Three transducers for one photodetector: essays for optical communications

Dissertation presented to obtain the PhD degree in Electrical and Computer Engineering - ElectronicsOptical processing devices based on a- SiC:H multilayer architectures are expected to become reconfigurable to perform WDM optoelectronic logic functions and provide as well complex photonic functions such as signal amplification and switching. This thesis, entitled ”Three Transducers for One Photodetector: essays for optical communications”, reports the main work areas to design, control, validate and evaluate the research of a voltage-controllable wavelength selective optical switching based on shifting between positive and negative electrically bias and a photodetector, which enables the filtering function with the detector itself and has the potential to be rapidly optically biasing tuned: System Architecture – In this work area it is defined the basic requirements of the device: light-to-dark sensitivity, colour recognition, selective optical and electrical output response, amplification and opto-electronic conversion to transmit, receive, and/or process intelligence(data).The output multiplexed signals should have a strong nonlinear dependence on the light absorption profile, i.e., on the incident light wavelength, bit rate and intensity under unbalanced light generation of carriers. Experimental Design – This test activities work area allows the evaluation of the results. Multiple monochromatic pulsed communication channels were transmitted together, each one with a specific bit sequence. The combined optical signal was analyzed by reading out, under different applied voltages and optical bias, the generated photocurrent across the device. Depending on the wavelength of the external background and irradiation side, it acts either as a short- or a long- pass band filter or as a band-stop filter Optoelectronic Algorithm Interface – To help improve our understanding of the output multiplexed signal, computer models of monolithic photodetectors are developed. Following control theoretic methods we derive state-space representation and an equivalent circuit optoelectronic simulator. We validate each model and calibrate the spectral gain model by background–probe experiments and truth tables lookup that perform 8-to-1 multiplexer (MUX) and 1-to-8 demultiplexer (DEMUX) functions. Applications – The purpose of this work area is to present a new optical logic architecture that offers considerable improvements in reconfigurability. Tunable WDM converters based on amorphous SiC multilayer photonic active filters are used to build blocks to perform standard digital system operations. The transducers combine the simultaneous demultiplexing operation with the photodetection and self amplification. They are optimized for provide the high-sensitivity needed for low-light applications, such as medicine, lighting, sensing and measurement, and manufacturing. The migration to next generation packet based networks can be much easier and smoother than previously thought, using the emerging a-Si solutions and its integration with plastic optical fiber. It will push the limits of functionality, cost/performance and integration level

Project LOCOST: Laser or Chemical Hybrid Orbital Space Transport

A potential mission in the late 1990s is the servicing of spacecraft assets located in GEO. The Geosynchronous Operations Support Center (GeoShack) will be supported by a space transfer vehicle based at the Space Station (SS). The vehicle will transport cargo between the SS and the GeoShack. A proposed unmanned, laser or chemical hybrid orbital space transfer vehicle (LOCOST) can be used to efficiently transfer cargo between the two orbits. A preliminary design shows that an unmanned, laser/chemical hybrid vehicle results in the fuel savings needed while still providing fast trip times. The LOCOST vehicle receives a 12 MW laser beam from one Earth orbiting, solar pumped, iodide Laser Power Station (LPS). Two Energy Relay Units (ERU) provide laser beam support during periods of line-of-sight blockage by the Earth. The baseline mission specifies a 13 day round trip transfer time. The ship's configuration consist of an optical train, one hydrogen laser engine, two chemical engines, a 18 m by 29 m box truss, a mission-flexible payload module, and propellant tanks. Overall vehicle dry mass is 8,000 kg. Outbound cargo mass is 20,000 kg, and inbound cargo mass is 6,000 kg. The baseline mission needs 93,000 kg of propellants to complete the scenario. Fully fueled, outbound mission mass is 121,000 kg. A regeneratively cooled, single plasma, laser engine design producing a maximum of 768 N of thrust is utilized along with two traditional chemical engines. The payload module is designed to hold 40,000 kg of cargo, though the baseline mission specifies less. A proposed design of a laser/chemical hybrid vehicle provides a trip time and propellant efficient means to transport cargo from the SS to a GeoShack. Its unique, hybrid propulsion system provides safety through redundancy, allows baseline missions to be efficiently executed, while still allowing for the possibility of larger cargo transfers

Genetic circuits for directed evolution of bioluminescent proteins

Bioluminescent technologies are amongst the most commonly used tools for quantifying and visualising biological processes, and novel functions are being engineered for their application inside and outside the lab. Current methods to engineer bioluminescence-based tools rely on random or semi-random mutagenesis approaches which require intensive genotype screening, and are typically performed on expensive robotic workstations. In this project, we aimed to develop an in vivo platform to automate the screening of bioluminescent protein libraries using engineered bacteria. We repurposed a light-sensing circuit that allows individual bacteria to transduce the bioluminescence emission of an intracellular luciferase variant into expression of antibiotic resistance genes. This synthetic ability should allow bacteria expressing brightest luciferase variants to outcompete the rest of the population and become automatically selected by simply growing them under the appropriate antibiotic pressure. The current version of the genetic circuit confers modest but detectable growth and survival advantages to glowing cells; however, it requires further optimisation for robust performance.Open Acces

Development and implementation of automated interferometric microscope for study of MEMS inertial sensors

Microelectromechanical systems (MEMS) are quickly becoming ubiquitous in commercial and military applications. As the use of such devices increases their reliability becomes of great importance. Although there has been significant research in the areas of MEMS errors, there is a lack of work regarding long term reliability of packaged systems. Residual thermomechanical stresses might relax over time which affects physical distances within a package, ultimately influencing the performance of a device. One reason that there has not been sufficient work performed on the long-term effects on structures might be the lack of a tool capable of characterizing the effects. MEMS devices have been measured for shape and its changes using interferometric techniques for some time now. Commercially available systems are able to make high resolution measurements, however they might lack loading options. To study aging effects on components a test might need to run continuously for days or weeks, with systematic operations performed throughout the process. Such a procedure is conducive to an automated data acquisition system. A system has been developed at WPI using a Twyman-Green interferometer and a custom software suite. The abilities of this system are demonstrated through analysis performed on MEMS tuning fork gyroscope (TFG) sensors. Specifically, shape is recorded to investigate die bond relaxation as a function of time and thermal cycle. Also presented are measurements made using stroboscopic illumination on operating gyroscopes, in situ. The effect of temperature on the performance of the sensors is investigated using a customized precision rate table

On the Determinants of the Reach of Innovation-related Collaboration in Small Firms

This paper takes as its starting point an item of relatively recent academic orthodoxy: the insistence that ‘…interactive learning and collective entrepreneurship are fundamental to the process of innovation’ (Lundvall, 1992, p. 9). From this, academics have frequently taken “interactive” to imply “inter-organisational” and, whilst one might be concerned by this too casual conflation, there is a growing consensus that firms’ embeddedness in collaborative networks matters for their innovative performance (Gilsing et al., 2008).

III-nitride-based optochemical transducers for gas detection

Customers of modern airplanes not only demand that manufacturers address more efficient propulsion systems but also pollution created by the overall aircraft system. One way of decreasing pollution is the replacement of kerosene burning auxiliary power units (APU) with hydrogen fuel cells. The usage of fuel cells requires a gas sensor system for safe application in an aircraft, and this can be achieved using a novel gas sensitive InGaN/GaN nanowire arrays (NWA) with an optical read out. These NWAs are investigated in this thesis and exhibit an efficient photolumines-cence (PL) which extends to temperatures of 200°C and beyond and show a chemical sensitivity towards gases and liquids. The gas sensing test revealed that InGaN/GaN NWA can have a quenching or an enhancing PL when exposed to different gas atmos-pheres which depends on both the type of adsorbate and the operation conditions of the transducer. All groups of tested analytes have in common that they can be described using a Langmuir adsorption isotherm. However, the adsorption energy and the response direction is gas species dependent. Oxidizing gases such as O2, NO2 and O3 quench the PL intensity whereas hydrocarbons, under the certain conditions, can increase the PL. Evaluation of the Langmuir adsorption energy showed an approximately linear increase with temperature in the range from room temperature to 150°C. This phenomenon was attributed to a competitive adsorption process onto a limited number of adsorption sites on the InGaN/GaN surfaces. Hydrocarbons showed an insignificant gas response when these are diluted in nitrogen. However, a PL enhancing effect can be observed when these gases are diluted in synthetic air and this effect is increased at elevated temperatures. This behavior is attributed to an indirect gas sensing process which includes a surface oxidation reaction of the analytes and a removal of PL quenching pre-adsorbed oxygen and formation of combustion products such as CO2 and H2O. CO2 hardly shows any effect on the PL intensity but H2O shows an interesting effect on the PL intensity as it can be of PL quenching and PL enhancing nature depending on the operation conditions. In the low temperature and excitation energy regime water molecules are able to increase the surface recombination process but at elevated temperatures and due to electrochemically dissociated water molecules these recombination channels are passivated and the PL is enhanced.Auf den Anforderungslisten für moderne Flugzeuge stehen nicht nur effiziente An- triebssysteme, sondern ein möglichst ökologisches Gesamtflugzeugsystem. Eine Möglichkeit, die Umweltverschmutzung zu verringern, ist der Ersatz von kerosinbetriebenen Hilfsaggregaten (APU) durch Wasserstoff-Brennstoffzellen. Der Einsatz von Brennstoffzellen erfordert ein Gassensorsystem für den sicheren Betrieb in einem Flugzeug, was mit einem neuartigen gasempfindlichen InGaN/GaN-Nanodraht-Array (NWA) mit optischer Auslesung erreicht werden kann. Solche NWA, dessen Photolumineszenz (PL) auch bei Temperaturen über 200°C stabil ist und eine Sensitivität gegenüber Gasen und Flüssigkeiten aufweist, wurden im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Gassensor-Tests ergaben, dass die PL des InGaN/GaN NWA sowohl verstärkt als auch reduziert werden kann wenn es unterschiedlichen Gasatmosphären ausgesetzt wird, was sowohl von der Art des Adsorbats als auch von den Betriebsbedingungen des Transducers abhängt. Bei allen untersuchten Gasen konnten Langmuir-Adsorptionsisothermen deren Adsorption beschreiben. Die Adsorptionsenergie und die Richtung des Gasresponses sind jedoch von der Art des Gases abhängig. Oxidierende Gase wie O2, NO2 und O3 reduzieren die PL-Intensität, während Kohlenwasserstoffe unter bestimmten Bedingungen die PL erhöhen können. Die Auswertung der Langmuir-Adsorptionsenergie ergab einen annähernd linearen Anstieg im Bereich von Raumtemperatur bis 150°C. Dieses Phänomen wurde auf einen konkurrierenden Adsorptionsprozess auf der InGaN/GaN-Oberfläche zurückgeführt. Kohlenwasserstoffe zeigten eine unwesentliche Gasreaktion wenn diese in Stickstoffhintergrund gemessen wurden. Ein PL-verstärkender Effekt kann jedoch beobachtet werden, wenn diese Gase in synthetischer Luft gemischt werden und dieser Effekt wurde bei erhöhten Temperaturen noch weiter verstärkt. Dieses Verhalten wird einem indirekten Gasdetektionsprozess zugeschrieben, der eine Oberflächenoxidationsreaktion der Analyten mit einer Verdrängung von adsorbiertem Sauerstoff und der Bildung von Verbrennungsprodukten wie CO2 und H2O beinhaltet. CO2 hat kaum einen Einfluss auf die PL, aber H2O zeigt einen interessanten Einfluss auf die PL-Intensität, da es je nach Betriebsbedingungen der NWA von PL-reduzierender als auch PL-verstärkender Natur sein kann. Im Niedrigtemperatur- und Anregungsenergiebereich sind Wassermoleküle in der Lage, den Oberflächenrekombinationsprozess zu verstärken, aber bei erhöhten Temperaturen und durch elektrochemisch-dissoziierte Wassermoleküle werden diese Rekombinationskanäle passiviert und die PL erhöht

SPHERE: the exoplanet imager for the Very Large Telescope

Observations of circumstellar environments to look for the direct signal of exoplanets and the scattered light from disks has significant instrumental implications. In the past 15 years, major developments in adaptive optics, coronagraphy, optical manufacturing, wavefront sensing and data processing, together with a consistent global system analysis have enabled a new generation of high-contrast imagers and spectrographs on large ground-based telescopes with much better performance. One of the most productive is the Spectro-Polarimetic High contrast imager for Exoplanets REsearch (SPHERE) designed and built for the ESO Very Large Telescope (VLT) in Chile. SPHERE includes an extreme adaptive optics system, a highly stable common path interface, several types of coronagraphs and three science instruments. Two of them, the Integral Field Spectrograph (IFS) and the Infra-Red Dual-band Imager and Spectrograph (IRDIS), are designed to efficiently cover the near-infrared (NIR) range in a single observation for efficient young planet search. The third one, ZIMPOL, is designed for visible (VIR) polarimetric observation to look for the reflected light of exoplanets and the light scattered by debris disks. This suite of three science instruments enables to study circumstellar environments at unprecedented angular resolution both in the visible and the near-infrared. In this work, we present the complete instrument and its on-sky performance after 4 years of operations at the VLT.Comment: Final version accepted for publication in A&

Electro-optic frequency combs and their applications in high-precision metrology and high-speed communications

Optische Frequenzkämme haben sich in den letzten Jahren zu einem vielseitigen Werkzeug im Bereich der Optik und Photonik entwickelt. Sie ermöglichen den Zugang zu einer Vielzahl von schmalbandigen Spektrallinien, die einen breiten Spektralbereich abdecken und gleichzeitig hochgenau definierte Frequenzen aufweisen. Dadurch wurden Experimente in vielfältigen Anwendungsgebieten ermöglicht, zum Beispiel in den Bereichen optischer Atomuhren, der Präzisionsspektroskopie, der Frequenzmesstechnik, der Distanzmesstechnik und der optischen Telekommunikation. Allerdings umfassen übliche Frequenzkammquellen und die jeweiligen Laboraufbauten typischerweise komplexe opto-elektronische und opto-mechanische Anordnungen, welche aufgrund von Baugröße und fehlender Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperatur bislang kaum Einzug in breitere industrielle Anwendungen gefunden haben. Diese Arbeit legt deshalb ein besonderes Augenmerk auf die praktische Nutzbarkeit von frequenzkamm-basierten Systemen in industriellen Anwendungen. Im Fokus stehen dabei Robustheit, Kompaktheit und flexible Anpassungsmöglichkeiten an die jeweilige Anwendung. Das bezieht sich sowohl auf die Frequenzkammquellen selbst, als auch auf die zugehörigen anwendungsspezifischen optischen Systeme, in welchen die Frequenzkämme genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wird das Potential elektro-optischer Frequenzkämme in der optischen Messtechnik sowie der optischen Kommunikationstechnik anhand ausgewählter experimenteller Demonstrationen untersucht. Als Mittel zur Realisierung miniaturisierter optischer Systeme mit einem Flächenbedarf von wenigen Quadratmillimetern wird die photonische Integration in Silizium verfolgt. Ein integriertes System zur Frequenzkamm-basierten Distanzmessung sowie integriert-optische Frequenzkammquellen werden demonstriert. Die Erzeugung von Frequenzkämmen durch Dauerstrichlaser in Kombination mit elektro-optischen Modulatoren ist dabei ein besonders vielversprechender Ansatz. Zwar werden dabei üblicherweise kleinere optische Bandbreiten erzielt als bei der weitverbreiteten Frequenzkammerzeugung durch modengekoppelte Ultrakurzpulslaser oder durch Kerr-Nichtlinearitäten, aber es bieten sich andere wertvolle Vorteile an. So erlaubt die elektro-optische Kammerzeugung beispielsweise eine nahezu freie Wahl der Mittenfrequenz durch Auswahl oder Einstellung des Dauerstrichlasers. Durch den Einsatz verschiedener Laser können sogar gleichzeitig mehrere Frequenzkämme unterschiedlicher Mittenfrequenz erzeugt werden, was sich in verschiedenen Anwendungen vorteilhaft ausnutzen lässt. Dies wird in dieser Arbeit anhand zweier Beispiele aus der optischen Messtechnik demonstriert, siehe Kapitel 3 und Kapitel 5. Der Kammlinienabstand ist bei elektro-optisch erzeugten Kämmen definiert durch die elektronisch erzeugte Modulationsfrequenz. Das bietet mehrere Vorteile: Der Linienabstand ist frei einstellbar, sehr stabil, und einfach rückführbar auf einen Frequenzstandard. Der Verzicht auf einen optischen Resonator macht die Kammquelle robust gegenüber Umwelteinflüssen wie z.B. Vibration. Zudem machen Fortschritte bei der Entwicklung von hochintegrierten optischen Modulatoren auf Silizium eine Umsetzung der Frequenzkammquellen in Siliziumphotonik möglich. Die erste derartige Komponente und deren Anwendung in der optischen Telekommunikation wird in Kapitel 6 vorgestellt. Photonische Integration in Silizium bietet außerdem das Potential, miniaturisierte optische Systeme mit vielfältiger Funktionalität zu realisieren. Solche Systeme zeichnen sich durch extrem kleinen Platzbedarf, Kompatibilität mit hochentwickelten und massentauglichen Fertigungstechniken aus der CMOS-(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-Mikroelektronik und durch die Möglichkeit zur Kointegration elektronischer Schaltungen auf demselben Chip aus. Die hohe Integrationsdichte eröffnet die Perspektive, optische Systeme z.B. für Sensorik tief in industriellen Maschinen zu integrieren. Kapitel 1 gibt eine kurze Einführung in optische Frequenzkämme und deren vielfältige Anwendungen in Wissenschaft und Technik. Der Stand der Technik zu unterschiedlichen Ansätzen zur Frequenzkammerzeugung und deren jeweiligen Eigenschaften werden diskutiert, und es werden die Vorzüge der in dieser Arbeit verwendeten elektro-optischen Frequenzkämme erläutert. Des Weiteren wird die Integration photonischer Systeme und Bauelemente auf Silizium vorgestellt. Schließlich werden die sich ergebenden Vorteile bei der Anwendung in optischer Messtechnik und optischer Telekommunikation diskutiert. Kapitel 2 fasst die physikalischen Grundlagen der Arbeit zusammen. Die Funktionsprinzipien elektro-optischer Modulatoren werden beschrieben sowie deren Anwendung zur Erzeugung von Frequenzkämmen. Zusätzlich wird das Konzept sogenannter synthetischer Wellenlängen eingeführt, welches in der optischen Distanzmesstechnik Anwendung findet. Kapitel 3 beschreibt ein Prinzip zur Distanzmessung mittels zweier elektro-optischer Frequenzkämme zur kontaktlosen Vermessung technischer Objekte. Die Leistungsfähigkeit des Ansatzes wird durch eine Erfassung von ausgedehnten Oberflächenprofilen in Form von Punktwolken demonstriert, wobei eine verhältnismäßig kurze Messzeit von 9.1 µs pro Punkt ausreichend ist. Dabei wird der faseroptisch angebundene Sensorkopf von einer Koordinatenmessmaschine über die Oberfläche bewegt. Durch Temperaturschwankungen im faser-optischen Aufbau ausgelöste Messabweichungen werden durch die Messung mit Lasern unterschiedlicher Emissionsfrequenz kompensiert. Kapitel 4 beschreibt ein integriert-optisches System auf Silizium zur frequenzkamm-basierten Distanzmessung. Das System beinhaltet das zum Heterodynempfang genutzte Interferometer inklusive eines einstellbaren Leistungsteilers sowie der Photodetektoren. Der Platzbedarf aller Komponenten auf dem Siliziumchip beträgt 0.25 mm$^{2}$. Der Chip wird in dem in Kapitel 3 eingeführten Messverfahren eingesetzt, wobei Distanzmessungen mit Root-mean-square-Fehlern von 3.2 µm und 14 µs Erfassungszeit demonstriert werden. Kapitel 5 stellt ein Distanzmesssystem vor, bei welchem eine grobauflösende Phasenlaufzeitmessung mit großem Eindeutigkeitsbereich mit einer interferometrischen Distanzmessung mit synthetischen Wellenlängen zur Verfeinerung der Messgenauigkeit kombiniert wird. Die durch vier Laser erzeugten synthetischen Wellenlängen bzw. die Frequenzabstände der Laser werden zeitgleich zur Distanzmessung mittels eines auf elektro-optischer Modulation basierenden Verfahrens vermessen. Durch diese Referenzierung wird der Einsatz freilaufender Laser ohne Wellenlängenstabilisierung ermöglicht. Es werden Messraten von 300 Hz und Genauigkeiten im Mikrometerbereich erreicht. Kapitel 6 beschreibt die weltweit erste Demonstration elektro-optischer Frequenzkammquellen auf Silizium und die hierzu genutzte hybride Materialplattform aus Silizium und organischen Materialien (Silicon-Organic Hybrid, SOH). Spektral flache Frequenzkämme mit 7 Linien innerhalb von 2 dB und Linienabständen von 25 GHz und 40 GHz werden erzeugt. Die praktische Anwendbarkeit solcher Frequenzkämme wird durch eine Reihe von Datenübertragungexperimenten demonstriert. Die einzelnen Kammlinien dienen als Träger für Daten in einem Wellenlängenmultiplex-System, womit eine spektral effiziente Datenübertragung mit Datenraten von über 1 Tbit/s über Distanzen von bis zu 300 km demonstriert wird. Kapitel 7 fasst die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die Möglichkeiten, die sich durch weiterentwickelte Kammquellen und fortschreitende Möglichkeiten in der photonischen Integration ergeben