Hybrid Silicon-Photonic Circuits with Second-Order Optical Nonlinearities

Die integrierte Optik ermöglicht die Miniaturisierung diskreter photonischer oder elektro-optischer (EO) Komponenten und die Kombination dieser Bauelemente in komplexen photonischen integrierten Schaltungen (engl. photonic integrated circuit, PIC) auf kompakten Mikrochips. Die Silizium-Photonik (SiP) ist eine sehr attraktive Plattform für die photonische Integration, da sie ausgereifte Herstellungsprozesse aus der Mikroelektronik nutzen kann. Damit eröffnet die Silizium-Photonik die Möglichkeit zur kostengünstigen Massenproduktion von photonischen Chips mit hoher Ausbeute und Reproduzierbarkeit. Darüber hinaus erlaubt der große Brechungsindexkontrast zwischen dem als Wellenleiterkern dienendem Silizium (Si) und dem als Mantelmaterial verwendeten Siliziumdioxid die Herstellung von Wellenleitern mit kleinen Querschnitten und kleinen Krümmungsradien, was die Integrationsdichte im Vergleich zu anderen Materialplattformen erhöht. Die Silizium-Photonik hat jedoch einen entscheidenden Nachteil: Aufgrund seines inversionssymmetrischen Kristallgitters besitzt Silizium keine Nichtlinearität zweiter Ordnung. Folglich sind Bauelemente wie optische Frequenzkonverter, optische Logikgatter, verschränkte Photonenquellen und vor allem elektro-optische Modulatoren, welche auf dem Pockels-Effekt basieren, auf der SiP-Plattform nicht ohne Weiteres realisierbar. Die hybride Integration von Silzium-Nanowellenleitern mit anderen Materialien, die eine Nichtlinearität zweiter Ordnung aufweisen, ist daher für die Erweiterung des Portfolios von SiP-Bauelementen von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze für die hybride Integration in SiP-Schaltungen untersucht. Der erste Ansatz stütz sich auf hocheffiziente organische EO Materialien, die mit siliziumphotonischen Wellenleiterstrukturen in einem Back-End-of-Line-Prozess kombiniert werden, um sogenannte Silicon-Organic Hybrid (SOH) EO Modulatoren zu realisieren. In dieser Arbeit werden SOH-Modulatoren demonstriert, die neue Rekorde in Bezug auf Modulationseffizienz, optische Einfügungsdämpfung und demonstrierte Datenrate definieren. Darüber hinaus wird die thermische Langzeitstabilität dieser Bauelemente bei 85 °C validiert. Der zweite Ansatz beruht auf neuartigen anorganischen Nanolaminat-Dünnfilmen, die durch Atomlagenabscheidung (ALD) gewachsen werden. Aufgrund des frühen Forschungsstadiums wurden diese Materialien nicht direkt auf SiP-Chips, sondern auf Glassubstraten gewachsen und durch die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG) charakterisiert. In dieser Arbeit werden SHG-Charakterisierungstechniken für Nanolaminate untersucht und ein neues Nanolaminat vorgestellt. Perspektivisch könnte ALD allerdings auch für die Beschichtung von SiP-Chips verwendet werden. Das konforme ALD-Wachstum bietet sich hierbei an, um präzise definierte Schichtfolgen auch auf komplexen Wellenleiterstrukturen mit hoher Reproduzierbarkeit abzuscheiden. Diese beiden Ansätze werden in der vorliegenden Arbeit näher beschrieben. Kapitel 1 gibt eine Einführung in die integrierte Optik und erläutert die Notwendigkeit der Hybridintegration von optisch-nichtlinearen Materialien zweiter Ordnung in SiP-Schaltungen. Kapitel 2 fasst den theoretischen Hintergrund, führt die für diese Arbeit relevanten Aspekte der nichtlinearen Optik ein und gibt einen Überblick über verschiedene Klassen von nichtlinearen Materialien zweiter Ordnung. Darüber hinaus wird der Stand der Technik von Mach-Zehnder-Modulatoren auf der SiP-Plattform vorgestellt. In Kapitel 3 wird die sehr hohe Modulationseffizienz von SOH-Modulatoren demonstriert. Dabei wird ein Mach-Zehnder-Modulator diskutiert, bei dem das Produkt aus π-Spannung und Länge nur 0,32 Vmm beträgt. Im Vergleich zu modernsten SiP-Modulatoren stellt dieser Wert eine Verbesserung um mehr als eine Größenordnung dar. Diese hohe Effizienz ermöglicht eine optische Signalerzeugung mit einer Datenrate von 40 Gbit/s unter Verwendung sehr kleiner Peak-to-Peak Treiberspannungen von nur 140 mV$_{\rm{pp}}$. Kapitel 4 stellt einen kompakten SOH-Modulator mit einer optischen Dämpfung des Phasenschiebers von unter 1 dB vor – dies entspricht dem niedrigsten Wert der jemals für einen ultra-schnellen SiP-Modulator veröffentlicht wurde. Der Nutzen dieses Bauteils für schnelle und effiziente optische Datenübertragung wird in einem Experiment demonstriert, bei dem vierstufige Pulsamplitudenmodulations-Signale (PAM4) bei 100 GBd erzeugt werden. Die hierfür verwendeten Treiberspannungen sind kompatibel mit typischen Spannungspegeln, die von energieeffizienten und hochgradig skalierbaren Complementary Metal-Oxide-Semiconductor-(CMOS­)Bauteilen erzeugt werden können. Kapitel 5 demonstriert die thermische Langzeitstabilität von SOH-Modulatoren gemäß den Telcordia-Normen für die Lagerung bei hohen Temperaturen. Die Bauelemente werden bei 85 °C für insgesamt 2700 h gelagert, und es zeigt sich, dass die π-Spannung nach einem schnellen anfänglichen Anstieg auf ein konstantes langzeitstabiles Niveau konvergiert. Weiterhin wird gezeigt, dass die Lagerung bei 85 °C keinen negativen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Bauteile bezüglich der optischen Datenübertragung hat. Dazu wurde eine optische Datenübertragung mit einem SOH-Bauteil durchgeführt, das zuvor für 2700 h bei 85 °C gelagert wurde. Mit dieser Demonstration wird eines der letzten verbleibenden Hindernisse auf dem Weg zum technischen Einsatz von SOH-Bauteilen adressiert: Die Stabilität der zugrundeliegenden organischen Materialien. In Kapitel 6 werden zwei verschiedene Techniken zur Messung von SHG von anorganischen Nanolaminaten und zur Bestimmung der zugehörigen Elemente des $\chi^{(2)}$-Tensors untersucht. Die Vor- und Nachteile der beiden Methoden werden verglichen und die Quellen für Messfehler identifiziert. Kapitel 7 stellt ein neuartiges binäres Nanolaminatmaterial vor, das auf abwechselnden Schichten aus Zinkoxid und Aluminiumoxid basiert. Die ermittelte Nichtlinearität zweiter Ordnung ist mehr als dreimal so groß wie bei zuvor veröffentlichten ternären Nanolaminaten. Kapitel 8 fasst die Themen dieser Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Arbeiten zu SOH-Modulatoren und Nanolaminat-Dünnfilmen

Path Reweighting Methods for underdamped Langevin Dynamics for Molecular Systems

Knowledge about the dynamical properties of biomolecules is essential to understand their function in biological processes. This thesis approaches the task to compute dynamical properties with two different strategies. Part A focuses on Molecular Dynamics (MD) simulations combined with path reweighting. Three of the most widely used underdamped Langevin integrators for MD simulations are the splitting methods BAOAB and BAOA which are available in the MD packages OpenMM and AMBER and the Gromacs Stochastic Dynamics (GSD) integrator implemented in GROMACS. We found that all three integrators are equivalent configurational sampling algorithms and thus yield configurational properties at equivalent accuracy. MD simulations with stochastic integrators such as Langevin integrators offer the possibility to reweight estimated dynamical properties using path reweighting. With path reweighting we can for example recover the original dynamics from MD simulation that have been conducted with enhanced sampling methods. The key component of path reweighting is the path reweighting factor M which strongly depends on the chosen integrator. We derive M_L for underdamped Langevin dynamics propagated by a variant of the Langevin Leapfrog integrator. Additionally, we present two strategies which can be used as blueprints to straightforwardly derive M_L for other Langevin integrators. The previously reported path reweighting factor matches the Euler-Maruyama integrator for overdamped Langevin dynamics and was used as standard reweighting factor even though the MD simulation was conducted with an underdamped Langevin integrator. We prove that this path reweighting factors differs from the exact M_L only by O(ξ^4 ∆t^4) and thus yields highly accurate dynamical reweighting results (∆t is the integration time step, and ξ is the collision rate.). Part B of this thesis combines experimental and theoretical approaches to investigate Multiple Inositol Polyphosphate Phosphatase 1 (MINPP1)-mediated inositol polyphosphate (InsP) networks. We use 13C-labeling experiments combined with nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) to uncover a novel branch of InsP dephosphorylation in human cells. Additionally, we extract the corresponding reaction rates using a Markovian kinetic scheme as theoretical model to describe the network

Ein Generator mit Anfragesystem für strukturierte Wörterbücher zur Unterstützung von Texterkennung und Textanalyse

Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Konzeption eines strukturierten Lexikons, welches den Zugriff auf Wörter und deren Information auf zwei grundsätzlich verschiedene Weisen erlaubt. Zum einen erfolgt der Zugriff über ein 3-faches Hashing, das in Abhängigkeit vom Grad der Erkennung der einzelnen Zeichen automatisch eine der drei verfügbaren Hashfunktionen wählt. Dabei kann der Benutzer zusätzliches Wissen in Form sogenannter Sichten zur Beschleunigung der Anfrage bzw. zur Einschränkung der zurückgelieferten Wortmenge einfließen lassen. Zum anderen ist die Benennung einer Sicht möglich. Diese Art des Zugriffs liefert alle Einträge zurück, die unter dem entsprechenden Sichtnamen zusammengefaßt worden sind. Die Realisierung solcher Sichten ist ein wesentlicher Bestandteil des Systems, da das somit implizierte Wissen von den Benutzern auf vielfältige Art genutzt werden kann: einerseits kann die Mitgliedschaft eines Eintrages zu einer Sicht in Erfahrung gebracht werden, andererseits hat man die Möglichkeit, Sichten und deren logische Verknüpfung zur direkten Abfrage bzw. zur Einschränkung des Suchraumes zu verwenden. Zum Aufbau der dafür benötigten komplexen Struktur des virtuell partitionierten Lexikons wird eine aufwendige Generierungsphase notwendig. Die vorliegende Arbeit beschreibt das zugrundegelegte Konzept und seine Vorteile gegenüber anderen Lösungsansätzen sowie den benötigten Generator und ein Laufzeitsystem, das umfangreiche Zugriffe auf dem virtuell partitionierten Lexikon erlaubt

Aktuelle Entwicklungen des Wettbewerbs der Gesellschaftsrechte

Die drei causes célèbres des EuGH zur Niederlassungsfreiheit der Gesellschaften, Centros, Überseering und Inspire Art , haben eine Flut von Anmerkungen, Besprechungsaufsätzen und Monographien hervorgebracht, die den Beginn des Wettbewerbs der Gesellschaftsrechtsordnungen" oder des Wettbewerbs der Gesellschaftsrechtsgesetzgeber" prognostizierten . Je nach grundsätzlicher Einstellung des Autors zum institutionellen Wettbewerb malten manche eine schädliche deregulierungsspirale, ein race to laxity", als Schreckbild an die Wand , andere dagegen sahen ein race to the top" voraus; der Wettbewerb werde als Genius" wirken und für ein besseres und moderneres Gesellschaftsrecht sorgen. Fast sieben Jahre nach Centros scheint die Zeit reif zu sein, aus einer gewissen Distanz heraus ein Zwischenfazit zu ziehen. Dabei geht es vor allem um die Frage, ob Centros und die Folgeentscheidungen überhaupt einen Wettbewerb auslösen konnten und de facto ausgelöst haben . Erst danach kann sinnvollerweise gefragt werden, ob der Wettbewerb positiv oder negativ zu beurteilen ist, oder ob es sich vielleicht, wie ein amerikanischer Autor zum US-Recht einmal gesagt hat, um ein race to nowhere in particular" handelt. Damit ist bereits die Grobgliederung der folgenden Ausführungen vorgegeben: Im ersten Teil (II.) wird es um die Rahmenbedingungen des Wettbewerbs gehen. Welche Aspekte haben sich mit Centros und der nachfolgenden Entwicklung verändert? Der zweite Teil (III.) wird der Frage nachgehen, ob sich ein wettbewerbliches Verhalten von Gesetzgebern, mit anderen Worten, eine Teilnahme als Anbieter am Markt der Gesellschaftsformen empirisch feststellen lässt. Schließlich ist der Wettbewerb, soweit er überhaupt feststellbar ist, zu bewerten. Hat er positive oder negative Ergebnisse gezeitigt? (IV.). Vorauszuschicken sind ein paar Bemerkungen zum Verhältnis der folgenden Ausführungen zu wirtschaftswissenschaftlichen Erkenntnissen, insbesondere auf dem Gebiet der institutionellen Ökonomik. Dieser Beitrag ist nicht interdisziplinär in dem Sinne, dass er gleichermaßen zum Erkenntnisfortschritt auf dem Gebiet der Wirtschafts- und der Rechtswissenschaft beitragen könnte. Er bedient sich nur der Ergebnisse der ökonomischen Forschung. Sollten die Vertreter der ökonomischen Disziplin den Vorwurf machen, ich hätte hier oder dort ein falsches Modell gewählt oder Erkenntnisse der Institutionenökonomik nicht hinreichend gewürdigt, so soll das alles gerne konzediert werden. Der Beitrag will nicht Modelle des institutionellen Wettbewerbs gegenüberstellen, kritisieren oder gar neue entwerfen, sondern ist bescheidener angelegt: Er will den Ist-Zustand des Wettbewerbs der Gesellschaftsrechtsgesetzgeber, seine Rahmenbedingungen, seine Existenz und seine potentiellen Wirkungen beschreiben. Ich bediene mich dazu eines einfachen Modells des institutionellen Wettbewerbs, das ich von Manfred Streit übernommen habe , und das mir nach wie vor geeignet erscheint, um die verschiedenen Ingredenzien des Wettbewerbs, vor allem die Anbieter- und die Nachfragerseite zu beleuchten.

GROMACS Stochastic Dynamics and BAOAB are equivalent configurational sampling algorithms

Two of the most widely used Langevin integrators for molecular dynamics simulations are the GROMACS Stochastic Dynamics (GSD) integrator and the splitting method BAOAB. We show that the GROMACS Stochastic Dynamics integrator is equal to the less frequently used splitting method BAOA. It immediately follows that GSD and BAOAB sample the same configurations and have the same high configurational accuracy. Our numerical results indicate that GSD/BAOA has higher kinetic accuracy than BAOAB

Path probability ratios for Langevin dynamics -- exact and approximate

Path reweighting is a principally exact method to estimate dynamic properties from biased simulations - provided that the path probability ratio matches the stochastic integrator used in the simulation. Previously reported path probability ratios match the Euler-Maruyama scheme for overdamped Langevin dynamics. Since MD simulations use Langevin dynamics rather than overdamped Langevin dynamics, this severely impedes the application of path reweighting methods. Here, we derive the path probability ratio $M_L$ for Langevin dynamics propagated by a variant of the Langevin Leapfrog integrator. This new path probability ratio allows for exact reweighting of Langevin dynamics propagated by this integrator. We also show that a previously derived approximate path probability ratio $M_{\mathrm{approx}}$ differs from the exact $M_L$ only by $\mathcal{O}(\xi^4\Delta t^4)$, and thus yields highly accurate dynamic reweighting results. ($\Delta t$ is the integration time step, $\xi$ is the collision rate.) The results are tested and the efficiency of path-reweighting is explored using butane as an example

A Capability Framework for IT Service Integration and Management in Multi-Sourcing

Multi-sourcing, the blending of services from multiple external and internal providers, has gradually become the standard mode of operation in IT outsourcing. It allows companies to assemble a best-of-breed provider portfolio and to reduce costs. A key difference between single- and multi-sourcing is the potential interdependence between services delivered by multiple providers. To deliver a seamless service to the client’s business units, various services often need to be integrated and managed as an end-to-end service. This activity is denoted as service integration and management. Many clients, however, are having difficulties implementing and performing this important task. Therefore, we explore which IT capabilities organizations need to build for performing service integration and management. \ \ After deriving challenges from literature, we perform a multi-stage qualitative study based on a series of focus group sessions and expert interviews. In a qualitative content analysis, we develop a framework of IT capabilities which enable successful service integration and management by addressing the key challenges. We, thus, aim to contribute to more effective multi-sourcing solutions in practice and to lay the groundwork for future research in this important field

Calculation of the Geometries and Infrared Spectra of the Stacked Cofactor Flavin Adenine Dinucleotide (FAD) as the Prerequisite for Studies of Light-Triggered Proton and Electron Transfer

Kieninger M, Ventura ON, Kottke T. Calculation of the Geometries and Infrared Spectra of the Stacked Cofactor Flavin Adenine Dinucleotide (FAD) as the Prerequisite for Studies of Light-Triggered Proton and Electron Transfer. Biomolecules. 2020;10(4): 573.Flavin cofactors, like flavin adenine dinucleotide (FAD), are important electron shuttles in living systems. They catalyze a wide range of one- or two-electron redox reactions. Experimental investigations include UV-vis as well as infrared spectroscopy. FAD in aqueous solution exhibits a significantly shorter excited state lifetime than its analog, the flavin mononucleotide. This finding is explained by the presence of a “stacked” FAD conformation, in which isoalloxazine and adenine moieties form a π-complex. Stacking of the isoalloxazine and adenine rings should have an influence on the frequency of the vibrational modes. Density functional theory (DFT) studies of the closed form of FAD in microsolvation (explicit water) were used to reproduce the experimental infrared spectra, substantiating the prevalence of the stacked geometry of FAD in aqueous surroundings. It could be shown that the existence of the closed structure in FAD can be narrowed down to the presence of only a single water molecule between the third hydroxyl group (of the ribityl chain) and the N7 in the adenine ring of FAD

Coherent modulation up to 100 GBd 16QAM using silicon-organic hybrid (SOH) devices

We demonstrate the generation of higher-order modulation formats using silicon-based inphase/quadrature (IQ) modulators at symbol rates of up to 100 GBd. Our devices exploit the advantages of silicon-organic hybrid (SOH) integration, which combines silicon-on-insulator waveguides with highly efficient organic electro-optic (EO) cladding materials to enable small drive voltages and sub-millimeter device lengths. In our experiments, we use an SOH IQ modulator with a {\pi}-voltage of 1.6 V to generate 100 GBd 16QAM signals. This is the first time that the 100 GBd mark is reached with an IQ modulator realized on a semiconductor substrate, leading to a single-polarization line rate of 400 Gbit/s. The peak-to-peak drive voltages amount to 1.5 Vpp, corresponding to an electrical energy dissipation in the modulator of only 25 fJ/bit

Electrically packaged silicon-organic hybrid (SOH) I/Q-modulator for 64 GBd operation

Silicon-organic hybrid (SOH) electro-optic (EO) modulators combine small footprint with low operating voltage and hence low power dissipation, thus lending themselves to on-chip integration of large-scale device arrays. Here we demonstrate an electrical packaging concept that enables high-density radio-frequency (RF) interfaces between on-chip SOH devices and external circuits. The concept combines high-resolution $\mathrm{Al_2O_3}$ printed-circuit boards with technically simple metal wire bonds and is amenable to packaging of device arrays with small on-chip bond pad pitches. In a set of experiments, we characterize the performance of the underlying RF building blocks and we demonstrate the viability of the overall concept by generation of high-speed optical communication signals. Achieving line rates (symbols rates) of 128 Gbit/s (64 GBd) using quadrature-phase-shiftkeying (QPSK) modulation and of 160 Gbit/s (40 GBd) using 16-state quadrature-amplitudemodulation (16QAM), we believe that our demonstration represents an important step in bringing SOH modulators from proof-of-concept experiments to deployment in commercial environments