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APL Photonics 2018 Invited Paper
No full textWe demonstrate enhanced four-wave mixing (FWM) in doped silica waveguides integrated with graphene oxide (GO) layers. Owing to strong mode overlap between the integrated waveguides and GO films that have a high Kerr nonlinearity and low loss, the FWM efficiency of the hybrid integrated waveguides is significantly improved. We perform FWM measurements for different pump powers, wavelength detuning, GO coating lengths, and number of GO layers. Our experimental results show good agreement with theory, achieving up to ~9.5-dB enhancement in the FWM conversion efficiency for a 1.5-cm-long waveguide integrated with 2 layers of GO. We show theoretically that for different waveguide geometries an enhancement in FWM efficiency of ~ 20 dB can be obtained in the doped silica waveguides, and more than 30 dB in silicon nanowires and slot waveguides. This demonstrates the effectiveness of introducing GO films into integrated photonic devices in order to enhance the performance of nonlinear optical processes
small
No full textLayered 2D graphene oxide (GO) films are integrated with micro-ring
resonators (MRRs) to experimentally demonstrate enhanced nonlinear optics.
Both uniformly coated (1−5 layers) and patterned (10−50 layers) GO films are
integrated on complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS)-compatible
doped silica MRRs using a large-area, transfer-free, layer-by-layer GO coating
method with precise control of the film thickness. The patterned devices further
employ photolithography and lift-off processes to enable precise control of the
film placement and coating length. Four-wave-mixing (FWM) measurements
for different pump powers and resonant wavelengths show a significant
improvement in efficiency of 7.6 dB for a uniformly coated device with 1 GO
layer and 10.3 dB for a patterned device with 50 GO layers. The measurements
agree well with theory, with the enhancement in FWM efficiency resulting
from the high Kerr nonlinearity and low loss of the GO films combined with
the strong light–matter interaction within the MRRs. The dependence of GO’s
third-order nonlinearity on layer number and pump power is also extracted
from the FWM measurements, revealing interesting physical insights about
the evolution of the GO films from 2D monolayers to quasi bulk-like behavior.
These results confirm the high nonlinear optical performance of integrated
photonic resonators incorporated with 2D layered GO films
Small hands, big dreams - a place to grow
No full textDie vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Planung eines Kindergartens im 21. Bezirk in Wien, einem stark wachsenden Stadtgebiet, in dem der Bedarf an frühkindlicher Betreuung kontinuierlich steigt. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines ganzheitlichen Konzeptes für einen Kindergarten, der sowohl den Bedürfnissen der Kinder als auch den Pädagog*innen optimal gerecht wird. Der Entwurf setzt auf eine kindgerechte Gebäudeform, die Orientierung und Sicherheit bietet, gleichzeitig aber offene Grundrisse und flexible Räume ermöglicht, um unterschiedliche pädagogische Aktivitäten, kreatives Spielen und individuelle Förderung zu unterstützen. Ein zentraler Schwerpunkt liegt auf der Gestaltung interessanter, anregender und sicherer Außenräume, die Bewegung, Entdeckung, soziale Interaktion und naturbezogenes Lernen fördern. Zudem wird die nachhaltige Bauweise des Gebäudes berücksichtigt: Verwendung ökologischer Materialien, energieeffiziente Konzepte und ressourcenschonende Lösungen stehen im Mittelpunkt, um einen langfristig ökologischen Betrieb zu gewährleisten. Durch die Verbindung von architektonischer Qualität, pädagogischer Funktionalität und ökologischer Verantwortung soll ein zukunftsorientierter Kindergarten entstehen, der den wachsenden Anforderungen eines urbanen Umfeldes gerecht wird und Kindern einen inspirierenden und sicheren Lern- und Lebensraum bietet.Hinweis: Bei der Erstellung dieser Diplomarbeit wurde KI (ChatGPT) zur Verbesserung der sprachlichen Formulierung verwendet. Für den Inhalt bin ich selbst verantwortlich.This diploma thesis focuses on the planning of a kindergarten in the 21st district of Vienna, a rapidly growing urban area with an increasing demand for early childhood education. This work aims to develop a holistic concept for a kindergarten that meets the needs of both children and educators. The design emphasizes a child-friendly building form that provides safety and orientation, while offering open floor plans and flexible spaces to support diverse educational activities, creative play, and individual development. A central focus is on the creation of engaging, stimulating, and safe outdoor areas that encourage physical activity, exploration, social interaction, and nature-based learning. Furthermore, sustainable construction is a key aspect, including the use of ecological materials, energy-efficient solutions, and resource-saving strategies to ensure long-term ecological operation. By combining architectural quality, pedagogical functionality, and ecological responsibility, the project aims to create a future-oriented kindergarten that meets the growing demands of an urban environment and provides children with an inspiring and secure space for learning and development.Disclaimer: During the writing of this diploma thesis, AI (ChatGPT) was used to improve the linguistic formulation. I am responsible for the content
ACCLIMA – Inwiefern kann Akklimatisierung als ein räumlich-architektonisches und vom Menschen aktiv geprägtes Konzept verstanden werden – als Alternative zur vollständigen Kontrolle des Innenraumklimas?
No full textVon frühen räumlichen und klimatischen Strategien, die eng an natürliche Rhythmen gebunden waren, entwickelte sich im Verlauf des 20. Jahrhunderts ein Komfortverständnis, das zunehmend durch technische Systeme geprägt ist und schließlich in einem Zustand des „Hypercomfort“ resultiert. Diese Entwicklung führte nicht nur zu wachsenden energetischen Abhängigkeiten, sondern auch zum Verlust räumlicher und sinnlicher Qualitäten. Angesichts der niedrigen Renovierungsrate und der damit verbundenen Herausforderung, die EU-Klimaziele zu erreichen, gerät die Logik der aktuellen Praxis von Luftdichtheit und maximaler Dämmung zunehmend ins Wanken. Die Arbeit sucht nach Alternativen, indem sie die Prozesse thermischer Wahrnehmung in den Mittelpunkt stellt. Von den physikalischen Prinzipien des Wärmetransfers über den menschlichen Metabolismus bis hin zur Thermoregulation. Akklimatisierung wird dabei als konzeptionelles Gegenmodell eingeführt. Verstanden als Bindeglied zwischen Temperatur, Körper und Raum eröffnen sich Perspektiven für thermisch differenzierte, minimaltechnische und zugleich erfahrungsintensive Räume. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine bewusste Adaption des Verhaltens, bei der Architektur lediglich die Ausgangslage schaffen kann, während die eigentliche Transformation im Menschen selbst stattfinden muss.From early spatial and climatic strategies closely tied to natural rhythms, the 20th century saw the emergence of a comfort paradigm increasingly shaped by technical systems, culminating in a condition of "hypercomfort". This shift not only produced growing energetic dependencies but also resulted in the loss of spatial and sensory qualities. In light of the low renovation rate and the resulting challenge of meeting the EU’s climate targets, the prevailing logic of airtightness and maximum insulation is increasingly being called into question. This thesis seeks alternatives by placing the processes of thermal perception at its center, from the physical principles of heat transfer to human metabolism and thermoregulation. Acclimatization is introduced as a conceptual countermodel. Understood as a mediator between temperature, body, and space, it opens perspectives for thermally differentiated, low-tech, yet experientially rich environments. However, this requires a conscious adaptation of behavior, in which architecture can only provide the initial framework, while the actual transformation must occur within the human user
LoGCC: Local-to-Global Correlation Clustering for Scalar Field Ensembles
No full textCorrelation clustering (CC) offers an effective approach to analyze scalar field ensembles by detecting correlated regions and consistent structures, enabling the extraction of meaningful patterns. However, existing CC methods are computationally expensive, making them impractical for both interactive analysis and large-scale scalar fields. We introduce the Local-to-Global Correlation Clustering (LoGCC) framework, which accelerates pivot-based CC by leveraging the spatial structure of scalar fields and the weak transitivity of correlation. LoGCC operates in two stages: a local step that uses the neighborhood graph of the scalar field's spatial domain to build highly correlated local clusters, and a global step that merges them into global clusters. We implement the LoGCC framework for two well-known pivot-based CC methods, Pivot and CN-Pivot, demonstrating its generality. Our evaluation using synthetic and real-world meteorological and medical image segmentation datasets shows that LoGCC achieves speedups—up to 15 × for Pivot and 200 × for CN-Pivot—and improved scalability to larger scalar fields, while maintaining cluster quality. These contributions broaden the applicability of correlation clustering in large-scale and interactive analysis settings
Optimal design strategies in classical and quantum photonic
No full textPhotonics devices such as metasurfaces, photonic circuits, and modulators control the flow of light using a variety of “tuning knobs”: material structuring, temporal modulation, or wavefront shaping. In this talk I discuss how to design these tuning knobs to achieve optimal optical response in both classical and quantum photonics
Algorithmic Aspects of Ordering Problems in Information Visualization
Get PDFInformation visualization plays a central role in understanding and interacting with data by uncovering patterns, trends, and anomalies. The effectiveness of a visualization critically depends on its layout quality, often governed by one or morewell-defined quality criteria. Optimizing visualizations to meet these criteria often leads to challenging computational problems, many of which are NP-hard. Despite this, the visualization literature frequently relies on standard heuristics without provable guarantees, limiting both the rigor and quality of visual outcomes. This thesis addresses this gap by developing provably efficient algorithms for optimizing visualizations with respect to formal quality measures, with a particular focus on problems where these measures depend on orderings or permutations of visual data elements. The work combines algorithm design, complexity theory, and empirical evaluationto rigorously analyze and solve layout optimization problems across several types of visualizations. The thesis is structured into three parts. Part I investigates set visualizations, including linear diagrams and metro-map-style point-line incidence diagrams. We study layout problems where the goal is to order elements and sets to minimize visual complexity metrics in linear diagrams. We provide computational lower bounds and give exact and heuristic algorithms. Furthermore, we investigate geometric representations of set systems using straightlines and show that even basic variants of these problems are computationally intractable. Part II considers crossing minimization in visualizations where entities evolve over time or are grouped hierarchically, including temporal treemaps, storyline visualizations, and tanglegrams. We define theoretical models for counting and minimizing crossings in temporal treemaps, simplify prior ILP approaches for storylines, and introduce block crossing minimization in tanglegrams, providing complexity results and efficient algorithms. Part III addresses wiggle minimization instacked area charts, where the vertical order of bands affects the readability of the visualization. We prove several computational lower bounds, and provide an exact algorithm that we empirically compare against a state-of-the-art heuristic. Throughout the thesis, we apply tools from algorithm design – including parameterized complexity, integer programming, and approximation algorithms – to derive both theoretical insights and practically useful solutions. In doing so, this thesis contributes to a more rigorous algorithmic foundation for information visualization, particularly in contexts where visual quality depends on the ordering of visual dataelements
Ring-opening polymerization started by photo base generators
Get PDFDie Verwendung von Licht zur Auslösung chemischer Reaktionen hat sich zu einer leistungsstarken Strategie in der modernen Chemie entwickelt, und ihre Integration in die Polymer- und Materialwissenschaften hat das etablierte Forschungsfeld der Photopolymerisation begründet. Seit Jahrzehnten wird diese Technologie erfolgreich in radikal-initiierten Härtungsprozessen eingesetzt, insbesondere bei Beschichtungen, Klebstoffen und neuerdings auch im 3D-Druck. In den letzten Jahren hat sich die Aufmerksamkeit jedoch zunehmend auf die ionische Photopolymerisation verlagert. Diese ionischen Ansätze, die entweder auf kationischen oder anionischen Mechanismen beruhen, bieten mehrere Vorteile, darunter verbesserte Kontrolle über die Polymerarchitektur sowie Zugang zu zuvor unzugänglichen Polymerklassen im 3D-Druck. Solche Eigenschaften machen die ionische Photopolymerisation besonders attraktiv für neuartige, hochpräzise Anwendungen, einschließlich der additiven Fertigung.Im Mittelpunkt jedes photochemischen Prozesses steht das photoinitiierende System. In diesem Zusammenhang haben Photobasengeneratoren (PBGs) zunehmende Aufmerksamkeit als vielversprechende Alternativen zu Photoradikalgeneratoren (PRG) und Photosäurengeneratoren (PAG) gewonnen. Im Vergleich zu PRGs bieten PBGs den Vorteil einer besseren Kontrolle, während sie im Gegensatz zu PAGs Probleme wie Metallkorrosion vermeiden. Diese Eigenschaften erweitern ihre Anwendbarkeit in sensiblen Bereichen, beispielsweise in der Elektronik- und Automobiltechnik, und machen PBGs zugleich zu effektiven Initiatoren für die Ringöffnungspolymerisation zyklischer Verbindungen.Daher fokussierte sich diese Arbeit auf die PBG-vermittelte Ringöffnungspolymerisation von zyklischen Estern und Amiden. Im ersten Teil der Arbeit wurde das Polymerisationsverhalten von ε-Caprolacton, ε-Caprolactam und 2-Azetidinon untersucht, indem verschiedene PBGs verwendet wurden. Besonderes Augenmerk lag hierbei auf der temperaturabhängigen Reaktivität, um das Potenzial für Anwendungen im 3D-Druck bei erhöhten Temperaturen zu bewerten. Die Studie umfasste außerdem die Synthese von N-substituierten und N unsubstituierten 2-Azetidinon-Derivaten, die anschließend photoinduzierten ROP Experimenten unterzogen wurden. Abschließend wurde die Optimierung des Monomerumsatzes und der Polymerisationskinetik durch Anpassung der Reaktionstemperatur, der PBG-Konzentration und der Menge des Co-Initiators durchgeführt.Using light to start chemical reactions has become a powerful tool in modern chemistry, and its application to polymer and materials science has led to the well-known field of photopolymerization. This technology has been used extensively in radical-initiated curing for the past few decades, especially in adhesives, coatings, and more recently, in 3D printing. However, in recent years, the focus has increasingly shifted from radical to ionic photopolymerization. These ionic approaches, which rely on either cationic or anionic mechanism, have a number of significant benefits, such as enhanced control over polymer architecture and access to classes of polymers that were previously unavailable in 3D printing. Such features of ionic photopolymerization excite the use of this technology for emerging high precision applications, including additive manufacturing.At the heart of any photochemical reaction is the photoinitiation system. In this regard, photobase generators (PBGs) have become increasingly popular as promising alternatives to both radical and photoacid initiators. Compared to radical initiators, PBGs offer the significant advantage of being more controlled, while in contrast to photoacid generators, they avoid problems such as metal corrosion. These features broaden their applicability to highly sensitive areas, like electronics and automotive technologies, and at the same time make PBGs effective tools for facilitating the ring-opening polymerization of cyclic compounds, which happens to be the central focus of this work. Therefore, the experimental work of this thesis focused on PBG-mediated ring-opening polymerization reaction of cyclic esters and amides. In the first part, the polymerization behavior of ε-caprolactone, ε-caprolactam, and 2-azetidinone was evaluated using different photobase generators. Hereby, particular attention was given to the temperature-dependent reactivity to evaluate its potential for applications in 3D printing at elevated temperatures. The study also included the synthesis of N-substituted and N-unsubstituted 2-azetidinone derivatives, which were subsequently exposed to photoinduced ROP experiments under different conditions. Finally, the optimization of monomer conversion and polymerization kinetics was carried out by changing the reaction temperature, PBG concentration, and the amount of co-initiator
Analysis of membrane proteins organization and function using micropatterning
No full textDie Plasmamembran ist eine dynamische und komplexe Struktur, die für zahlreiche zelluläre Prozesse wie Signalübertragung, Adhäsion und molekularen Transport von entscheidender Bedeutung ist. Diese Funktionen werden hauptsächlich durch Membranproteine vermittelt – sowohl durch ihre wechselseitigen Interaktionen als auch durch ihre Assoziation mit umgebenden Lipiden. Die Untersuchung der Aktivität und der nanoskaligen Organisation von Membranproteinen in lebenden Zellen stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar. Auch modernste Bildgebungstechniken können schnelle, dynamische Prozesse in der Membran nur eingeschränkt erfassen. In dieser Arbeit wird „Protein Micropatterning“ – eine Methode, die eine räumlich kontrollierte Immobilisierung von Membranproteinen in lebenden Zellen ermöglicht – in Kombination mit Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt, um zwei unterschiedliche Fragestellungen zu untersuchen.Zunächst untersuchten wir die nanoskalige Lipidumgebung verschiedener Transmembranproteine. Durch Immobilisierung der Proteine in definierten Dichten in der Plasmamembran lebender Zellen und durch Messung der Mobilitätsreduktion von Lipid-Tracern bestimmten wir ihren hydrodynamischen Radius. In diesem Assay würde eine enge Anlagerung von Lipiden mit verringerter Fluidität als vergrößerter Radius des Proteins nachweisbar sein. Bei drei von vier getesteten Proteinen stimmten die experimentell bestimmten Größen mit den aus der Proteinstruktur berechneten Größen überein, wodurch wir die Existenz einer Schicht immobilisierter Lipide ausschließen konnten. Aus diesen Ergebnissen schlossen wir, dass solche stark assoziierten Lipide kein universelles Organisationsschema der Plasmamembran darstellen.Zweitens entwickelten wir einen Live-Cell-Assay, um die Kinaseaktivität des Fibroblasten-Wachstumsfaktor-Rezeptors 3 (FGFR3) zu quantifizieren. Fluoreszenzmarkierter FGFR3 wurde innerhalb definierter Muster immobilisiert und angereichert, und seine Aktivierung wurde über die Rekrutierung des nachgeschalteten Signaltransduktors GRB2 (Growth Factor Receptor Bound 2) verfolgt. Mit diesem Assay verglichen wir die Aktivität von Wildtyp-FGFR3 und vier krankheitsassoziierten Mutanten nach Stimulation mit den Liganden FGF1 und FGF2. Alle Mutanten zeigten eine erhöhte basale Aktivität und unterschiedlich starke Reaktionen bei der Zugabe von Liganden. Im Gegensatz zu früheren Studien misst diese Methode die Rezeptoraktivität gezielt an der Plasmamembran.Zusammen zeigen unsere Studien das Potenzial von „Protein Micropatterning“ zur Untersuchung der Funktion und Organisation von Membranproteinen in lebenden Zellen und liefern neue Erkenntnisse über Lipid-Protein-Wechselwirkungen und Rezeptor-Signalwege.The plasma membrane is a dynamic and complex structure essential for numerous cellular processes, including signaling, adhesion, and molecular transport. These functions are primarily mediated by membrane proteins through their mutual interactions and their association with surrounding lipids. However, studying the activity and nanoscale organization of membrane proteins in living cells remains challenging due to the limitations of current imaging techniques to capture fast, dynamic processes occurring in the membrane. This thesis employs protein micropatterning—a method that allows spatially controlled immobilization of membrane proteins in live cells—in combination with fluorescence microscopy to address two distinct research questions.First, we examined the nanoscale lipid environment surrounding different transmembrane proteins. By immobilizing proteins at defined densities in the live-cell plasma membrane and monitoring the mobility reduction of lipid tracers, we determined their apparent in-plane hydrodynamic radius. In this assay, tight adhesion of lipid layers with reduced fluidity would be detectable as an increased radius of the protein of interest. For three out of four proteins tested, the experimental data matched structural expectations and did not support the presence of a shell of immobilized lipids, suggesting that such boundary lipids are not a universal feature of plasma membrane organization.Second, we developed a live-cell assay to quantify the kinase activity of fibroblast growth factor receptor 3 (FGFR3). Fluorescently labeled FGFR3 was immobilized and enriched within defined patterns, and receptor activation was monitored via the recruitment of its downstream signal transducer growth factor receptor bound 2 (GRB2). Using this assay, we compared the activity of wild-type FGFR3 and four disease-associated mutants upon stimulation with FGF1 and FGF2 ligands. All mutants exhibited increased basal activity, with variable responses to ligand addition. Notably, discrepancies with previous studies highlight the importance of measuring receptor activity specifically at the plasma membrane.Together, these studies demonstrate the unique ability of micropatterning approaches to dissect membrane protein function and organization in living cells, providing new insights into lipid–protein interactions and receptor signaling
