Waveguide-Based Photonic Sensors: From Devices to Robust Systems

Integrated photonic sensor systems are miniaturized, mass-producible devices that leverage the mature semiconductor fabrication technology and a well-established ecosystem for photonic circuits. This book aims at a holistic treatment of waveguide-based photonic sensor systems by analyzing photonic waveguide design, photonic circuit design and readout design. Across all levels, a special emphasis is given to system-level performance optimization under realistic environmental conditions

Computational and Numerical Simulations

Computational and Numerical Simulations is an edited book including 20 chapters. Book handles the recent research devoted to numerical simulations of physical and engineering systems. It presents both new theories and their applications, showing bridge between theoretical investigations and possibility to apply them by engineers of different branches of science. Numerical simulations play a key role in both theoretical and application oriented research

Mini-Workshop: Numerics for Kinetic Equations

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Waveguide-Based Photonic Sensors: From Devices to Robust Systems

Integrierte photonische Sensorsysteme bestehen aus miniaturisierten, massenproduktionstauglichen Bauelementen, die sich einerseits die ausgereifte Halbleitertechnologie zu Nutze machen, und die sich andererseits aus dem Baukasten vorhandener photonischer Komponenten bedienen, welche ins-besondere für Telekommunikationsanwendungen entwickelt wurden. Integrierte photonische Sensorsysteme kombinieren einen integrierten photonischen Schaltkreis (photonic integrated circuit, PIC), optoelektronische Lichtquellen und Photodetektoren, sowie elektronische Komponenten für die Signalerzeugung und Signalverarbeitung. Die optoelektronischen Komponenten sind entweder direkt auf dem PIC integriert oder sind externe Komponenten, in beiden Fällen wird das Licht in Wellenleiter auf dem PIC ein- und anschließend wieder ausgekoppelt. In solch einem System dient der PIC als Sensorelement, welches so entworfen wird, dass sich die optische Transmission mit hoher Sensitivität von den zu detektierenden Änderungen in seiner Umgebung beeinflusst wird. Ein wichtiges Beispiel ist ein biochemischer Sensor-PIC, welcher über Wellenleiter mit funktionalisierten Wellenleiteroberflächen die Adsorbtion von Molekülen detektieren kann. Eine Besonderheit ist, dass hierfür keine Markierung der zu detektierenden Molekülgruppen wie z.B. Floureszenzfarbstoffe notwendig sind, weshalb solche Verfahren als „label-free“ bezeichnet werden. Durch die Kompaktheit der entsprechenden Sensorelemente können eine Vielzahl von Sensoren parallel innerhalb eines einzelnen Chips auf einer Fläche im Bereich von nur einem Quadratmillimeter realisiert werden. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist eine ganzheitliche Betrachtung von integrierten photonischen Sensorsystemen auf mehreren Abstraktionsebenen. Die Betrachtung beinhaltet eine detaillierte Analyse des photonischen Wellenleiterdesigns auf der untersten Abstraktionsebene, des photonischen Schaltungsdesigns und des Systemdesigns inklusive der Elektronik, der Lichtquellen und der Photodetektoren auf der mittleren Abstraktionsebene, sowie eine Analyse des Ansteuer- sowie Ausleseverfahrens um hochpräzise, eindeutige Messdaten zu generieren auf der obersten Abstraktionsebene. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Optimierung der Leistungsfähigeit auf der Gesamtsystemebene, sowie auf der Kompensation von unvermeidbaren Variationen der Komponenteneigenschaften, welche unweigerlich mit einer Massenproduktion sowie mit einem energieeffizienten Sensorbetrieb unter realistischen Umgebungsbedingungen einhergehen. Nach einem kurzen Überblick über wesentliche Ergebnisse dieser Arbeit folgt in den Kapiteln 1 bis 6 die eigentliche Abhandlung der Inhalte. Die darauffolgenden Anhänge beinhalten weiterführende konzeptionelle und mathematische Details sowie Verzeichnisse der Literaturangaben, der Akronyme, der verwendete mathematischen Symbole, der Figuren, der Tabellen und der Publikationen. Im Anschluss daran folgt eine Danksagung so-wie ein Lebenslauf des Autors. Teile dieser Arbeit wurden bereits in Patenten [P1], [P2], internationalen Fachjournalen [J1], [J2], sowie in einem Konferenzbeitrag [C1] publiziert. Die Hauptkapitel 1 bis 6 dieser Arbeit sind wie folgt strukturiert: Kapitel 1 gibt eine Einführung in das Gebiet der integrierten photonischen Sensorsysteme und behandelt hierbei optische Sensoren, relevante Anwendungen und die Entstehung der integrierten photonischen Technologie aus der elektronischen Halbleiterindustrie. Weiterhin wird der Umfang der in dieser Arbeit durchgeführten Analyse aufgezeigt. Kapitel 2 stellt die mathematischen und konzeptionellen Grundlagen integrierter photonischer Sensorsysteme zusammen und behandelt hierbei die Propagation von elektromagnetischen Wellen in photonischen Wellenleitern und den wellenleiterbasierten Sensormechanismus über den effektiven Brechungsindex einer optischen Mode. Weiterhin bietet es einen umfassenden Überblick über das komplette Sensorsystem ausgehend von phasensensitiven photonischen Schaltkreisen über die wichtigsten Systemkomponenten und deren technologischen Herausforderungen bis hin zu einer Gegenüberstellung der geläufigsten Systemkonfigurationen und Auslesekonzepte. Kapitel 3 analysiert das Design integrierter photonischer Wellenleiter für Sensoranwendungen. Dieses Kapitel bietet physikalische Einsichten und umfängliche Designleitlinien, mit Hilfe derer für eine bestimmte Messaufgabe eine passende photonische Integrationsplattform, ein Wellenleitertypus, eine Modenfamilie sowie eine optimierte Wellenleitergeometrie aus-gewählt werden können. Grundlage hierfür ist die Wechselwirkung einer geführten Wellenleitermode mit einer Änderung des Wellenleiterquerschnittes, die durch die zu bestimmende Messgröße hervorgerufen wird. Diese Wechselwirkung wird quantitativ durch den Feldinteraktionsfaktor beschrieben. Kapitel 4 analysiert die Leistungsfähighkeit und die Limitierungen des gesamten photonischen Systems inklusive der phasensensitiven photonischen Schaltkreise, der Lichtquellen und Photodetektoren, sowie des elektrischen Ansteuer- sowie Ausleseverfahrens. Ein besonderes Augenmerk liegt hier-bei auf Systemen, welche für eine kosteneffiziente Großserienproduktion ausgelegt wurden. Hierbei spielen insbesondere Variationen der Komponenteneigenschaften eine Rolle, welche unweigerlich mit einer Massenproduktion sowie einem energieeffizienten Sensorbetrieb unter realistischen Umgebungsbedingungen einhergehen. Kapitel 5 stellt ein besonders robustes photonisches Sensorsystem vor, welches, basierend auf den Erkenntnissen aus den Kapiteln 3 und 4, für Sensoranwendungen außerhalb idealisierter Laborbedingungen und explizit für eine Großserienproduktion geeignet ist. Basierend auf einem integrierten Mach-Zehnder-Interferometer mit drei um 120° phasenverschobenen Ausgangssignalen wird ein spezielles Ansteuer- und Ausleseverfahren demonstriert, welches eine instantane Selbstkalibration und eine jederzeit eindeutige Phasenmessung ermöglicht. Kapitel 6 fasst die wesentlichen Ergebnisse und Schlussfolgerungen zusammen und identifiziert offene Herausforderungen für eine erfolgreiche Kommerzialisierung integrierter photonischer Sensorsysteme

Cellular Monte Carlo Simulation of Coupled Electron and Phonon Dynamics

abstract: A novel Monte Carlo rejection technique for solving the phonon and electron Boltzmann Transport Equation (BTE), including full many-particle interactions, is presented in this work. This technique has been developed to explicitly model population-dependent scattering within the full-band Cellular Monte Carlo (CMC) framework to simulate electro-thermal transport in semiconductors, while ensuring the conservation of energy and momentum for each scattering event. The scattering algorithm directly solves the many-body problem accounting for the instantaneous distribution of the phonons. The general approach presented is capable of simulating any non-equilibrium phase-space distribution of phonons using the full phonon dispersion without the need of the approximations commonly used in previous Monte Carlo simulations. In particular, anharmonic interactions require no assumptions regarding the dominant modes responsible for anharmonic decay, while Normal and Umklapp scattering are treated on the same footing. This work discusses details of the algorithmic implementation of the three particle scattering for the treatment of the anharmonic interactions between phonons, as well as treating isotope and impurity scattering within the same framework. The approach is then extended with a technique based on the multivariable Hawkes point process that has been developed to model the emission and the absorption process of phonons by electrons. The simulation code was validated by comparison with both analytical, numerical, and experimental results; in particular, simulation results show close agreement with a wide range of experimental data such as the thermal conductivity as function of the isotopic composition, the temperature and the thin-film thickness.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Waveguide-Based Photonic Sensors: From Devices to Robust Systems

Integrated photonic sensor systems are miniaturized, mass-producible devices that leverage the mature semiconductor fabrication technology and a well-established ecosystem for photonic circuits. This book aims at a holistic treatment of waveguide-based photonic sensor systems by analyzing photonic waveguide design, photonic circuit design and readout design. Across all levels, a special emphasis is given to system-level performance optimization under realistic environmental conditions

Constitutive equations for heat conduction in nanosystems and nonequilibrium processes: an overview

AbstractWe provide an overview on the problem of modeling heat transport at nanoscale and in far-from-equilibrium processes. A survey of recent results is summarized, and a conceptual discussion of them in the framework of Extended Irreversible Thermodynamics is developed

Compact Models for Integrated Circuit Design

This modern treatise on compact models for circuit computer-aided design (CAD) presents industry standard models for bipolar-junction transistors (BJTs), metal-oxide-semiconductor (MOS) field-effect-transistors (FETs), FinFETs, and tunnel field-effect transistors (TFETs), along with statistical MOS models. Featuring exercise problems at the end of each chapter and extensive references at the end of the book, the text supplies fundamental and practical knowledge necessary for efficient integrated circuit (IC) design using nanoscale devices. It ensures even those unfamiliar with semiconductor physics gain a solid grasp of compact modeling concepts