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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 16 Elektrotechnik / Informatik  → Technische Elektronik  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2150

Title: Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning
Authors: Ataro, Edwin Omondi
???metadata.dc.subject.swd???: DWDMOptisches FilterVerteilte Bragg-ReflexionVertikalresonatorMEMSFinite-Elemente-MethodeVCSEL-Laser
???metadata.dc.subject.ddc???: 620 - Ingenieurwissenschaften (Engineering and allied operations)
Issue Date: 11-Mar-2005
Abstract: Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.This dissertation covers the design and optimisation aspects of micro-electromechanical tunable vertical cavity devices using the finite element method (FEM). The main emphasis of the work was on the electromechanical structural design and optimisation of multiple air-gap tunable DBR-based vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning. A multi-membrane InP/air Fabry-Pérot optical filter is presented and comprehensively analysed. In this work, a systematic structural design procedure which provides clear guidelines in the design process is proposed. An accurate analytical electromechanical model for the devices has been derived. This can be an invaluable tool in providing a quick insight at beginning of design phase. With the use of the FEM program, the effect of the non-linear stress stiffening has been widely investigated and its effect on the extension of the mechanical travel range of the device actuation demonstrated. It was also interesting to deduce from the calculations that regardless of the device structural configuration, normalised deflection-voltage characteristic profile remains invariable. The distortion of the actuated membrane is known to have often severe consequences on the performance of MOEMS devices. This work shows how the choice of structural design dimensions affect the membrane distortion. One difficulty encountered in the FEM mathematical model calculations of these devices with 3D models is the huge demand on the computing resources where 3D models are concerned. In this work a very accurate 2D software method based on the FEMLAB software that is faster and requires much less computing resources was implemented. This tool has been applied in the design and design optimisation of various features of the investigated devices. Further, it has been used in investigating the effects of scaling of the tunable devices. In a situation where a desire exists to tailor-scale a device such that the resulting device replicates the tuning characteristics of the original, it is hereby demonstrated that this can be achieved in a simple, predictable and reliable way. For calculations that could not be carried out with the 2D approximation software tool, the standard FEM setups built into FEMLAB were applied. Calculations involving micromachined structures with in-plane residual stress that results in changed rigidity and out-of-plane deformations required a modification of the standard methods to incorporate stress. This enabled the exploration of the nature and effect of residual biaxial and gradient stress in the devices and a more accurate prediction of the tuning behaviour of devices with residual stress as seen when compared with measurements.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2150
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