A/D) As most of the sigma-delta ADC applications require converter, the most computationally intensive block is decimation filters with linear phase characteristics, the decimation filter and its hardware implementation symmetric Finite Impulse Response (FIR) filters are may require millions of transistors. Since these widely used for implementation. But the number of FIR converters are now targeted for a portable application, filter coefficients will be quite large for implementing a a hardware efficient design is an implicit requirement. narrow band decimation filter. Implementing decimation In this effect, this paper presents a computationally filter in several stages reduces the total number of filter efficient polyphase implementation of non-recursive coefficients, and hence reduces the hardware complexity cascaded integrator comb (CIC) decimators for and power consumption [2]. Sigma-Delta Converters (SDCs). The SDCs are The first stage of decimation filter can be operating at high oversampling frequencies and hence implemented very efficiently using a cascade of integrators require large sampling rate conversions. The filtering and comb filters which do not require multiplication or and rate reduction are performed in several stages to coefficient storage. The remaining filtering is performed reduce hardware complexity and power dissipation. either in single stage or in two stages with more complex The CIC filters are widely adopted as the first stage of FIR or infinite impulse response (IIR) filters according to decimation due to its multiplier free structure. In this the requirements. The amount of passband aliasing or research, the performance of polyphase structure is imaging error can be brought within prescribed bounds by compared with the CICs using recursive and increasing the number of stages in the CIC filter. The non-recursive algorithms in terms of power, speed and width of the passband and the frequency characteristics area. This polyphase implementation offers high speed outside the passband are severely limited. So, CIC filters operation and low power consumption. The polyphase are used to make the transition between high and low implementation of 4th order CIC filter with a sampling rates. Conventional filters operating at low decimation factor of '64' and input word length of sampling rate are used to attain the required transition '4-bits' offers about 70% and 37% of power saving bandwidth and stopband attenuation. compared to the corresponding recursive and Several papers are available in literature that deals non-recursive implementations respectively. The same with different implementations of decimation filter polyphase CIC filter can operate about 7 times faster architecture for sigma-delta ADCs. Hogenauer has than the recursive and about 3.7 times faster than the described the design procedures for decimation and non-recursive CIC filters.

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.

Optimization of the Mechanical and Optical Properties of Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) for a Nanospectrometer in the Visible and Near Infrared Spectral Range

Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) based on Fabry-Pérot (FP) filters, for high quality spectroscopic applications in the visible and near infrared spectral range are investigated within this work. The optical performance of the FP filters is improved by using ion beam sputtered niobium pentoxide (Nb2O5) and silicon dioxide (SiO2) Distributed Bragg Reflectors (DBRs) as mirrors. Due to their high refractive index contrast, only a few alternating pairs of Nb2O5 and SiO2 films can achieve DBRs with high reflectivity in a wide spectral range, while ion beam sputter deposition (IBSD) is utilized due to its ability to produce films with high optical purity. However, IBSD films are highly stressed; resulting in stress induced mirror curvature and suspension bending in the free standing filter suspensions of the MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) FP filters. Stress induced mirror curvature results in filter transmission line degradation, while suspension bending results in high required filter tuning voltages. Moreover, stress induced suspension bending results in higher order mode filter operation which in turn degrades the optical resolution of the filter. Therefore, the deposition process is optimized to achieve both near zero absorption and low residual stress. High energy ion bombardment during film deposition is utilized to reduce the film density, and hence the film compressive stress. Utilizing this technique, the compressive stress of Nb2O5 is reduced by ~43%, while that for SiO2 is reduced by ~40%. Filters fabricated with stress reduced films show curvatures as low as 100 nm for 70 μm mirrors. To reduce the stress induced bending in the free standing filter suspensions, a stress optimized multi-layer suspension design is presented; with a tensile stressed metal sandwiched between two compressively stressed films. The stress in Physical Vapor Deposited (PVD) metals is therefore characterized for use as filter top-electrode and stress compensating layer. Surface micromachining is used to fabricate tunable FP filters in the visible spectral range using the above mentioned design. The upward bending of the suspensions is reduced from several micrometers to less than 100 nm and 250 nm for two different suspension layer combinations. Mechanical tuning of up to 188 nm is obtained by applying 40 V of actuation voltage. Alternatively, a filter line with transmission of 65.5%, Full Width at Half Maximum (FWHM) of 10.5 nm and a stopband of 170 nm (at an output wavelength of 594 nm) is achieved. Numerical model simulations are also performed to study the validity of the stress optimized suspension design for the near infrared spectral range, wherein membrane displacement and suspension deformation due to material residual stress is studied. Two bandpass filter designs based on quarter-wave and non-quarter-wave layers are presented as integral components of the TOSA. With a filter passband of 135 nm and a broad stopband of over 650 nm, high average filter transmission of 88% is achieved inside the passband, while maximum filter transmission of less than 1.6% outside the passband is achieved.

Synthesised design of optical filters assisted by microcomputer

New algorithms and microcomputer-programs for generating original multilayer designs (and printing a spectral graph) from refractive-index input are presented. The programs are characterised TSHEBYSHEV, HERPIN, MULTILAYER-SPECTRUM and have originated new designs of narrow-stopband, non-polarizing edge, and Tshebyshev optical filter. Computation procedure is an exact synthesis (so far that is possible) numerical refinement not having been needed.