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Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, wie man Finite Elemente Methoden auf unbeschränkte Gebiete erweitern kann. Dazu wird hauptsächlich die Helmholtz Gleichung verwendet, mit deren Hilfe die theoretischen Aspekte präsentiert und vertieft werden. Ganz allgemein betrachtet, muss man im Falle eines unbeschränkten Gebietes eine zusätzliche Bedingung an Lösungen stellen, welche im Wesentlichen das Verhalten im Unendlichen beschreibt. Dies geschieht in der vorliegenden Arbeit mit Hilfe des sogenannten Dirichlet-to-Neumann Operators (kurz DtN), welcher nicht nur in der Theorie eindeutige Lösungen garantiert, sondern ebenfalls die Betrachtung eines beschränkten Gebietes nach Setzen eines transparenten Randes ermöglicht. Aus Sicht der Numerik ist somit eine Diskretisierung jenes Operators notwendig. Dazu präsentieren wir die Learned Infinite Elemente Methode, die daraus besteht, die Finite Elemente Matrix über externe Freiheitsgrade so zu erweitern, dass deren Schur Komplement den exakten Operator bestmöglich“ approximiert.”Dabei werden die zusätzlichen Freiheitsgrade über ein gewisses Optimierungsproblem bestimmt. Essentiell für die Verwendung der oben genannten Methode ist die Voraussetzung, dass der exakte DtN Operator als unendliche Reihe mittels einer bestimmten Basis dargestellt werden kann. In den numerischen Experimenten wurde durch Lösen der Helmholtz Gleichung auf Wellenleitern mit Streukörpern nachgewiesen, dass die Learned Infinite Elemente äußerst effizient einsetzbar ist und insbesondere schon mit vergleichsweise wenigen zusätzlichen Freiheitsgraden hohe Konvergenzraten aufweist. In Kombination mit der Integralmethode wurde überdies die bislang nur für Streuprobleme verwendete Diskretisierung des DtN Operators ebenfalls zur Berechnung von Eigenwerten auf unbeschränkten Gebieten erweitert. In diversen Experimenten konnte demnach die Konvergenz anhand der Berechnung von Eigenwerten des negativen Laplace Operators auf unbeschränkten Wellenleitern bestätigt werden., This paper covers the question, how Finite Element Methods can be used when trying to solve partial diffrential equations on unbounded domains. Throughout this thesis, the Helmholtz equation will be used to present techniques and to illustrate theoretical aspects. In general, if one is interested in problems on unbounded domains, one needs to demand an additional condition to solutions, that vaguely speaking describes the behavior nearby ”infinity“. This can be done with the so-called Dirichlet-to-Neumann (DtN) operator, which not only guarantees uniqueness of solutions theoretically, but also enables re-formulating of the problem to a bounded domain with the help of a transparent boundary. From thenumerical point of view, one therefore needs to additionally discretize this operator to gather approximate solutions. One of the main topics will therefore be the presentation of the Learned Infinite Elements Method, which consists of extending the Finite Element matrix via so called external degrees of freedoms such that the respective Schur complement approximates the DtN operator in the best possible“ way. These additional entries will be obtained through a certain optimization problem. An essential assumption to apply the above method is that the exact DtN operator can be described as a series with the help of a certain basis. In various numerical experiments it was shown by seeking solution of the Helmholtz equation in waveguides, that the Learned Infinite Elements Method resulted in high convergence rates even for relatively few exterior degrees of freedom. In combination with the integral method we could in addition use the previously described discretization of the DtN operator to calculate eigenvalues on unbounded domains. In several numerical experiments we could even verify convergence by calculating eigenvalues of the negative Laplace operator in unbounded waveguides.

This thesis investigates the origin of mechanically decoupled quantum emitters in hexagonal Boron Nitride and uses this emitter type for random number generation experiments. Furthermore, Nitrogen- and Silicon-vacancy centers in diamond integrated in laser-written diamond waveguides are employed for magnetometry and on-chip single photon experiments.

Die Erkennung und Identifizierung von Zielen sind entscheidende Schritte in der Kette der Radarsignalverarbeitung. Aufgrund der hohen Auflösung sind abbildende Radare für diese Aufgaben gut geeignet. In dieser Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das auf der Zerlegung von Radarbildern in verschiedene Streumechanismen basiert. Das Ziel dieses Verfahrens ist die Identifizierung von spezifischen Streuzentren bestimmter Ziele. Diese spezifischen Streuzentren können in weiteren Schritten der Identifizierung genutzt werden um z.B. die Menge der möglichen Ziele einzuschränken. Als Anwendungsbeispiel wird in dieser Arbeit die Trennung der Echos von Strahltriebwerken sowie von isotropen Streuzentren genutzt. Zur Modellierung der Echos von Strahltriebwerken wird ein Wellenleitermodell genutzt, welches sehr verbreitet in der Modellierung von Radarechos ist. Die zum Verständnis des Modells notwendigen Grundlagen der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Wellenleitern werden im Rahmen dieser Arbeit erläutert. Abschließend steht ein universelles Modell zur Verfügung, das mit beliebigen Wellenformen kombiniert werden kann. Beispielhaft wird die Veränderung des Zeit-Frequenz-Verhaltens einer Chirp-Wellenform dargestellt. Die Trennung der Echos selbst erfolgt mit einem Algorithmus aus dem Bereich der dünnbesetzten Gleichungssysteme. Aus diesem Bereich der Mathematik werden einige grundlegende Zusammenhänge sowie elementare Lösungsverfahren vorgestellt. Das Verfahren das hier zum Einsatz kommt, wird als morphologische Komponentenanalyse bezeichnet, und wurde entwickelt um Signale in Komponenten mit unterschiedlicher Struktur zu zerlegen. Aufgrund dieser Historie erscheint dieses Verfahren als besonders geeignet, das zugrundeliegende Problem zu lösen, und wird daher im Detail vorgestellt. Das grundsätzliche Vorgehen des Verfahrens wird anschließend durch eine Simulation mit verschiedenen kanonischen Formen, d.h. Punkten, Quadraten, Kreisen, Kreuzen und Linien, dargestellt. Um die Fähigkeit des Algorithmus zur Trennung von Triebwerksechos und isotropen Punktstreuern zu bewerten wird eine Simulation mit diesen beiden Arten von Echos durchgeführt. Abschließend wird ein realer Datensatz des Tracking and Imaging Radars (TIRA) des Fraunhofer FHR verwendet, um Ergebnisse mit einem realen Radarsystem zu zeigen., Recognition and Identification of targets are crucial steps in the radar signal processing chain. Due to their high resolution, imaging radars are a well suitable choice for these tasks. This thesis presents a framework, which is based on sparse decomposition of radar images, to identify different kinds of scattering mechanisms. The aim of this framework is the identification of specific parts of certain targets. These specific scattering centers can be used in further steps of identification, e.g. to limit the number of possible targets. As application example, the separation of echoes from jet engines and isotropic scattering centers is used in this thesis. To model the echoes from jet engines a waveguide model is used, which is common in the modeling of radar echoes. The basic principles of electromagnetic wave propagation in waveguides, which are necessary to understand the model, are explained in this thesis. Finally, a universal model is available, which can be combined with arbitrary waveforms. As an example the change of the time-frequency behavior of a chirp waveform is shown. The separation of the echoes themselves is done with an algorithm from the domain of solving sparse systems of equations. From this area of mathematics, some basic relationships and elementary solution methods are presented. The method used in this thesis is called morphological component analysis and was developed to decompose signals into components with different structures. Based on this history, this method seems to be particularly suitable to solve the underlying problem and is therefore presented in detail. The basic procedure of the method is then illustrated by a simulation with different canonical forms, i.e. points, squares, circles, crosses and lines. To evaluate the ability of the algorithm to separate engine echoes and isotropic point scatterers, a simulation with these two types of echoes is performed. Finally, a real data set of the Tracking and Imaging Radar (TIRA) of Fraunhofer FHR is used to show results with a real radar system.

Die Spektroskopie im mittleren Infrarot bietet eine effektive Lösung zur Identifizierung der Absorptionslinien von Zielmolekülen, z.B. in flüssiger Phase. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die grundlegenden Absorptionslinien vieler Moleküle in diesem Wellenlängenbereich liegen. Leider sind die meisten Geräte, für für solche Experimente ziemlich sperrig, was Echtzeitmessungen in Flüssigkeiten erheblich erschwert. Die Verringerung der Größe sperriger photonischer Komponenten ist jedoch eine anspruchsvolle Aufgabe speziell um Sensoren auf Chipgröße zu realisieren. Plasmonische Strukturen in mittleren Infrarot können das Licht auf die Sub-Wellenlängen-Skala für metall-dielektrische Strukturen beschränken. Diese Strukturen können in verschiedenen Arten von flüssigen Phasen verwendet werden,müssen aber in aggressiven Flüssigkeiten geschützt werden. Trotz einer großen Zahl von Arbeiten auf diesem Gebiet, fehlt es noch immer an einem vielversprechenden Materialkonzept gegen Degradation in der Flüssigkeit mit geringen optischen Verlusten.In dieser Arbeit, wurden breitbandige plasmonische Wellenleiterstrukturen auf Ge-Basis untersucht, die sich für die Flüssigkeitsspektroskopie eignen, besonders wenn sie mit verschiedenen schützenden Oberflächenschichten kombiniert werden. Zunächst werden die hochmodernen Ge/Au-basierten surface plasmon polariton (SPP) Wellenleiter hergestellt. Dank der Materialkonfiguration und der Art der SPPs befindet sich der größte Teil der Mode (>96%) in der Luft. Dies führt zu relativ großen Propagationslängen. In Kombination mit dem einfachen Herstellungsverfahren und der relativ großen Propagationslänge bieten Ge-basierte Wellenleiter die gewünschte Plattform für die Sensorik im mittleren Infrarotbereich. Die optischen Verluste und die Kopplungseffizienz der Wellenleiter wer- den durch Anwendung einer ëffektiven cut back techniqueëxtrahiert. Das Ge-basierte Materialkonzept übertrifft bestehende plasmonische Wellenleiter durch niedrige optische Verluste von weniger als 15 dB/mm bei 9.38 μm Wellenlänge.Zum Schutz wurden vier verschiedene nanometer dicke Isolationsschichten verwendet darunter Al2O3, ZrO2, TiO2 und HfO2. Sie wurden durch Atomic Layer Deposition (ALD) aufgebracht., Mid-infrared spectroscopy offers an effective solution to identify absorption lines of target molecules, e.g. in liquid environment. This is due to the fundamental absorptions lines of many molecules lie in this wavelength range. Unfortunately, still most equipment used for such experiments is rather bulky, significantly hampering real-time measurements in liquids so far. Reducing the size of bulky photonic components is one possible way to tackle this problem, but it is a challenging task to realize chip-scale devices. Mid-infrared plasmonic structures can be a solution to that, since they can confine the light to the wavelength-scale, e.g. when using metal-dielectric structures. Those structures can be used in different types of liquid samples, but need protection in aggressive solutions. Despite a large number of papers published in the field, a promising material concept against degradation in the liquid with low optical losses is still missing.In this thesis work, broadband Ge-based plasmonic waveguide structures suitable for liquid spectroscopy are studied when combining them with different protective surface films. First, state-of-the-art Ge/Au-based SPP waveguides are fabricated. Based on the material configuration and the nature of SPPs when using thin Ge confinement layers, the main portion of the mode (>96%) propagates in the surrounding medium (e.g. the liquid sample). This results in relatively long propagation lengths. Combined with the simplicity of the device fabrication procedure, it makes Ge-based waveguides a very promising liquid sensing platform in the mid-infrared spectral range. The optical losses and coupling efficiency of the coated waveguides are extracted by applying an effective cut-back technique. This demonstrates, that the Ge-based material system outperforms existing plasmonic waveguides in the same wavelength range, with its optical losses lower than 15 dB/mm at 9.38 μm.In total four different nanometer-thick insulation layers were used for protection in this work, including: Al2O3, ZrO2, TiO2 and HfO2. They were deposited by Atomic Layer Deposition (ALD). The modal characteristics and propagation losses of the coatings are compared. In addition, both coated and uncoated devices, are submerged into DI-H2O for testing their protective capabilities. This is based on the fact, that water etches bare Ge-surfaces. After 90 min of water exposure, the surface quality of the thin oxide films is investigated by Scanning Electron Microscope (SEM) and Atomic Force Microscope (AFM). The optical losses of coated and uncoated devices are compared to demonstrate the suitability of this approach scheme for broadband spectroscopy in aqueous solution.

Metallic nano-optical systems allow to confine and guide light at the nanoscale, a fascinating ability which has motivated a wide range of fundamental as well as applied research over the last two decades. While optical antennas provide a link between visible radiation and localized energy, plasmonic waveguides route light in predefined pathways. So far, however, most experimental demonstrations are limited to purely optical excitations, i.e. isolated structures are illuminated by external lasers. Driving such systems electrically and generating light at the nanoscale, would greatly reduce the device footprint and pave the road for integrated optical nanocircuitry. Yet, the light emission mechanism as well as connecting delicate nanostructures to external electrodes pose key challenges and require sophisticated fabrication techniques. This work presents various electrically connected nano-optical systems and outlines a comprehensive production line, thus significantly advancing the state of the art. Importantly, the electrical connection is not just used to generate light, but also offers new strategies for device assembly. In a first example, nanoelectrodes are selectively functionalized with self-assembled monolayers by charging a specific electrode. This allows to tailor the surface properties of nanoscale objects, introducing an additional degree of freedom to the development of metal-organic nanodevices. In addition, the electrical connection enables the bottom-up fabrication of tunnel junctions by feedback-controlled dielectrophoresis. The resulting tunnel barriers are then used to generate light in different nano-optical systems via inelastic electron tunneling. Two structures are discussed in particular: optical Yagi-Uda antennas and plasmonic waveguides. Their refined geometries, accurately fabricated via focused ion beam milling of single-crystalline gold platelets, determine the properties of the emitted light. It is shown experimentally, that Yagi-Uda antennas radiate light in a specific direction with unprecedented directionality, while plasmonic waveguides allow to switch between the excitation of two propagating modes with orthogonal near-field symmetry. The presented devices nicely demonstrate the potential of electrically connected nano-optical systems, and the fabrication scheme including dielectrophoresis as well as site-selective functionalization will inspire more research in the field of nano-optoelectronics. In this context, different future experiments are discussed, ranging from the control of molecular machinery to optical antenna communication., Nano-optische Systeme ermöglichen es, Licht auf der Nanoskala zu fokussieren und zu leiten - eine faszinierende Fähigkeit, die in den letzten zwei Jahrzehnten ein breites Spektrum an Grundlagen- und angewandter Forschung motiviert hat. Während optische Antennen lokalisierte Energie mit sichtbarer Strahlung verknüpfen, leiten plasmonische Wellenleiter das Licht in vordefinierte Bahnen. Bislang jedoch beschränken sich die meisten Experimente auf isolierte Strukturen, die durch externe Lichtquellen angeregt werden. Die elektrisch getriebene Lichterzeugung auf der Nanoskala reduziert den Platzbedarf dieser Systeme erheblich und ebnet so den Weg für optische Nano-Schaltkreise. Allerdings stellen sowohl die Lichtemission als auch die Kontaktierung der Nanostrukturen erhebliche Herausforderungen dar. In dieser Arbeit werden verschiedene elektrisch kontaktierte nano-optische Systeme vorgestellt. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Kontaktierung - nicht nur für die Lichterzeugung, sondern auch für die Fabrikation der jeweiligen Strukturen. In einem ersten Beispiel werden Nanoelektroden durch Anlegen einer Spannung selektiv mit molekularen Monolagen beschichtet. Dadurch können die chemischen und elektronischen Oberflächeneigenschaften von Nanoobjekten maßgeschneidert werden, was einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Entwicklung von optoelektronischen Nanosystemen darstellt. Darüber hinaus ermöglicht die elektrische Kontaktierung die Herstellung von Tunnelbarrieren mittels Dielektrophorese, was die Lichterzeugung in verschiedenen nano-optischen Systemen durch inelastisches Elektronentunneln ermöglicht. Hier werden zwei Strukturen diskutiert: optische Yagi-Uda-Antennen und plasmonische Wellenleiter. Ihre ausgeklügelten Geometrien, hergestellt aus einkristallinen Goldflocken mittels fokussiertem Ionenstrahl, bestimmen die Eigenschaften des emittierten Lichts. Es wird gezeigt, dass Yagi-Uda-Antennen das Licht gezielt in eine bestimmte Richtung abstrahlen, während plasmonische Wellenleiter das Schalten zwischen zwei propagierenden Moden ermöglichen. Damit demonstriert diese Arbeit das Potenzial von elektrisch kontaktierten nano-optischen Systemen und wird - in Kombination mit Dielektrophorese und selektiver Funktionalisierung - weitere Forschungen auf dem Gebiet der Nano-Optoelektronik anregen. In diesem Zusammenhang werden verschiedene zukünftige Experimente, von der Steuerung molekularer Maschinen bis zur optischen Antennenkommunikation, diskutiert.

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.

This work was funded by the project “Quantum coins and nanosensors” from the Volkswagen Foundation (Az. 91001)

The presence of photonic band gap in an arbitrarily shaped photonic structure, particularly structures that are fabricated by exploiting rolled-up nanotechnology, can be understood from the density of optical states. In this thesis, the density of optical states and the local density of optical states in finite-sized photonic structures are calculated using the finite difference time domain method together with a parallelized message passing interface. With this approach, a software package suitable for high-performance computing on multi-platform was published under GNU GPL license. When light is guided to propagate along a rolled-up thin film, whispering gallery mode resonances can be formed in a microtubular structure. Dynamic probing and tuning via a plasmonic nanoparticle-coated glass tip are investigated to demonstrate the transition from dielectric-dielectric to dielectric-plasmonic coupling in the tubular microcavity. The competition of these two coupling mechanisms allow the tuning of the optical cavity modes towards lower and then higher energies in a single coupling system. Moreover, three dimensionally confined higher order axial modes can be selectively coupled and tuned by the glass tip due to their unique spatial distribution of the optical field along the tube axis. In addition, the interaction between sharp optical cavity modes and broad plasmonic modes supported by silver nanoparticles leads to the occurrence of Fano resonance. In particular, Fano resonances occurring at higher-order axial modes has been observed as well. The experimental results are supported by numerical simulations based on the finite difference time domain method. In photonic lattice structures, light propagation behavior can be influenced and defined by the photonic band structure. By designing the unit cell with glide mirror symmetry, topologically protected edge states operating in the visible spectral range have been proposed in two dimensional photonic crystals which can be made of feasible materials. Topological phenomena such as unidirectional waveguiding and/or effective zero refractive index are presented. In addition, a scheme to study topological phase transition in a single photonic crystal device is proposed and studied via unevenly stretching photonic lattice. Moreover, a new method is explored to distinguish the topological phase from the bulk modes. The research presented in this thesis concerns molding the flow of light in specially designed photonic devices for various potential applications. The software package can be used to design and investigate finite-sized photonic structures with an arbitrary shape, which is much faster in terms of computation than other reported techniques and software packages. The rolled-up microcavities can be employed to trap and store light in the way of whispering gallery mode resonances, and the resonant light can be tuned and modulated by a plasmonic nanoparticles-coated glass tip. This research is particularly interesting for optical signal processing, slowing light via Fano resonances, and high sensitive sensing. In addition, the topological photonic crystal design and examination scheme presented in this thesis provide a simplified yet more efficient way to obtain non-trivial topological phase from a tunable photonic crystal that can be verified not only by edge modes but also by bulk modes.:Bibliographic record 1 Abstract 1 LIST OF ABBREVIATIONS and Symbols 3 1 Introduction 9 1.1 Introduction and Motivation 9 1.2 Objectives 11 1.3 Organization of the thesis 12 2 Density of optical states in rolled-up photonic crystals and quasi crystals 15 2.1 Introduction 15 2.1.1 background 17 2.1.2 Infinitely extended ideal photonic crystal 17 2.2 Finite-sized photonic crystal, photonic quasicrystal, and arbitrary photonics structures 20 2.2.1 Numerical algorithm 25 2.2.2 Rolled-up photonic crystals and quasi crystals 30 2.3 Software package 33 2.3.1 Computational performance 33 2.3.2 FPS User interface 35 2.3.3 Detailed tutorial 37 2.3.4 Alternative rolled-up photonic crystals 47 2.3.5 Beyond 3D photonic crystals. 48 2.4 Conclusion 49 3 Rolled-up microesonator 51 3.1 Introduction 51 3.2 Rolled-up microresonators 52 4 Tip-assisted photon-plasmon coupling in three-dimensionally confined microtube cavities 57 4.1 Introduction 57 4.2 Tube and plasmonic particle preparation and characterization 60 4.3 Results and discussion 62 4.4 Axial mode tuning 64 4.5 Fano resonance 65 4.5.1 Background 65 4.5.2 Fano resonance in the tip assisted coupling setup 68 4.6 Conclusion 71 5 Topological photonics 73 5.1 Introduction and motivation 73 5.2 Topological phase transition point 77 5.2.1 Fundamental phase transition point 77 5.2.2 Zero refractive index material 79 5.3 Non-trivial topology in realistic materials 80 6 Topological phase transition in stretchable photonic crystals 85 6.1 Introduction and motivation 85 6.2 SSH model 88 6.3 Photonic crystal 91 6.4 Band structure and end modes of the photonic crystal 99 6.5 Conclusion 101 7 Summary and outlook 103 7.1 Summary 103 7.2 Outlook 104 Bibliography 111 List of figures 127 Publications 133 Acknowledgments 136 Selbständigkeitserklärung 137 Curriculum Vitae 138

Halbleiterdiodenlaser ermöglichen für die photoakustische Bildgebung kostengünstige, kompakte und gut integrierte Aufbauten, die jedoch unter geringem Rauschabstand leiden. Zwei Möglichkeiten zur Verbesserung des Rauschabstandes wurden untersucht. Erstens wurde gezeigt, dass die Anpassung des photoakustischen Pulszugs an die Resonanz des Ultraschallwandlers in einigen Fällen zu höherem Rauschabstand als eine Ensemble-Mittelung führt. Weiterhin können Resonanzanpassung und Mittelung kombiniert werden, um den Rauschabstand weiter zu erhöhen. Zweitens wurde gezeigt, dass mit Ultraschall ein signifikanter Einfluss auf den Brechungsindex eines klaren Mediums ausgeübt werden kann. Damit ist es möglich, Lichtpulse in tiefere oder durch streuende Gewebeschichten zu leiten und zu fokussieren. Die resultierende Erhöhung der Intensität an der Zielposition kann in Anwendungen genutzt werden.

A robust and wideband differential microstrip line-to-WR6-waveguide transition for mixed multilayer PCBs at D-band is presented. The PCB stack is composed of three standard RF core materials with standard thicknesses. Compared to other inline transitions above 90 GHz, which are designed for single substrates, it can be applied to mixed multilayer circuits. The tapered transition is only 8.0-mm wide and 2.5-mm long, has an insertion loss between 1.2 and 1.8 dB, and a return loss higher than 10 dB for 30-GHz bandwidth around the center frequency of 120 GHz., acceptedVersion

Volatile organic compounds (VOCs) are one of the most commonly detected contaminants in water. The occurrence is mainly in gasoline and other petroleum-based products, fumigants, paints and plastics. Releases into the environment and the widespread use have an impact on the ecosystem such as humans and animals due to their toxicity, mutagenicity, and carcinogenicity. VOCs may persist in groundwater and may enter drinking water supplies. In this paper, a diamond-like carbon (DLC)-coated silicon waveguide in combination with a polymer film (ethylene/propylene copolymer, E/P-co) for enrichment of analytes was investigated to determine its suitability for ATR-FTIR (attenuated total reflection Fourier transform infrared) spectroscopic detection of VOCs. The DLC film was fluorine-terminated enhancing the adhesion of the hydrophobic polymer to the waveguide surface. The analytes diffuse into the hydrophobic polymer whereas water is excluded from the emanating evanescent field. Therefore, direct detection in aqueous systems is enabled. Nine VOCs, i.e., ethylbenzene (EB), trichloroethylene (TCE), tetrachloroethylene (TeCE), the xylene isomers (p-xylene, pXYL, m-xylene, mXYL, o-xylene, oXYL), naphthalene (NAPH), toluene (TOL), and benzene (BENZ), were evaluated simultaneously qualitatively and quantitatively showing the potential of DLC coatings revealing high sensitivities in the low ppb to ppm concentration range, i.e., 50 ppb for TeCE. To the best of our knowledge, this is the first time of IR spectroscopic detection of VOCs in aqueous solutions using DLC-coated waveguides in combination with a hydrophobic polymer. By utilizing a DLC-coated waveguide, a versatile sensor for real-time monitoring in harsh environments such as effluents, leaking pipelines, and underground storage tanks is feasible due to response times within a few minutes.

Photonic design and optimization of thin-film polycrystalline diamond waveguides are shown, serving as advanced evanescent field transducers in the mid-infrared fingerprint regime (2000–909 cm–1; 5–11 μm). Design constraints inherent to optical/system considerations and the material were implemented in a finite element method (FEM)-based simulation method that allowed three-dimensional modeling of the overall structure. Thus, lateral mode confinement, attenuation in the direction of radiation propagation, and physical resilience were evaluated. In a final step, the designed structures were fabricated, and their utility in combination with a broadly tunable external cavity quantum cascade laser for chemical sensing of a liquid phase analyte was demonstrated.

A hybrid thin film multilayer antenna for automotive radar is presented in this work. A 2×8 aperture coupled stacked patch antenna array is realized on a single layer printed circuit board (PCB) using a novel thin film based approach. Using a compact 180 ◦ phase difference power divider, inter-element spacing in a 2×2 sub-array is reduced. Measurement results show a 19% (67.9–82.5 GHz) impedance bandwidth and a wideband broadside radiation pattern, with a maximum gain of 15.4 dBi realized gain at 72 GHz. The antenna can be employed in mid-range automotive radar applications., acceptedVersion

In this work, functional plasmonic nanocircuitry is examined as a key of revolutionizing state-of-the-art electronic and photonic circuitry in terms of integration density and transmission bandwidth. In this context, numerical simulations enable the design of dedicated devices, which allow fundamental control of photon flow at the nanometer scale via single or multiple plasmonic eigenmodes. The deterministic synthesis and in situ analysis of these eigenmodes is demonstrated and constitutes an indispensable requirement for the practical use of any device. By exploiting the existence of multiple eigenmodes and coherence - both not accessible in classical electronics - a nanoscale directional coupler for the ultrafast spatial and spatiotemporal coherent control of plasmon propagation is conceived. Future widespread application of plasmonic nanocircuitry in quantum technologies is boosted by the promising demonstrations of spin-optical and quantum plasmonic nanocircuitry., In dieser Arbeit werden funktionelle plasmonische Schaltkreise als Schlüssel zur Revolutionierung modernster elektronischer und photonischer Schaltkreise in Bezug auf deren Integrationsdichte und Übertragungsbandbreite untersucht. Mit Hilfe numerischer Simulationen werden Bauelemente speziell für die Steuerung des Photonenflusses im Nanometerbereich mittels einzelner bzw. mehrerer plasmonischer Eigenmoden konzipiert. Die deterministische Synthese und Analyse solcher Eigenmoden wird aufgezeigt und stellt eine unverzichtbare Voraussetzung für die praktische Anwendung eines jeden Nanoschaltkreises dar. Durch die Existenz mehrerer Eigenmoden und Kohärenz - beide in der klassischen Elektronik nicht zugänglich - lässt sich ein nanoskaliger Richtkoppler für die ultraschnelle räumliche und räumlich-zeitliche kohärente Kontrolle der Plasmonenausbreitung entwerfen. Künftig werden plasmonische Schaltkreise aufgrund der vielversprechenden Demonstrationen von spinoptischen und quantenplasmonischen Schaltkreisen in Quantentechnologien weite Verbreitung finden.

Es existieren zwei unterschiedlichen Arten von Problemen, die bei der Untersuchung von zeit-harmonischen Wellen entstehen. Bei Streuprobleme sind eine Quelle und eine Frequenz vorgegeben. Bei Resonanzproblemen werden Frequenzen gesucht, f��r die das Problem nicht mehr eindeutig l��sbar ist. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf letzterem. Au��erdem betrachten wir f��r diese Arbeit zwei Arten von Wellen, n��mlich akustische und elektromagnetische. Erstere werden durch die Helmholtz-Gleichung, zweitere durch die zeitharmonische Maxwell-Gleichung beschrieben. Das unbeschr��nkte Gebiet, auf dem sich die Wellen bewegen, ist vom Typus eines Wellenleiters. Diesen unterteilen wir in einen beschr��nkten Innenund einen unbeschr��nkten Au��enraum, in den die Welle ausstrahlt oder ausl��uft. Der Innenraum wird mithilfe der Finiten Elemente Methode bearbeitet. F��r den unbeschr��nkt Au��enraum ben��tigen wir spezielle Infinite Elemente, die von einem Parameter und der Anzahl der Freiheitsgrade im Au��enraum abh��ngig sind. Diese speziellen Infiniten Elemente sind der Hauptgegenstand dieser Arbeit. In den numerischen Beispielen am Ende der Arbeit zeigen wir exponentielles Abfallverhalten des Fehlers bez��glich der Anzahl der Freiheitsgrade in Ausstrahlungsrichtung. Au��erdem zeigen wir, wie sich die Resonanzen anhand des Parameters verhalten., Wave phenomena can be divided into two categories. Scattering problems, where the right side, i.e. a source and a frequency are given. In the case of resonance problems, we look for frequencies, for which the problem is not uniquely solvable. This work deals with the latter. In addition, we consider two types of waves for this work: acoustic and electromagnetic waves. The former are described by the Helmholtz equation, the second by the time-harmonic Maxwell equation. The unrestricted area on which the waves move is of a waveguide type. We subdivide this into a restricted inner and an unrestricted outer space into which the wave radiates or leaks. The interior is processed using the Finite Element Method. For the unrestricted outer space, special Infinite Elements are required, which depend on a parameter and the number of outer degrees of freedom. These special Infinite Elements are the main subject of this work. In the numerical examples at the end of the work, we show exponential falling behavior of the error in the direction of emission with respect to the number of degrees of freedom. We also show how the resonances behave, depending on the parameter.

Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, lineare und nichtlineare Effekte in THz Quanten-Kaskaden-Lasern (QKL) zu untersuchen, indem ein neuartiger Hybrid-Wellenleiter vorgestellt wird. Dieser erlaubt es, die Amplitude, die Phase (lineare Optik) und die Frequenz (nichtlineare Optik) des Laserfeldes zu kontrollieren, um eine neuartige breitbandige THz-Strahlungsquelle bereitzustellen. Während die Amplitudenkontrolle zur Verbesserung der Auskopplungseffizienz von THz QKL genutzt wird, kann die demonstrierte Phasenkontrolle zur Erzeugung kurzer Pulse oder Frequenzkämmen nützlich sein. Zudem wird durch den Hybrid-Wellenleiter THz QKL eine breitbandige Emission von 0.15-5 THz demonstriert. Eingedenk der vorgenannten Fortschritte kann geschlussfolgert werden, dass der vorgestellte Hybrid-Wellenleiter ein detailliertes Verständnis linearer und nichtlinearer Effekte in THz QKL ermöglicht, wodurch neue Perspektiven für die Entwicklung neuartiger breitbandiger THz QKL eröffnet werden.

Flexible antennas in radar applications enable the user to go around obstacles or detect targets at hidden places. In this paper, two elliptical lenses of different size made of high density polyethylene and stacked on a ���exible dielectric waveguide are designed and measured from 140 GHz to 180 GHz. The feeding dielectric waveguide and the mode transition from metallic waveguide to dielectric waveguide was investigated with full wave simulations. The elliptical lenses were designed with a geometrical optics approach. The realized antennas have a gain larger than 24 dBi and 27 dBi and a maximum side lobe level below ���15.8 dB., acceptedVersion

THz, the electromagnetic spectrum lying between millimeter waves and optics, is nowadays widely utilized in the applications such as material inspection, medicine, explosives detection and astronomy. Although optical and photonic based systems for generating THz waves can fully cover the upper band of the THz spectrum (from several THz to far infrared), they are inefficient at lower frequency bands i.e., mm-waves, and at the same time inappropriately bulky for portable applications. In contrast, recent progress in solid states electronics in conjunction with aggressive scaling of devices are promising to facilitate the future availability of THz systems realized as compact and cheap all-electronic solutions. THz microelectronics is an increasingly relevant field of activities, therefore. Without concerning about the challenges in the design and fabrication of such devices, their performance needs to be characterized with systems faster than the device itself; therefore, we face with limitations. Recently, the measurement bandwidth of microwave network analyzers equipped with extension modules has extended beyond 1 THz. However, their calibration is a challenging task and performing a full band measurement, due to a need for waveguide components, considerably increases the cost and time of measurement. Systematic errors in system calibration due to lack of precise models for devices at THz frequencies are also remarkable drawbacks of this approach. An eligible alternative for these systems is the use of electrooptic and photoconductive sampling which rely on optical and photonic approaches. These techniques with the help of femtosecond pulse lasers provide a very broadband measurement system far beyond today’s electronic devices bandwidth without suffering from the challenges of the electronic approach. In particular electrooptic sampling with non-contact probing can also perform useful high resolution near field scanning of devices. The aim of this thesis is to demonstrate the electrooptic sampling for the characterization of mm-wave and THz electronic devices. To this end, an extremely broadband (microwave to THz) device, which is a 65-nm CMOS nonlinear transmission line (NLTL), is used as the device under test. Before showing the measurement results for this device, the advances in THz electronics as well as their common the characterization techniques are reviewed. For the characterization, a rather compact EOS experimental setup featured with a large dynamic range, high sensitivity and high spatial resolution is presented. In the measurement phase, it is shown that what challenges in particular for the characterization of a nonlinear device we may face to and which scenarios can be used to overcome them. The relative jitter in EOS, known as the most prohibiting factor for achieving a high measurement bandwidth, is resolved with a novel synchronization technique called Laser Master Laser Slave (LM-LS). This is achieved by feeding the DUT with a microwave signal which is generated from the comb harmonics of the femtosecond laser. Since the signal is sampled by the laser itself, EOS provides a fully coherent heterodyne detection which helps to significantly increase the detection bandwidth of the system from 50 GHz up to 300 GHz which is presently restricted by the DUT fabrication technology i.e. the 65-nm CMOS. Furthermore, it is shown that for nonlinear devices, measurement with EOS can outperform traditional microwave network analyzer measurements and in particular it can detect hidden features like conversion losses which may not be observed by electronic techniques. In the end by performing photoconductive measurements for the DUT, a good comparison between electrooptic and photoconductive sampling in terms of their detection bandwidth and image resolution is demonstrated. THz, das elektromagnetische Spektrum, das zwischen Millimeterwellen und Optik liegt, ist weit verbreitet in Anwendungsgebieten wie Materialinspektion, Medizin, Entdeckung von Sprengstoffen und Astronomie. Obwohl auf Optik und Photonik basierende Systeme für Generation von Terahertz-wellen die oberen Bandbreit des THz-Spektrums vollig abdecken koennen, sind sie ineffizient in den unteren Frequenzbändern, wie etwa dem mm-Wellenbereich, und gleichzeitig sind ihre Größen ungeeignet für tragbare Anwendungen. Im Gegensatz dazu versprechen die aktuellen Fortschritte in der Festkörper Elektronik in Verbindung mit einer aggressiven Skalierung von Bauelement, die zukünftige Verfügbarkeit von THz Systemen, als kompakte und preiswert voll-elektronische Lösungen. Daher ist die THz Mikroelektronik ein zunehmend relevantes Arbeitsfeld. Unabhängig von den Herausforderungen in Design und Fabrikation von THz Komponenten, müssen deren Leistungsfähigkeit mit Hilfe von Instrumenten charakterisiert werden, die schneller sind als die Komponente selbst, daher stößt man hier an Grenzen. Die aktuellen Messbandbreiten von Mikrowellen-Netzwerkanalysatoren, die mit Erweiterungsmodulen ausgestatten worden sind, gehen bereits über 1 THz Hinaus. Jedoch ist ihre Kalibrierung aufwendig und Messungen über die volle Bandbreite erhöhen, wegen der Notwendigkeit von Wellenleiterkomponenten, wesentlich die Kosten und den Zeitaufwand. Die systematischen Fehler in der Kalibrierung der Systeme, auf Grund des Mangels an präzisen Modellen für Komponenten im THz Frequenzbereich, sind ebenfalls ein bedeutender Nachteil dieses Ansatzes. Eine gute Alternative für diese Systeme ist elektrooptisches oder photokonduktives Abtasten, welche nicht elektronisch arbeiten sondern optik- und photonik-basiert sind. Diese Techniken stellen mit Hilfe von Femtosekunden-Lasern Breitbandsmesssysteme zur Verfügung, welche die Bandbreite der heutigen elektronischen Messgeräte bei weiten übertreffen, ohne durch die Herausforderungen von elektronischen Ansätzen beschränkt zu werden. Insbesondere durch das elektrooptische Abtasten mit Hilfe von kontaktlosen Probern können wertvolle, hochauflösunge Nahfeld-Scans von Komponenten durchgeführt. Das Ziel dieser Dissertation ist die Charakterisierung von mm-Wellen und THz Komponenten mit Hilfe des elektrooptischen Abtastens zu demonstrieren. Zu diesem Zweck wird eine extrem breitbandige (von Mikrowellen bis zu THz) Komponenten, eine 65-nm CMOS nichtlineare Diodenleitung, als DUT genutzt. Bevor die Messungsergebnisse für das Gerät gezeigt werden, werden sowohl die Fortschritte in der THz-Elektronik als auch deren häufigsten Charakterisierungsmethoden vorgestellt. Der für die Charakterisierung verwendete relativ kompakte elektrooptische Aufbau, welcher eine große Dynamik, hohe Sensitivität und hohe räumliche Auflösung aufweist, darauf folgend präsentiert. Der anschließende Abschnitt beschreibt die Messungen und zeigt mit welche Herausforderungen, insbesondere bei der Charakterisierung von nichtlinearem Komponenten, man konfrontieren wird und welche Szenarios als Lösung genutzt werden können. Der relative Jitter im elektrooptischen Abtasten, der meist am stärksten einschränkende Faktor für die Erreichung hoher Messbandbreiten, wird mit Hilfe einer neuartige Synchronisationstechnik, dem sogenannt Laser Master Laser Slave (LM-LS), entgegengewirkt. Dies ist durch die Versorgung des DUT mit Mikrowellensignal, die aus dem Harmonik-Kamm des Femtosekunden-Lasers generiert wird, erreicht. Da das Mikrowellensignal mit dem gleichen Laser abgetastet wird, erhöht das voll kohärente, elektrooptische Abtasten die Detektionsbandbreit von zuvor 50 GHz auf bis zu 300 GHz, was die derzeitige Grenze auf Grund der DUT Fabrikationstechnologie (65-nm CMOS) ist. Ausserdem wird gezeigt, dass elektrooptisches Abtasten für nichtlineare Komponenten die traditionelle Mikrowellenmessmethoden übertreffen kann. Insbesondere detektiert elektrooptisches Abtasten versteckte Eigenschaften, wie Umwandlungsverlusten, die nicht mit elektronischen Messungen beobachtet werden können. Abschließend demonstrieren die Messungen mit einem Photokonduktivdetektor eine gute Vergleichbarkeit von elektrooptischen und photokonduktiven Abtasten, insbesondere in Bezug auf Detektionsbandbreit und Bildauflösung.

„Daß ich erkenne, was die Welt Im Innersten zusammenhält,...“ fragt nicht nur Faust im gleichnamigen Meisterwerk von Goethe, sondern ist auch heute noch eine der zentralen Fragen der modernen Physik. Wie ist Materie aufgebaut? Welche Wechselwirkungen liegen vor? Was ist die Zusammensetzung oder die chemische Struktur? Um all diese Fragen zu beantworten, entwickelten Wissenschaftler im Laufe der Jahrhunderte eine Vielzahl von Methoden. Eine der am meisten eingesetzten ist die Spektroskopie. Eine einfache und naive Beschreibung von Spektroskopie könnte lauten: Entschlüsselung von Materialeigenschaften mit Hilfe von Licht. Abhängig von der Frequenz und der verwendeten Methode können unterschiedliche Informationen aus einer Probe gewonnen werden. Im infrarotenWellenlängenbereich können mit Hilfe von Raman-Spektroskopie die Phononen-Moden untersucht werden, Röntgenspektroskopie enthüllt die innere Struktur von Kristallen, Radiowellen werden in der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) verwendet, um die elektronische Umgebung und die Wechselwirkung einzelner Atome zu untersuchen. Die THz-Spektroskopie kann mittels charakteristischer Absorptions- und Emissionsspektren Moleküle identifizieren. Bei all diesen Methoden ist eine genaue Kontrolle über die Beschaffenheit des verwendeten Lichts essentiell. Die drei wichtigsten Parameter, gerade in der IR-Spektroskopie, sind: hohe spektrale Auflösung, hohe Sensitivität und ein großer zugänglicher Spektralbereich. Im Rahmen des ersten Teils dieser Dissertation wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt, welches verwendet werden kann, um den nutzbaren Spektralbereich bei spektroskopischen Messungen zu erweitern. Zur Verifikation wird die THz-Zeitbereichsspektroskopie verwendet und anhand dieser der Mechanismus erläutert. Denn gerade dort ist der technologische Aufwand, um ein breiteres Spektrum zu erreichen, enorm. Der THz-Frequenzbereich wurde erst spät erschlossen, da lange Zeit effiziente Erzeugungs- und Detektionsmechanismen gefehlt haben, um diesen Frequenzbereich zwischen Mikrowellen und infrarotem Licht zu erreichen. THz-Frequenzen sind zu hoch, um diese mit reinen elektronischen Methoden, üblicherweise bewegte Ladungsträger innerhalb eines Bandes, zu erreichen, aber auch zu niedrig, um diese direkt optisch, durch atomare oder interband Übergänge in Festkörpern, zu erzeugen. Erst 1975 entwickelte D.H Auston eine optoelektronische Methode, um THz-Strahlung leicht zu erzeugen und zu detektieren und ebnete damit den Weg für die moderne THz-Spektroskopie. Im Rahmen dieser Dissertation wird eine neue Möglichkeit vorgestellt, um ein THz-Spektrum zu erweitern unabhängig von der Art und Weise der Erzeugung und Detektion der THz-Strahlung. In dieser Arbeit soll durch die Verwendung eines gleichrichtenden Schottkykontakts in Wellenleitergeometrie ein Halbleiterbauelement entwickelt werden, welches nachträglich in ein bestehendes Spektrometer eingesetzt werden kann und ein bestehendes Frequenzspektrum erweitern kann. Dadurch sollen experimentell höhere Frequenzen für die spektroskopische Auswertung zugänglich werden, welche bisher ein zu schlechtes Signal-zu-Rausch Verhältnis haben. Die Dissertation enthält einen zweiten Teil, welcher im Rahmen eines Forschungsaufenthalts in der Gruppe von Prof. Tony Heinz im Zeitraum von 2013 bis 2014 an der Columbia Universität in New York entstanden ist. Auch dieser Teil beschäftigt sich mit der Wechselwirkung von Licht mit dünnen Schichten und behandelt dabei eines der zentralen Ziele der experimentellen Halbleiterphysik: das Verständnis der optischen und elektronischen Eigenschaften neuartiger Halbleitermaterialien. Im Fokus der Untersuchungen steht dabei ein neuartiger niedrigdimensionaler Halbleiter: organisch-anorganischer Perowskit Kristall. Niedrigdimensionale Halbleiter weisen ein erhebliches Potential gegenüber vergleichbaren Volumenhalbleitermaterialien auf, da ihre elektronischen und optischen Eigenschaften über die Dimension und Geometrie ihres Aufbaus gezielt eingestellt und technologisch ausgenutzt werden können. In den letzten Jahrzehnten etablierte niedrigdimensionale Halbleiterstrukturen sind Quantenfilme, Quantendrähte und Quantenpunkte, die zwei-, ein- bzw. nulldimensionale Systeme in z. B. Verbindungshalbleitermaterialsystemen realisieren. Eine Einschränkung der Dimensionalität in Bezug auf die Eigenschaften dieser Strukturen wird hier im zweidimensionalen Fall durch Schichtstrukturen erreicht, die immer noch aus vielen Moleküllagen eines Halbleitermaterials bestehen. Durch die seit einiger Zeit mögliche Erzeugung von neuen „wirklich“ zweidimensionalen Materialien, die aus nur einer einzigen Moleküllage bestehen, sind jetzt auch diese neuartigen Festkörper und ihre beeindruckenden physikalischen Eigenschaften immer mehr in den Fokus der Forschung gerückt. Ihre prominentesten Vertreter sind Graphen, Molybdändisulfid (MoS2) und Bismuttellurid (Bi2Te3). Die ersten systematischen Studien an niedrigdimensionalen Festkörpern wurden ermöglicht durch Fortschritte in der Synthese von Halbleiterheterostrukturen und reichen zurück bis in die erste Hälfte des letzten Jahrhunderts. Die frühesten Strukturen, die für Untersuchungen zur Verfügung standen, waren Quantenfilme. Diese bestanden aus einem einigen Nanometer dünnen Film eines Halbleitermaterials, eingebettet zwischen zwei Barriereschichten eines Materials mit größerer Bandlückenenergie. Für Ladungsträger innerhalb der Quantentöpfe stellt die Diskontinuität im Bandverlauf aufgrund der unterschiedlichen Bandlückenenergien eine Potentialbarriere dar. Eine solche Barriere beeinflusst die freie Beweglichkeit der Ladungsträger in der entsprechenden Raumrichtung und sie können deshalb als quasi-zweidimensional betrachtet werden. Dieser sogenannte „Quantum-Confinement-Effekt“ tritt auf, wenn die Quantenfilmschichtdicke, also die Potentialtopfbreite, in der Größenordnung der Wellenfunktionsausbreitung im Ortsraum ist, wobei in vielen Fällen direkt dieWirkung auf Exzitonen (Coulomb-gebundenen Elektron-Loch-Paaren) betrachtet wird. Dieser Einschlusseffekt wirkt sich deutlich auf die Ein- und Vielteilcheneigenschaften des Materials aus. Quantenfilmstrukturen weisen im Vergleich zu räumlich ausgedehnten Volumenhalbleitern derselben chemischen Zusammensetzung unterschiedliche und definiert einstellbare Eigenschaften auf. Zum Beispiel ist in Quantenfilmen die Coulomb Wechselwirkung zwischen Ladungsträgern sowie die Licht-Materie Kopplung wesentlich stärker als in den ausgedehnten Volumenmaterialien der gleichen chemischen Zusammensetzung. Auch die Streuung von Elektronen an Gitterschwingungen, also an Phononen, wird durch die eingeschränkte Dimensionalität stark beeinflusst. Klassische Halbleiterheterostrukturen haben heutzutage das wissenschaftliche Forschungsfeld bereits hinter sich gelassen und den Weg in das alltägliche Leben mit zahlreichen Technologieanwendungen gefunden. Effiziente lichtemittierende Dioden oder Halbleiterlaser, rauscharme Detektoren und hochfrequente Feldeffekttransistoren wären jedoch ohne die vorherigen Bemühungen in der wissenschaftlichen Grundlagenforschung undenkbar. Als Monolage verwirklichte zweidimensionale Materialien sind erst seit kurzem zugänglich. Sie bestehen aus einer makroskopisch ausgedehnten einzigen atomaren oder molekularen Schicht und stellen somit die dünnste mögliche Realisierung des jeweiligen Festkörpers dar. Der prominenteste Vertreter dieser Gruppe von Materialien ist sicherlich Graphen. Graphen ist eine zweidimensionale Modifikation von Kohlenstoff, bestehend aus nur einer hexagonal angeordneten Monolage von Kohlenstoffatompaaren. Obwohl die ersten theoretischen Studien schon Mitte des 20. Jahrhunderts veröffentlicht wurden und die ersten experimentellen Versuche, Graphen zu synthetisieren auch in diese Zeit fallen, ist es erst 2004 gelungen makroskopische zweidimensionale Kohlenstoffschichten herzustellen und eindeutig zu charakterisieren. Seither haben sich einige tausend Publikationen mit diesen neuartigen Festkörpern beschäftigt. Diese hohe Anzahl ist dabei nicht auf die einfache Verfügbarkeit von Graphen zurückzuführen, sondern vielmehr auf dessen außergewöhnlichen Eigenschaften. Eine der interessantesten davon, gerade im Vergleich zum dreidimensionalen Gegenstück der Kohlenstoffmodifikation Graphit, ergibt sich aus der Bandstruktur von Graphen. An den sechs Eckpunkten der Brillouinzone, den K-Punkten, berühren sich Valenz- und Leitungsband, sodass sich um die K-Punkte eine lineare Dispersionsrelation ergibt. Daraus resultiert, dass sich Elektronen in Graphen formal wie masselose und ultrarelativistische Teilchen verhalten. Graphen ist leichter, härter und flexibler als alle bislang bekannten elektrischen Leiter und wird daher als „Wundermaterial“ der Zukunft angesehen. Für die Entdeckung und die ersten grundlegenden Experimente an Graphen erhielten Andre Geim und Konstantin Novoselov 2010 den Nobelpreis für Physik. Durch die bei der Synthese von Graphen gewonnenen Erkenntnisse sind in den letzten Jahren einige weitere zweidimensionale Halbleiter verfügbar geworden. Dazu gehören unter anderem atomar dünne Platten aus Molybdändisulfid (MoS2), Molybdändiselenid (MoSe2), Bismuttellurid (Bi2Te3), Bohrnitrid (BN), Niobiumdiselenid (NbSe2), Wolframdisulfid (WS2) und Bismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid (Bi2Sr2CaCu2Ox). Diese Materialien sind jedoch bei weitem noch nicht so gut erforscht wie Graphen. Auch sie weisen signifikante Eigenschaftsunterschiede im Vergleich zu den dreidimensionalen Gegenstücken auf. Zum Beispiel zeigt sich im Grenzfall zur Monolage von Molybdändisulfid (MoS2) ein Übergang vom indirekten zum direkten Halbleiter. Bismuttellurid hat nachweislich nicht nur eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit, sondern auch vergrößerte thermoelektrische Koeffizienten . All diese neuen Materialien lassen sich in einer Art Bilbliothek zusammenfassen, wobei auch die verschiedensten Kombination untereinander als Heterostrukturen realisiert werden können, um maßgeschneiderte Materialien herzustellen. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein neues Materialsystem zu dieser Bibliothek hinzugefügt werden: Ultradünne kristallinie Lagen von organisch-anorganischen Perowskitkristallen (OIPC)., Spectroscopic techniques have become ever more important in the field of research and development. Especially THz time-domain spectroscopy is an emerging field with versatile applications allowing for the characterization of the optical and dielectric properties of materials. However, the bandwidth of THz emitters are typically in the range of only a few THz and are limited by exterior factors as the used laser system or the techniques available for the emission and detection of THz radiation. The most common emitter and detector schemes use photoconductive antennas to emit and detect THz radiation. Indeed, the bandwidth of a THz antenna is limited by the design and the used material. Yet, to get the most insight into physical properties it is preferable to have a broad THz spectrum. However, the broader the desired spectrum the more complicated the setup gets. It is shown in this thesis that this limitation can be compensated through a new Schottky waveguide approach. As this tool works independently of the used laser system or emitter, it can therefore be implemented in almost every setup to gain broader THz frequencies. The first part of the dissertation discusses the physics behind the Schottky contact waveguide by applying a phenomenological model to explain the functionality of the device. The underlying principle of the broadening effect corresponds to the rectifying properties of the Schottky contact inside the waveguide. Unambiguous attribution of the spectral extension of waveguidepropagating pulsed radiation is given in a study of a GaAs-goldbased Schottky contact with n-doped intersection and a test sample only consisting of intrinsic and highly doped semiconductor material. On the high frequency edge of the spectrum a signal increase of more than two orders of magnitude could only be observed on samples with rectifying junctions. Not all observed effects could be explained in this work e.g. the shift of the zero-crossing of the gold sample at high electrical fields still remains unsolved. The proposed Schottky contact waveguide approach is scalable and we expect, that by tailoring waveguides with specific properties, this technique to become employable in a wide range of applications where a broad spectrum is needed. This work can be considered as the first step towards THz-whitelight generation independently of the used lasersystem. The thesis contains a second part on experiments which I carried out during a research stay in the group of Prof. Tony Heinz at Columbia University in the City of New York from 2013 to 2014. Again the light-matter interaction of thin material layers is studied. Yet, this work is only loosely linked to the main part of the thesis. Since graphene has been established as an excellent basis for fundamental research and applications, researchers all over the world have been intensively exploring other layered materials that form stable and atomically thin two-dimensional (2D) layers. These 2D materials, such as semiconducting transition metal dichalcogenide monolayers (e.g.MoS2,WS2) or insulating hexagonal boron nitride (h-BN) exhibit very different electronic and optical properties from graphene, while sharing its mechanical robustness and integrity. The focus of the second part of the thesis lies on the light matter coupling of nanosheets of organic inorganic perovskite crystals (OIPC). The OIPCs crystals with thickness down to that of a single unit cell (2.4 nm) were prepared by mechanical exfoliation. These materials differ from other known 2D van-der-Waal layers in being hybrid: Organic compound intrinsically bound into a layered inorganic crystal. To study the electronic and excitonic behaviour of OIPCs we have carried out optical spectroscopy measurements. The most remarkable feature is the extremely strong absorption (25 %) at room temperature at the excitonic transition with a spectral width of about 100 meV. Taking into account the reduction of the effective electric field at the surface of the dielectric substrate we estimate the intrinsic absorption, which we would measure for a suspended layer, to be even higher, i.e. about 37 %. The strong decrease of the layer thickness leads to a significant increase of the exciton binding energy up to 490 meV due to the change in the dielectric environment. The influence of the interface between the substrate and the OIPC modifies the structure of the material. For example an always present structural phase transistion in thick OIPCs which normally occurs slightly below room temperature is surpressed in about half of the measured samples. Our suggestion is that the intimate contact between ultrathin layers and substrate inhibits the expected phase transistion. The unique properties of the OIPC-nanosheets make these materials attractive for investigating novel optical and transport physics as well as studying their surface and interface properties.

Alle optischen Systeme haben den gleichen Zweck: Sie manipulieren Eigenschaften des Lichts, durch Interaktion mit Materie. In dieser Arbeit werden zwei wichtige Teilaspekte aus diesem Kontext untersucht, im linearen und im nicht-linearen Bereich. In Teil I werden die bekannten Bragg-Reflexionen in neuem Licht betrachtet. Bragg Reflexion findet statt, wenn Licht mit einem periodischen Medium interagiert. Die Bragg-Bedingung verknüpft den Gitterabstand in einem Kristall mit der Wellenlänge, die von ihm reflektiert wird. In dieser Arbeit werden die Bragg Reflexionen in gewellten Wellenleitern untersucht. Es wird gezeigt, dass die Bragg-Bedingung nicht ausreicht, um die Streuung in diesen Wellenleitern zu verstehen. Es wird numerisch und analytisch demonstriert, dass unebene Ränder eine neue Reflexionsbedingung schaffen, die über das einfache Bragg-Bild hinausgeht. Dieser Streueffekt, der Square Gradient Bragg-Mechanismus ist aus statistischen Streuansätzen bekannt. Er hängt mit der Krüummung des Randes zusammen und hat einen starken Einfluss auf die Wellenleitung in diesen Systemen. In dieser Arbeit wird die erste allgemeine Theorie für den Square Gradient Bragg Streumechanismus vorgestellt, die es ermöglicht, Voraussagen für einzelne Wellenleiter mit beliebig deformierten Rändern zu treffen. Eine weitere wichtige Eigenschaft des Lichts wird in Teil II dieser Arbeit untersucht: Die Verschränkung zwischen zwei Photonen. Verschränkung ist ein intuitiv nicht verständliches Phänomen, weil es in der uns umgebenden klassischen Welt kein Analogon hat. Insbesondere verletzt es unsere implizite Annahme eines lokalen Realismus, weil voneinander entfernte Teilchen scheinbar instantan miteinander wechselwirken können. In dieser Arbeit wird eine neue und verstimmbare Quelle für verschränkte Photonen entworfen. Die Photonenpaare werden in nicht-linearen Kristallen erzeugt, aber ihre Verschränkung wird rein geometrisch erzwungen. Dieser geometrische Ansatz erlaubt es, die Frequenz der Photonen einzustellen. Hier übertrifft diese neue Quelle ihre Vorgänger, die ausführlich besprochen werden. Die Verschränkung der erzeugten Photonen wird experimentell nachgewiesen. Any optical experiment, any optical technology is only about one thing: Manipulating the properties of light through interaction with matter. This thesis will address two important issues in this broad context, in the linear and in the non-linear regime. In Part I, the well-known Bragg reflection is revised. Bragg reflection takes place whenever light interacts with a periodic structure. The famous Bragg condition relates the lattice spacing in a crystal to the wavelength which is effectively reflected by that lattice. In this thesis the Bragg reflection in dielectric waveguides is investigated. It is shown that the Bragg condition is not sufficient to describe the scattering situation in waveguides with corrugated boundaries. It is demonstrated, analytically and numerically, that corrugated boundaries cause a new type of reflection condition, which goes beyond the Bragg picture. This scattering mechanism, the Square Gradient Bragg Scattering, is known from statistical scattering approaches. It is connected to the curvature of the boundary and has a strong influence on the wave propagation in these systems. Here the first general theory for Square Gradient Bragg Scattering is presented, which allows for making predictions for single corrugated waveguides with arbitrary boundaries. Another important property of light is investigated in Part II of this thesis: The entanglement of two photons. Entanglement is a counter-intuitive phenomenon, because it has no classical analogy. It especially violates our assumption of local realism, because distant particles seemingly act on each other instantaneously. In this thesis a new tunable and portable source of photon pairs is designed. The photon pairs are created in non-linear crystals, but their entanglement is enforced in a purely geometrical manner. This geometrical approach makes the setup tunable. This is where the new design supersedes its predecessor, which will be discussed in detail. The entanglement of the generated photons is demonstrated experimentally.

Mit dem Begriff Wellenleiterquantenelektrodynamik (WQED) wird gemeinhin die Physik des quantisierten und in eindimensionalen Wellenleitern geführten Lichtes in Wechselwirkung mit einzelnen Emittern bezeichnet. In dieser Arbeit untersuche ich Effekte der WQED für einzelne Dreiniveausysteme (3NS) bzw. Paare von Zweiniveausystemen (2NS), die in den Wellenleiter eingebettet sind. Hierzu bediene ich mich hauptsächlich numerischer Methoden und betrachte die Modellsysteme im Rahmen der Drehwellennäherung. Ich untersuche die Dynamik der Streuung einzelner Photonen an einzelnen, in den Wellenleiter eingebetteten 3NS. Dabei analysiere ich den Einfluss dunkler bzw. nahezu dunkler Zustände der 3NS auf die Streuung und zeige, wie sich mit Hilfe stationärer elektrischer Treibfelder gezielt auf die Streuung einwirken lässt. Ich quantifiziere Verschränkung zwischen dem Lichtfeld im Wellenleiter und den Emittern mit Hilfe der Schmidt-Zerlegung und untersuche den Einfluss der Form der Einhüllenden eines Einzelphotonpulses auf die Ausbeute der Verschränkungserzeugung bei der Streuung des Photons an einem einzelnen Lambda-System im Wellenleiter. Hier zeigt sich, dass die Breite der Einhüllenden im k-Raum und die Emissionszeiten der beiden Übergänge des 3NS die maßgeblichen Parameter darstellen. Abschließend ergründe ich die Emissionsdynamik zweier im Abstand L in den Wellenleiter eingebetteter 2NS. Diese Dynamik wird insbesondere durch kavitätsartige und polaritonische Zustände des Systems aus Wellenleiter und Emitter ausschlaggebend beeinflusst. Bei der kollektiven Emission der 2NS treten - abhängig vom Abstand L - Sub- bzw. Superradianz auf. Dabei nimmt die Intensität dieser Effekte mit längerem Abstand L zu. Diese Eigenart lässt sich auf die Eindimensionalität des Wellenleiters zurückführen. The field of waveguide quantum electrodynamics (WQED) deals with the physics of quantised light in one-dimensional (1D) waveguides coupled to single emitters. In this thesis, I investigate WQED effects for single three-level systems (3LS) and pairs of two-level systems (2LS), respectively, which are embedded in the waveguide. To this end, I utilise numerical techniques and consider all model systems within the rotating wave approximation. I investigate the dynamics of single-photon scattering by single, embedded 3LS. In doing so, I analyse the influence of dark and almost-dark states of the 3LS on the scattering dynamics. I also show, how stationary electrical driving fields can control the outcome of the scattering. I quantify entanglement between the waveguide''s light field and single emitters by utilising the Schmidt decomposition. I apply this formalism to a lambda-system embedded in a 1D waveguide and study the generation of entanglement by scattering single-photon pulses with different envelopes on the emitter. I show that this entanglement generation is mainly determined by the photon''s width in k-space and the 3LS''s emission times. Finally, I explore the emission dynamics of a pair of 2LS embedded by a distance L into the waveguide. These dynamics are primarily governed by bound states in the continuum and by polaritonic atom-photon bound-states. For collective emission processes of the two 2LS, sub- and superradiance appear and depend strongly on the 2LS''s distance: the effects increase for larger L. This is an exclusive property of the 1D nature of the waveguide.

The performance and versatility of GaAs/AlGaAs thin-film waveguide technology in combination with quantum cascade lasers for mid-infrared spectroscopy in comparison to conventional FTIR spectroscopy is presented. Infrared radiation is provided by a quantum cascade laser (QCL) spectrometer comprising four tunable QCLs providing a wavelength range of 5–11 μm (1925−885 cm–1) within a single collimated beam. Epitaxially grown GaAs slab waveguides serve as optical transducer for tailored evanescent field absorption analysis. A modular waveguide mounting accessory specifically designed for on-chip thin-film GaAs waveguides is presented serving as a flexible analytical platform in lieu of conventional attenuated total reflection (ATR) crystals uniquely facilitating macroscopic handling and alignment of such microscopic waveguide structures in real-world application scenarios., acceptedVersion

This Feature highlights recent advances on mid-infrared thin-film waveguide technology and on-chip photonics facilitating next-generation label-free chem/bio sensor and assay platforms. Complemented by more recent advancements toward on-chip semiconductor waveguides, it is anticipated that label-free integrated mid-infrared sensing schemes will readily complement existing chem/bio sensor technologies in applications ranging from process monitoring and environmental analysis to biomedical diagnostics and point-of-care devices, acceptedVersion

Das Messen der gestrahlten Störaussendung und das Prüfen der Störfestigkeit sind in TEM-Wellenleitern bisher nicht automatisiert möglich, da kommerziell erhältliche Positionierer aufgrund ihrer Bauweise erhebliche Feldrückwirkung in TEM-Wellenleitern aufweisen. In dieser Arbeit wird eine eigens entwickelte Konstruktion eines Drehtellers präsentiert, deren Motorisierung sich außerhalb des TEM-Wellenleiters befindet. Die Konstruktion und die dazugehörige Automatisierung werden vorgestellt und die Funktionalität wird anhand von ausgewählten Messbeispielen validiert.

Exceptional points (EPs) bezeichnen Entartungen, die im Spektrum von nicht- hermiteschen Hamilton Operatoren auftreten und die in letzter Zeit f��r einiges an Aufsehen gesorgt haben, da sie f��r viele faszinierende und kontraintuitive Ph��nomene verantwortlich sind. Einer der wohl verbl��ffendsten Effekte in diesem Zusammenhang tritt auf, wenn ein EP mittels einer zeitlichen Variation der Systemparameter dynamisch umrundet wird. Dies f��hrt zu einem chiralen Verhalten, bei dem der Endzustand nur durch die Umrundungsrichtung um den EP bestimmt wird. Trotz erheblichem Forschungsaufwand und einer Vielzahl an praktischen Anwendungsm��glichkeiten konnte solch ein Protokoll jedoch noch nicht erfolgreich in einem Experiment umgesetzt werden, da die experimentelle Implementierung sehr anspruchsvoll ist. In der vorliegenden Arbeit wird beschrieben, wie die dynamische Umrundung eines EPs auf die Transmission zweier Moden in einem randmodulierten Mikrowellen Wellenleiter ��bertragen werden kann, in dem sich ein r��umlich variierender Absorber befindet. Dadurch erh��lt man einen asymmetrischen Modenselektor, der eine spezifische transversale Wellenleiter-Mode rein basierend auf der Seite ausw��hlt, von der aus die Wellen in den Wellenleiter eingespeist werden. Die obige Vorgehensweise erm��glicht uns, in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universit��t Nizza, nicht nur die erste experimentelle Realisierung einer dynamischen EP Umrundung, sondern dient auch als Machbarkeitsnachweis f��r spezifische Anwendungen, wie zum Beispiel der Verallgemeinerung der weit verbreiteten "Rapid Adiabatic Passage" Technik. Weiters zeigen wir mit numerischen Simulationen und mit analytischen Mitteln, wie neuartige Reflexionsresonanzen den Transport in Wellenleitern mit Oberfl��chenrauhigkeit entscheidend beeinflussen k��nnen. Diese Resonanzen f��hren zu einer um Gr����enordnungen verst��rkten R��ckstreuung und sind deshalb von besonderem Interesse, um Wellenleiter mit spezifischen Transporteigenschaften zu konstruieren., Exceptional points (EPs), degeneracies arising in the spectrum of non-Hermitian Hamiltonians, have attracted considerable attention in the physics community since they are the source of many fascinating and counter-intuitive phenomena. One of the most intriguing effects inherent to EPs is predicted when such a degeneracy is dynamically encircled by way of a smooth temporal variation of the system's parameters, leading to a chiral behavior for which the final state is solely determined by the direction one chooses for the round-trip. However, despite a substantial research effort and the prospect for interesting practical applications, an experiment implementing this protocol was not yet realized due to the challenging experimental requirements that are involved in a successful demonstration of this effect. In this thesis, we describe how to map the temporal dynamics in the encircling of an EP onto the transmission of two modes in a boundary modulated microwave waveguide featuring a spatially varying absorber. We thereby obtain an asymmetric mode-switching device that selects a specific transverse waveguide mode based on the direction in which the waves are injected into this waveguide. In collaboration with our colleagues from Nice University, our research not only lead to the first experimental realization of a dynamical EP encircling, but also provides proof of our concept's potential for applications, and may be seen as a generalization of already existing switching protocols like the rapid adiabatic passage technique. Furthermore, we provide numerical as well as analytical evidence for novel reflection resonances occurring in surface-corrugated waveguides. These resonances lead to an order-of-magnitude enhancement of the waveguide's reflectance and are of special interest for imprinting specific transport properties onto a waveguide.

Zusammenfassung Terahertz Zeitbereichs-Spektroskopie ist in der Lage, durch Laufzeitanalyse dünne dielektrische Schichten aufzulösen. Durch die neue Messanordnung eines Zwei-Zylinder Wellenleiters konnte die Empfindlichkeit um den Faktor 150 auf bis zu 2,5 Mikrometer gesteigert werden. Eine Fehlerabschätzung lässt sogar eine sub-Mikrometer Auflösung erwarten. Selbst auf metallischen Folien ist dadurch die Dicke von dünnsten dielektrischen Schichten präzise zu bestimmen.

Exhaled breath offers monitoring bio markers, as well as diagnosing diseases and therapeutic interventions. In addition, vital functions may be non-invasively monitored online. Animal models are frequently used in research for determining novel therapeutic approaches and/or for investigating biological pathways. The exhaled carbon dioxide concentration, exhaled and inhaled oxygen concentration, and the subsequent respiratory quotient (RQ) offer insight into metabolic activity. One may adapt breath sampling systems and equipment designed for human applications to large animal studies. However, such adaptations are usually impossible for small animals due to their minuscule breath volume. Here, we present a system for the online monitoring of exhaled breath in a 'mouse intensive care unit' (MICU) based on a modified Fourier-transform infrared spectrometer equipped with a substrate-integrated hollow waveguide gas cell, and a luminescence-based oxygen flow-through sensor integrated into the respiratory equipment of the MICU. Thereby, per-minute resolution of O2 consumption and CO2 production was obtained, and the 95% confidence range of the determined RQ was ±0.04 or approximately ±5% of the nominal value. Changes in the RQ value caused by intervention in either the metabolic or respiratory system may therefore reliably be detected.

A planar substrate integrated waveguide slot-fed microstrip grid array antenna for the frequency range 76-81 GHz is presented. The antenna is realized on a standard soft RF substrate. It is fed using a transverse slot in a substrate integrated waveguide on a separate substrate layer below the antenna. A wideband microstrip to substrate integrated waveguide is designed to feed the antenna. Measurement results show a 12% S11, acceptedVersion

A major focus is on integrated Silicon-based optoelectronics for the creation of low-cost photonics for mass-market applications. Especially, the growing demand for sensitive and portable optical sensors in the environmental control and medicine follows in the development of integrated high resolution sensors [1]. In particular, since 2013 the quick onsite verification of pathogens, like legionella in drinking water pipes, is becoming increasingly important [2, 3]. The essential questions regarding the establishment of portable biochemical sensors are the incorporation of electronic and optical devices as well as the implementations of fundamental cross-innovations between biotechnology and microelectronics. This thesis describes the design, fabrication and analysis of high-refractive-index-contrast photonic structures. Besides silicon nitride (Si3N4) strip waveguides, lateral tapers, bended waveguides, two-dimensional photonic crystals (PhCs) the focus lies on monolithically integrated waveguide butt-coupled Silicon-based light emitting devices (Sibased LEDs) [4, 5] for use as bioanalytical sensor components. Firstly, the design and performance characteristics as single mode regime, confinement factor and propagation losses due to the geometry and operation wavelength (1550 nm, 541 nm) of single mode (SM), multi mode (MM) waveguides and bends are studied and simulated. As a result, SM operation is obtained for 1550 nm by limiting the waveguide cross-section to 0.5 μm x 1 μm resulting in modal confinement factors of 87 %. In contrast, for shorter wavelengths as 541 nm SM propagation is excluded if the core height is not further decreased. Moreover, the obtained theoretical propagation losses for the lowestorder TE/TM mode are in the range of 0.3 - 1.3 dB/cm for an interface roughness of 1 nm. The lower silicon dioxide (SiO2) waveguide cladding should be at least 1 μm to avoid substrate radiations. These results are in a good correlation to the known values for common dielectric structures. In the case of bended waveguides, an idealized device with a radius of 10 μm was developed which shows a reflection minimum (S11 = - 22 dB) at 1550 nm resulting in almost perfect transmission of the signal. Additionally, tapered waveguides were investigated for an optimized light coupling between high-aspect-ratio devices. Here, adiabatic down-tapered waveguides were designed for the elimination of higher-order modes and perfect signal transmission. Secondly, fabrication lines including Electron-beam (E-beam) lithography and reactive ion etching (RIE) with an Aluminum (Al) mask were developed and lead to well fabricated optical devices in the (sub)micrometer range. The usage of focused ion beam (FIB) milling is invented for smoother front faces which were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). As a result, the anisotropy of the RIE process was increased, but the obtained surface roughness parameters are still too high (10 – 20 nm) demonstrating a more advanced lithography technique is needed for higher quality structures. Moreover, this study presents an alternative fabrication pathway for novel designed waveguides with free-edge overlapping endfaces for improving fiber-chipcoupling. Thirdly, the main focus lies on the development of a monolithic integration circuit consisting of the Si-based LED coupled to an integrated waveguide. The light propagation between high-aspect-ratio devices is enabled through low-loss adiabatic tapers. This study shows, that the usage of CMOS-related fabrication technologies result in a monolithic manufacturing pathway for the successful implementation of fully integrated Si-based photonic circuits. Fourth, transmission loss measurements of the fabricated photonic structures as well as the waveguide butt-coupled Si-based LEDs were performed with a generated setup. As a result, free-edge overlapping MM waveguides show propagation loss coefficients of ~ 65 dB/cm in the range of the telecommunication wavelength. The high surface roughness parameters (~ 150 nm) and the modal dispersion in the core are one of the key driving factors. These facts clearly underline the improvement potential of the used fabrication processes. However, electroluminescence (EL) measurements of waveguide butt-coupled Si-based LEDs due to the implanted rare earth (RE) ion (Tb3+, Er3+) and the host material (SiO2/SiNx) were carried out. The detected transmission spectra of the coupled Tb:SiO2 systems show a weak EL signal at the main transition line of the Tb3+-ion (538 nm). A second emission line was detected in the red region of the spectrum either corresponding to a further optical transition of Tb3+ or a Non Bridging Oxygen Hole Center (NBOHC) in SiO2. Unfortunately, no light emission in the infrared range was established for the Er3+-doped photonic circuits caused by the low external quantum efficiencies (EQE) of the Er3+ implanted Si-based LEDs. Nevertheless, transmission measurements between 450 nm – 800 nm lead again to the result that an emission at 650 nm is either caused by an optical transition of the Er3+-ion or initialized by the NBOHC in the host. Overall, it is difficult to assess whether or not these EL signals are generated from the implanted ions, thus detailed statements about the coupling efficiency between the LED and the integrated waveguide are quite inadequate. Nevertheless, the principle of a fully monolithically integrated photonic circuit consisting of a Si-based LED and a waveguide has been successfully proven in this study.

Transversal elektromagnetische (TEM-) Wellenleiter können als alternative Testmethode benutzt werden, wenn die Feldverteilung im Prüfvolumen als hinreichend homogen und der TEM-Mode als dominant bestätigt wurden. Die in der ersten Edition der DIN EN 61000-4-20 aufgestellten Bedingungen wurden vom statistischen Ansatz der zweiten Edition nur teilweise korrekt wiedergegeben. Insbesondere für den Nachweis des TEM-Modes war die Annahme von Normalverteilung insofern ungünstig, als dass besonders gute Messwerte zum Nichtbestehen führen konnten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden umfangreiche Simulationen und Messungen mit verschiedenen TEM-Wellenleitern durchgeführt. Die so entstandenen Datensätze wurden einer statistischen Analyse unterzogen. Die Untersuchung der Feldhomogenität zeigt, dass die Annahme von Normalverteilung und die Auswertung gemäß DIN EN 61000-4-20 eine sinnvolle Güteziffer für die Feldhomogenität ergeben. Es wird aber auch gezeigt, dass durch die Wahl einer größeren Anzahl von Kalibrierpunkten die Güteziffer gemäß Standard verbessert werden kann. Dieses Vorgehen strebt für eine große Anzahl von Kalibrierpunkten gegen den wahren Wert der Feldhomogenität und ist damit letztlich nur eine genauere Messung. Bei dem Nachweis des TEM-Modes mit der Güteziffer gemäß DIN EN 61000-4-20 kommt es durch die Symmetrie der Normalverteilung zu fehlerhaften Annahmen und zu einer Überschätzung des tatsächlich gesuchten Grenzwertes. Mit der Rayleigh- Verteilung wird eine Verteilungsdichtefunktion vorgeschlagen, die die Verteilung der Messwerte besser abbildet. Die mit dieser Verteilung schon aus einer kleinen Anzahl von Kalibrierpunkten berechenbare Güteziffer liefert einen guten Schätzwert für den wahren Wert des gesuchten 75 % Quantils.

Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit der Frage, wie die Genauigkeit der Korrelation von Störaussendungsmessungen in einer Gigahertz Transverse Electromagnetic (GTEM-) Zelle gegenüber dem bisherigen Verfahren nach der Norm [DIN EN 61000-4-20: Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 4-20: Prüf- und Messverfahren - Messung der Störaussendung und Störfestigkeit in transversalelektromagnetischen (TEM-)Wellenleitern, 2010] verbessert werden kann. Eine Möglichkeit ist, für den Prüfling eine frequenzabhängige Direktivität in der Umrechnung zu verwenden, die die Abstrahlcharakteristik genauer nachbildet. Da dies für komplexe Prüflinge messtechnisch bzw. durch Simulation nur mit großem Aufwand realisierbar ist, wurde ein neuer Ansatz vorgestellt, für den keine geschirmte Messumgebung erforderlich ist, sondern nur eine entsprechend empfindliche Nahfeldsonde und ein Spektrumanalysator. Mit Hilfe dieser Nahfeldmessung können die von der Frequenz abhängigen Richtungen, in die der Prüfling die höchsten Strahlungsamplituden aufweist, zuverlässig identifiziert werden. Diese kritischen Positionen werden in der eigentlichen Emissionsmessung in der GTEM-Zelle ausschließlich verwendet. Wie die Vergleiche an zwei realitätsnahen Testobjekten zeigen, werden mit diesem Verfahren insbesondere die Maxima im Frequenzspektrum besser erfasst und eine allzu große Überbewertung in den umgerechneten Daten vermieden.

In dieser Arbeit wird ein analytisches Modell zur exakten Berechnung der elektromagnetischen Wechselwirkung einer Leitung innerhalb eines geschlossenen Zylinders mit seinem Gehäuse dargestellt. In der technischen Praxis spielen Leitungen eine sehr wichtige Rolle, insbesondere auch dann, wenn sie in geschlossenen Schirmkörpern verlegt sind. In diesen ändern sich die elektromagnetischen (em) Wechselwirkungen im Vergleich zu denjenigen im freien Raum. Dadurch bedingt, ist es auch zu erwarten, dass die eingespeisten Signalformen, die entlang der Leiter propagieren, verändert werden. Diese Beeinflussung wird im Folgenden an einer in einem Zylinder verlegten Leitung untersucht.

Offene transversalelektromagnetische (TEM-) Wellenleiter lassen sich als eine konische Zweileiteranordnung realisieren. Hierzu wird ein flächiger konischer Leiter über eine leitende Grundfläche mit einem bestimmten Öffnungswinkel aufgespannt. Der flächige Leiter lässt sich auch mit Drähten nachbilden, die im Speisepunkt zusammenlaufen. Eine solche Multi-Draht-Struktur kann als ungleichförmige Multi-Transmission-Line angesehen werden, die dann mit der Transmission-Line Super Theory (TLST) behandelt werden kann. Die TLST bietet den Vorteil, dass neben dem klassischen TEM-Mode auch höhere Feldmoden und die elektromagnetische Abstrahlung intrinsisch berücksichtigt werden. Durch Lösen der Leitungsgleichungen mit dem vollständigen Satz der Maxwellschen Gleichungen erhält man die Stromverteilung auf den Leitungen und kann daraus, mit Hilfe der zum Mehrleitersystem gehörenden Greenschen Funktionen, die elektromagnetischen Feldkomponenten bestimmen. Untersucht wird nun das Resonanzverhalten der transversalen magnetischen Feldkomponente für eine ausgewählte Anzahl von Drähten im offenen TEM-Wellenleiter. Mit Hilfe der TLST wird gezeigt, dass Kopplungswechselwirkungen zwischen den Leitern und elektromagnetische Abstrahlung das Resonanzverhalten des TEM-Modes in dämpfender Weise verändern. Der Beitrag der Verkopplung und der Einfluss der Abstrahlung lassen sich extrahieren. Damit wird deutlich, dass sich die Störeinflüsse bei geschlossenen TEM-Zellen nicht ohne weiteres auf offene Wellenleiter übertragen lassen.