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Optical flow switched networks
Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2009.Includes bibliographical references (p. 253-279).In the four decades since optical fiber was introduced as a communications medium, optical networking has revolutionized the telecommunications landscape. It has enabled the Internet as we know it today, and is central to the realization of Network-Centric Warfare in the defense world. Sustained exponential growth in communications bandwidth demand, however, is requiring that the nexus of innovation in optical networking continue, in order to ensure cost-effective communications in the future. In this thesis, we present Optical Flow Switching (OFS) as a key enabler of scalable future optical networks. The general idea behind OFS-agile, end-to-end, all-optical connections-is decades old, if not as old as the field of optical networking itself. However, owing to the absence of an application for it, OFS remained an underdeveloped idea-bereft of how it could be implemented, how well it would perform, and how much it would cost relative to other architectures. The contributions of this thesis are in providing partial answers to these three broad questions. With respect to implementation, we address the physical layer design of OFS in the metro-area and access, and develop sensible scheduling algorithms for OFS communication. Our performance study comprises a comparative capacity analysis for the wide-area, as well as an analytical approximation of the throughput-delay tradeoff offered by OFS for inter-MAN communication. Lastly, with regard to the economics of OFS, we employ an approximate capital expenditure model, which enables a throughput-cost comparison of OFS with other prominent candidate architectures. Our conclusions point to the fact that OFS offers significant advantage over other architectures in economic scalability.(cont.) In particular, for sufficiently heavy traffic, OFS handles large transactions at far lower cost than other optical network architectures. In light of the increasing importance of large transactions in both commercial and defense networks, we conclude that OFS may be crucial to the future viability of optical networking.by Guy E. Weichenberg.Ph.D
Publications of the Jet Propulsion Laboratory, July 1969 - June 1970
JPL bibliography of technical reports released from July 1969 through June 197
Fortschritte in der Flüssigkeitsstrahl-Photoelektronenspektroskopie: Bestimmung absoluter Energien und Untersuchung von Chiralität in Lösung
This doctoral thesis reports on recent developments in photoelectron spectroscopy from the
liquid phase, with a prime focus on the electronic structure of liquid water and aqueous
solutions. The enabling technique is liquid-jet photoelectron spectroscopy (LJ-PES), which
combines state-of-the-art high-pressure-compatible electron analyzers with an in-vacuo
liquid microjet. This technique is often applied in conjunction with soft-X-ray photons
delivered from synchrotron-radiation facilities. In this work, I will also present data obtained
with a laboratory helium-discharge source, providing XUV photon energies. There were three
main objectives at the beginning of my thesis: (1) the application of photoelectron circular
dichroism (PECD) to the liquid phase, (2) exploring how electron scattering in aqueous
solution can disturb native photoelectron peaks, and (3) the development of experimental
methods that allow the determination of accurate energetics of solutions, which largely refers
to the ability to determine accurate valence and core-level electron binding energies from both
liquid water and solutes. In addition, I have participated in several other studies with
associated topics, although not immediately relevant for above-mentioned topics (1) to (3).
These studies will be briefly described at the end of this thesis in Chapter 3.
My first project (1), the application of PECD to the liquid phase, with a particular emphasis
on chiral (biologically relevant) molecules in water, has started at a time where PECD has
been well established for isolated (gas-phase) molecules. PECD manifests as a
forward-backward asymmetry of the photoelectron emission intensity from chiral molecules,
measured with respect to the propagation direction of circularly polarized light (CPL). No
analogous studies in liquid-phase environments have been reported to date and were not even
possible with existing equipment. Challenged by this lack of tools, and in the light of the
importance of chirality in aqueous-phase biological systems and the relevance in the context
of chiral pharmaceuticals, I set out to construct and build a unique apparatus that would allow
to explore PECD in liquid phase. Its realization would be an expansion of the LJ-PES
technique, now extending to the detection of the forward-backward asymmetry using a
specialized geometry when ionizing the liquid jet with CPL. The result is the EASI apparatus
(acronym for Electronic structure from Aqueous Solutions and Interfaces) and the
demonstration of the very first PECD measurements from the liquid phase, exemplified for a
liquid fenchone beam and the amino acid alanine in aqueous solution. In both cases, PECD
was explored upon carbon core-level (near-threshold) ionization. A technical article
describing EASI, its concepts and performance, and another article on liquid-fenchone PECD
resulting from these efforts have been published (Paper I and Paper V). Additional, not-yet-
published results from aqueous-phase alanine will be presented briefly in the results section
(Chapter 3.3).
Project (2) is intimately connected with PECD measurements as it investigates the effect of
electron scattering in solution at low-to-very-low kinetic energies, which is the energy range
where PECD is expected to be largest. As it turns out, this is exactly the region where quasi-
elastic electron (small-energy-loss vibrational) scattering occurs, which can severely disturb
the native photoelectron peaks of interest. It is noted that the successful combination of
tunable XUV light with the detection of low-kinetic-energy LJ-PE spectra had been hampered
for experimental reasons. Thus, our study is the first to actually quantify the role and
importance of these scattering effects in water and aqueous solutions, enabling the
determination of a critical kinetic-energy value below which an undistorted photoelectron
spectrum cannot be measured. Details, including mechanistic aspects of electron scattering
and implications for future PES studies from liquids are described in Paper II. A prerequisite
to characterize low-energy processes is the ability to detect even those electrons that have lost
all their energy and thus are left with an almost zero kinetic energy. In the PE spectrum, such
electrons accumulate at the low-energy cut-off, a quantity (barely considered previously)
which is also of great importance for the novel route to determine accurate energetics from
solutions, project (3).
The concept underpinning project (3) is the application of PES methodology that has been
commonly used for condensed-matter studies but barely considered for liquid water. In fact,
almost all reported LJ-PES studies, since the beginning about 20 years ago, have adopted a
molecular-physics description of liquid water. That is, aqueous-phase spectra have been
essentially described in terms of molecular orbitals just as the respective gas-phase
counterparts. Additional energy shifts and peak broadenings with respect to the gas-phase
spectra are mainly described as a perturbation of the intrinsic molecular electronic structure,
and have been assigned to liquid-water electronic screening as well as to
hydrogen-bonding-induced effects on the orbital symmetry, respectively. Similarly,
ionization energies have exclusively been referenced to gas-phase PE features, which are
inevitably measured together in PE spectra from the liquid phase due to evaporation. A
critical consequence of this approach, which implies referencing detected liquid-phase
energies to known water gas-phase (ionization) energies, is that the measured energy value
depends on particular experimental conditions due to additional unwanted electric fields
present in a typical LJ-PES experiment. Briefly, the liquid-jet surface is charged by
electrokinetic charging, from molecular surface dipoles, or upon ionization of solutions with
insufficient electrical conductivity. Hence, under all practical experimental conditions, there
will be an electric field between the liquid jet and the electron detector. Photoelectrons
originating from ionization of water gas-phase molecules surrounding the liquid jet will vary
in kinetic energy because of acceleration or deceleration under the influence of the present
field, depending on the distance of birth from the jet. Disentangling these contributions is very
complex and generally is not even attempted in typical LJ-PES experiments; instead, a
predetermined ionization energy for prominent liquid features has been used to define the
energy scale of a measured spectrum with possibly large associated errors of this approach.
The new approach does not at all rely on the gas phase but rather uses the intrinsic liquid-
phase low-energy cut-off as a reference. Then, with an accurately known photon energy, one
can precisely determine both solute and solvent electron binding energies. We were thus able
to determine the accurate energy value for liquid water’s leading orbital (HOMO), which has
been controversially discussed in the literature. More importantly, though, the new method
enables the measurement of water’s electronic-structure changes induced by solute for the
first time, since this energy-referencing method does not require assuming solvent PE features
as fixed in energy. This achievement has cumulated in the publication of Paper III and IV,
and a summary will be provided in the results section (Chapter 3.2). In conjunction with the
new referencing schemes, additional energy referencing with respect to the Fermi energy has
been attempted, which promises an accurate determination of the work function of liquid
water and aqueous solutions. At the end of this thesis (Chapter 4), I evaluate and discuss the
challenge of characterizing the Fermi level of liquid water and aqueous solutions, thus
bridging the gap between liquid- and solid-phase PES.
Another study I was actively involved in, but less closely related to the main objectives of my
thesis is the electronic-structure characterization of glucose as a function of pH. This particular
LJ-PES study focused on the identification of electronic-structure changes of the anomeric
center when scanning the pH range across the acidity constant, pa, by investigating the site-
and energy-specific signature of the carbon 1s spectrum. I briefly explain the motivation of
this study and ongoing related studies in the framework of chirality in aqueous phase in the
results section (Chapter 3.4). The results of this study are published in Paper VI.
The second side project was the investigation of non-local electronic relaxation processes upon
1s ionization of divalent and trivalent metal cations in water. This followed up on a long and
ongoing interest of our group in identifying, for instance, intermolecular / interatomic
Coulombic decay (ICD) processes in liquid water and aqueous solutions, and relates observed
spectral information to hydrogen bonding (including nuclear dynamics) and general solution
structure properties. The individual ICD features show a high selectivity for specific water
ionization channels and are considered to reflect the hydration water molecules, which is
possible due to the nature of ICD to involve molecules in vicinity of the excited system. A
short summary of this published study (Paper VII) is also provided in the results section
(Chapter 3.5).
Another study that relates less closely to the main objectives of my thesis includes the
development of a liquid flatjet, which essentially forms a flat leaf of two laminarly co-flowing
aqueous solutions and thus a liquid–liquid interface. The motivation for those experiments is
described in the results section (Chapter 3.6). For example, an application of a flatjet for the
determination of chemical kinetics (exemplified for the luminol – hydrogen peroxide chemical
reaction in water) – not using PES though – is explained, which summarizes results that we
published in Paper VIII.Diese Doktorarbeit thematisiert die neuesten Entwicklungen im Bereich der Photoelektronen-
Spektroskopie in der flüssigen Phase. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf den
elektronischen Strukturen von flüssigem Wasser und wässrigen Lösungen. Das hierfür
angewendete Verfahren ist die sogenannte Flüssigkeitsstrahl-Photoelektronen-Spektroskopie
(Liquid-Jet Photoelectron Spectroscopy, LJ-PES), welches modernste Elektronenanalysatoren
mit einem flüssigen mikrometergroßen Strahl im Vakuum kombiniert. Dieses Verfahren wird
häufig in Verbindung mit weicher Röntgenstrahlung (Soft X-rays) angewendet, die von
Elektronenspeicherringen (Synchrotrons) erzeugt wird.
In dieser Arbeit werden zudem Daten gezeigt und diskutiert, die mit einer Helium-
Plasmaquelle und somit mit ultravioletter Röntgenstrahlung (XUV) im Labor gemessen
wurden. Am Anfang meiner Doktorarbeit standen drei Hauptziele: (1) Die Anwendung des
sogenannten Photoelektronen-Zirkulardichroismus (Photoelectron Circular Dichroism,
PECD) in flüssiger Phase, (2) Studien zur Elektronenstreuung in wässriger Lösung und damit
verbundenen Störungen von nativen Photoelektronen-Signalen und (3) die Entwicklung
experimenteller Methoden, die durch die Bestimmung genauer Valenz- und Innerschalen-
Bindungsenergien von flüssigem Wasser sowie von gelösten Stoffen die Bestimmung der
genauen (Bindungs-)Energien von Lösungen ermöglichen sollen. Darüber hinaus habe ich an
mehreren anderen Studien mit verwandten Themen teilgenommen, die jedoch für die oben
genannten Themen (1) bis (3) nicht unmittelbar relevant sind. Diese Studien werden am Ende
dieser Arbeit kurz beschrieben.
Das erste Projekt (1), die Anwendung von PECD in flüssiger Phase mit besonderem
Schwerpunkt auf chiralen (biologisch relevanten) Molekülen im Wasser, begann, als PECD
für isolierte (Gasphasen-)Moleküle bereits etabliert war. PECD manifestiert sich als eine
Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie der Photoelektronen-Emissionsintensität von chiralen
Molekülen, gemessen in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung der Photonen des dafür
genutzten zirkular polarisierten Lichtes (Circularly Polarized Light, CPL). Bisher wurden
keine analogen Studien in wässriger Phase in der Literatur erwähnt. Darüber hinaus waren
solche Studien mit den vorhandenen technischen Mitteln nicht durchführbar. Angesichts des
Mangels einer entsprechenden experimentellen Methode und im Hinblick auf die Bedeutung
der Chiralität für biologische Systeme in wässriger Phase sowie deren Relevanz im
Zusammenhang mit chiralen Pharmazeutika konstruierte und baute ich eine einzigartige
Apparatur, die es ermöglicht, PECD in flüssiger Phase zu untersuchen. Die Entwicklung
dieser Apparatur und deren Funktionsweise im Rahmen meiner Doktorarbeit ist eine
bedeutende Erweiterung der LJ-PES-Technik: Ein Flüssigkeitsstrahl wird mit CPL ionisiert
und die Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie der Photoelektronen-Intensität wird unter
Verwendung einer speziellen Geometrie detektiert. Das Ergebnis ist die EASI-Apparatur
(Akronym für Electronic Structure from Aqueous Solutions and Interfaces) und die
Demonstration der allerersten PECD-Messungen aus der flüssigen Phase am Beispiel eines
flüssigen Fenchon-Jets und der Aminosäure Alanin in wässriger Lösung. In beiden Fällen
wurde PECD nach einer Innerschalen-Ionisation von Kohlenstoff (nahe der
Ionisationsschwelle) untersucht. Ein technisch-wissenschaftliches Paper, welches die
Konzepte und Möglichkeiten von EASI beschreibt, sowie ein weiteres Paper über PECD von
flüssigem Fenchon, sind hieraus hervorgegangen und veröffentlicht (Paper I und Paper V).
Weitere, noch nicht publizierte Ergebnisse von Alanin in wässriger Phase werden darüber
hinaus kurz im Ergebnisteil (Kapitel 3.3) vorgestellt.
Projekt (2) ist sehr eng mit den PECD-Messungen verbunden, da es den Effekt der
Elektronenstreuung in Lösungen bei sehr geringen kinetischen Energien untersucht und der
beobachtbare PECD-Effekt in diesem unteren Energiebereich voraussichtlich am größten sein
wird. Wie sich herausstellte, tritt in diesem Bereich quasi-elastische Elektronenstreuung
(Vibrationsstreuung mit geringem Energieverlust) auf, die das native Photoelektronen-Signal
signifikant stören kann. Erst die erfolgreiche Kombination von ultravioletter
Röntgenstrahlung mit der Fähigkeit, emittierte Elektronen aus Flüssigkeitsstrahlen mit sehr
niedrigen kinetischen Energien zu detektieren, ermöglichte solche Messungen. Somit ist
unsere Studie die erste, die die Rolle und Bedeutung dieser Streueffekte quantifiziert und die
die Bestimmung eines kritischen kinetischen Energiewertes ermöglicht. Unterhalb dieses
Energiewertes kann ein unverzerrtes Photoelektronen-Spektrum nicht gemessen werden.
Einzelheiten, einschließlich mechanistischer Aspekte der Elektronenstreuung und
Implikationen für zukünftige Photoelektronen-Studien aus Flüssigkeiten, werden in Paper II
ausführlich beschrieben. Eine Voraussetzung für die Charakterisierung solch
niederenergetischer Prozesse ist die Fähigkeit auch solche Elektronen zu detektieren, die ihre
gesamte Energie verloren haben und daher mit einer kinetischen Energie nahe Null gemessen
werden. In einem Photoelektronen-Spektrum finden sich solche Elektronen an der
sogenannten niederenergetischen Untergrenze (Low-Energy Cut-off). Diese Größe, die bisher
in Flüssigkeiten kaum Beachtung fand, ist essenziell für die neuartige Methode zur
Bestimmung genauer Energien aus Lösungen, was wiederum für Projekt (3) von großer
Bedeutung ist.
Das zugrunde liegende Konzept von Projekt (3) ist die Anwendung einer PES-Methodik, die
üblicherweise für Studien an kondensierter Materie verwendet wird, jedoch für flüssiges
Wasser kaum in Betracht gezogen wurde. Tatsächlich haben fast alle publizierten
LJ-PES-Studien seit Beginn dieser Experimente vor etwa 20 Jahren eine
molekularphysikalische Beschreibung von flüssigem Wasser verwendet. Dabei wurden
Spektren in wässriger Phase im Wesentlichen in Form von Molekülorbitalen beschrieben, die
aus der Gasphase bekannt waren. Auftretende Energieverschiebungen und
Signalverbreiterungen in der Flüssigkeitsphase im Vergleich zur Gasphase wurden
hauptsächlich als Störung der intrinsischen molekularen elektronischen Struktur beschrieben.
Sie wurden zudem der Elektronen-Abschirmung in flüssigem Wasser sowie den durch
Wasserstoffbrückenbindungen induzierten Effekten auf die Orbitalsymmetrie zugeordnet. In
ähnlicher Weise wurden Ionisierungsenergien der flüssigen Phase ausschließlich auf
Photoelektronen-Merkmale der Gasphase bezogen, die aufgrund der Verdampfung des
Flüssigkeitsstrahls im Vakuum zwangsläufig zusammen mit den
Photoelektronen-Merkmalen aus der flüssigen Phase gemessen werden. Jedoch ist der
gemessene Energiewert der Gasphase, der als Referenz für die Energiewerte der Flüssigphase
genutzt wurde, aufgrund von unerwünschten elektrischen Feldern, die typischerweise bei
einem LJ-PES Experiment auftreten, stark abhängig von den experimentellen Bedingungen.
Zusammenfassend gilt: Die Oberfläche des Flüssigkeitsstrahls wird durch elektrokinetische
Aufladung von molekularen Oberflächendipolen oder bei der Ionisierung von Lösungen mit
unzureichender elektrischer Leitfähigkeit aufgeladen. Daher besteht unter allen praktischen
experimentellen Bedingungen ein elektrisches Feld zwischen dem Flüssigkeitsstrahl und dem
Elektronen-Detektor. Die kinetische Energie der Photoelektronen, die aus der Ionisation der
Wassermoleküle aus der den Flüssigkeitsstrahl umgebenden Gasphase stammen, variiert
aufgrund von Abbremsung und Beschleunigung unter dem Einfluss des vorhandenen Feldes
in Abhängigkeit der Entfernung zum Flüssigkeitsstrahl. Das Quantifizieren dieser Beiträge ist
sehr komplex und wird im Allgemeinen in typischen LJ-PES-Experimenten nicht
durchgeführt. Stattdessen wurde eine vorbestimmte Ionisationsenergie für die
Photoelektronen-Signale von flüssigem Wasser verwendet, um die Energieskala eines
gemessenen Spektrums mit möglichst kleinen experimentellen Fehlern zu definieren.
Der neue Ansatz bezieht sich nicht auf die Gasphase, sondern verwendet die intrinsische
niederenergetische Untergrenze der Flüssigphase als Referenz. Somit kann man mit einer
genau bekannten Photonenenergie sowohl die Elektronenbindungsenergien des gelösten
Stoffes als auch des Lösungsmittels genau bestimmen. Damit konnte der in der Literatur
kontrovers diskutierte Energiewert für das höchste besetzte Molekülorbital (Highest
Occupied Molecular Orbital, HOMO) von flüssigem Wasser bestimmt werden. Noch
wichtiger ist jedoch, dass die neue Methode zum ersten Mal die Messung von Änderungen
der elektronischen Struktur von Wasser, die durch gelöste Stoffe induziert werden,
ermöglicht. Hintergrund dafür ist, dass diese Methode nicht die Annahme voraussetzt, dass
die PE-Merkmale der gemessen Lösungsmittel-Photoelektronen-Spektren energiefixiert sein
müssen. Die Ergebnisse dieser Methodik sind in Paper III und IV veröffentlicht und eine
Zusammenfassung wird im Ergebniskapitel (Kapitel 3.2) dargestellt. In Verbindung mit der
neuen Methode zur Referenzierung genauer Energien in wässrigen Lösungen wurde eine
zusätzliche Energie-Referenzierung bezüglich der Fermi-Energie untersucht, die eine genaue
Bestimmung der Austrittsarbeit von flüssigem Wasser und wässrigen Lösungen ermöglicht.
Am Ende von Kapitel 3.2 und in Kapitel 4 bewerte und diskutiere ich die Hürden, die
überwunden werden mussten, um das Fermi-Niveau in Bezug auf flüssigen Wasser zu
charakterisieren und somit die Lücke zwischen Flüssig- und Festphasen-PES zu schließen.
Eine weitere Studie, an der ich aktiv beteiligt war, die aber weniger eng mit den Hauptzielen
dieser Doktorarbeit zusammenhängt, ist die Charakterisierung der elektronischen Struktur
von Glucose als Funktion des pH-Werts. Diese spezielle LJ-PES-Studie konzentrierte sich auf
die Identifizierung von Änderungen der elektronischen Struktur des anomeren Zentrums bei
unterschiedlichen pH-Werten, nahe des pa-Wertes, indem die orts- und energiespezifische
Signatur des Kohlenstoff-Innerschalen-Spektrums untersucht wurde. Die Ergebnisse dieser
Studie sind in Paper VI publiziert. Darüber hinaus erläutere ich kurz die Motivation zu dieser
Arbeit und zu weiteren, derzeit laufenden Arbeiten im Hinblick auf die Chiralität in wässriger
Phase im Ergebniskapitel (Kapitel 3.4).
Die Untersuchung nicht-lokaler elektronischer Relaxationsprozesse bei 1s-Ionisation von
zwei- und dreiwertigen Metall-Kationen in Wasser, war eine weitere Studie, bei der ich eng
involviert war. Dieses Projekt resultierte aus einem langen und anhaltenden Interesse unserer
Forschungsgruppe, intermolekulare / interatomare Coulomb-Zerfallsprozesse
(Interatomic / Intermolecular Coulombic Decay, ICD) in flüssigem Wasser und wässrigen
Lösungen zu identifizieren und somit Rückschlüsse auf die Struktur der
Wasserstoffbrückenbindungen (einschließlich Kerndynamik) und allgemein der molekularen
Struktur von Wasser und wässrigen Lösungen aus den spektralen Informationen zu ziehen.
Die einzelnen ICD-Merkmale zeigen eine sehr hohe Selektivität für spezifische
Wasserionisationskanäle und man geht davon aus, dass diese Kanäle die Wassermoleküle der
Hydratationshülle widerspiegeln, da es mittels ICD möglich ist, Moleküle in direkter Nähe
des angeregten Systems mit einzubeziehen. Eine kurze Zusammenfassung dieser publizierten
Studie (Paper VII) findet sich auch im Ergebnisteil dieser Arbeit (Kapitel 3.5).
Eine weitere Studie, die weniger eng mit den Hauptzielen meiner Dissertation
zusammenhängt, ist die Entwicklung eines flüssigen Flachstrahls, der im Wesentlichen ein
flaches Blatt au
A vision-based optical character recognition system for real-time identification of tractors in a port container terminal
Automation has been seen as a promising solution to increase the productivity of modern sea port container terminals. The potential of increase in throughput, work efficiency and reduction of labor cost have lured stick holders to strive for the introduction of automation in the overall terminal operation. A specific container handling process that is readily amenable to automation is the deployment and control of gantry cranes in the container yard of a container terminal where typical operations of truck identification, loading and unloading containers, and job management are primarily performed manually in a typical terminal. To facilitate the overall automation of the gantry crane operation, we devised an approach for the real-time identification of tractors through the recognition of the corresponding number plates that are located on top of the tractor cabin. With this crucial piece of information, remote or automated yard operations can then be performed. A machine vision-based system is introduced whereby these number plates are read and identified in real-time while the tractors are operating in the terminal. In this paper, we present the design and implementation of the system and highlight the major difficulties encountered including the recognition of character information printed on the number plates due to poor image integrity. Working solutions are proposed to address these problems which are incorporated in the overall identification system.postprin