Caractérisation des anisotropes Leaky mode Modulateurs pour Holovideo

Summary

This work describes fabrication and characterization of anisotropic leaky mode modulators for holographic video.

Abstract

Holovideo displays are based on light-bending spatial light modulators. One such spatial light modulator is the anisotropic leaky mode modulator. This modulator is particularly well suited for holographic video experimentation as it is relatively simple and inexpensive to fabricate^1-3. Some additional advantages of leaky mode devices include: large aggregate bandwidth, polarization separation of signal light from noise, large angular deflection and frequency control of color¹. In order to realize these advantages, it is necessary to be able to adequately characterize these devices as their operation is strongly dependent on waveguide and transducer parameters⁴. To characterize the modulators, the authors use a commercial prism coupler as well as a custom characterization apparatus to identify guided modes, calculate waveguide thickness and finally to map the device’s frequency input and angular output of leaky mode modulators. This work gives a detailed description of the measurement and characterization of leaky mode modulators suitable for full-color holographic video.

Introduction

La plupart des technologies d'affichage holographique, tels que des valves de lumière pixelated ainsi que des dispositifs MEMS et ondes en vrac modulateurs acousto-optiques, sont trop complexes pour permettre une large participation à leur développement. Modulateurs Pixélisé, en particulier ceux avec des couches filtrantes et des avions dos actifs peuvent nécessiter des dizaines d'étapes de mise en forme pour construire ⁵ et peuvent être limités par fan-out ^6. Plus le nombre de motifs étapes plus la complexité de l' appareil et le resserrement du protocole de fabrication doit être d'obtenir un rendement de l' appareil raisonnable ^7. Bulk-ondes modulateurs acousto-optique ne se prêtent pas à wafer processus basés ^8,9. Anisotropes modulateurs de mode qui fuit, cependant, ne nécessitent que deux étapes patterning pour fabriquer et utiliser des techniques de microfabrication relativement standard ^10,11. L'accessibilité de ces processus permettent à toute institution avec de modestes installations de fabrication à participer à l'élaboration de hvidéo olographe technologie d'affichage ^12.

La simplicité de fabrication du dispositif peut être séduisante, cependant, que le bon fonctionnement des dispositifs dépend fortement des guides d'ondes qui doivent être soigneusement mesurés et ajustés pour obtenir les caractéristiques de l'appareil souhaité. Par exemple, si le guide d' onde est trop profonde, la bande passante opérationnelle du dispositif sera réduit ^13. Si le guide d'onde est trop faible, l'appareil peut ne pas fonctionner pour un éclairage rouge. Si le guide d' ondes est recuite trop longtemps, la forme du profil de profondeur du guide sera déformée, et les transitions rouges, vertes et bleues ne peut pas siéger à côté dans le domaine de fréquence ^14. Dans ce travail, les auteurs présentent les outils et techniques pour effectuer cette caractérisation.

Le modulateur de mode à fuite de protons est constitué d'un guide d' ondes échangé indiffused sur la surface d'un dispositif piézoélectrique, coupe X substrat de niobate de lithium ^15,16. D'un boutdu guide d' ondes est un transducteur interdigité en aluminium, voir la figure 1. La lumière est introduite dans le guide d' ondes en utilisant un agent de couplage du prisme ^17. Le transducteur lance alors ondes acoustiques de surface qui interagissent contralinearly avec la lumière dans le guide d'ondes le long de l'axe y. Cette interaction couple guidée de lumière en un mode à fuite qui fuit hors du guide d' ondes dans la masse du substrat et sort du bord enfin font face ^18,19. Cette interaction tourne également la polarisation de la lumière guidée TE polarisée TM lumière polarisée mode qui fuit. Le motif d'onde acoustique de surface est de l'hologramme, et il est capable de numériser et de mise en forme de la lumière de sortie pour former une image holographique.

Le guide d'onde est créée par échange de protons. Tout d'abord, l'aluminium est déposé sur le substrat. Ensuite, l'aluminium est modelée de photo-lithographie et de gravure pour exposer des régions du substrat pour devenir des canaux de guide d'ondes. L'aluminium restant agit comme un disquemasque. Le substrat est immergé dans un bain d'acide benzoïque qui modifie l'indice de surface dans les régions exposées. Le dispositif est retiré, nettoyé et recuite dans un four à moufle. La profondeur finale du guide d'onde détermine le nombre de transitions de mode qui fuient. La profondeur de guide d'ondes détermine également la fréquence de chacune des transitions guidées à mode pour chaque couleur ^4.

Les transducteurs d'aluminium sont formés par le décollage. Après que les guides d'ondes sont formés, un faisceau d'électrons est filé résist sur le substrat. Un transducteur interdigital est modelée avec un faisceau d'électrons pour former un transducteur à compression d'impulsions conçu pour répondre à la bande chargée de contrôler la couleur dans des dispositifs de guides d'onde 200 MHz. La période des doigts est déterminé par Λƒ = v où Λ est la période de doigt, v est la vitesse du son dans le substrat et, ƒ est la fréquence radio (RF). Le transducteur aura une impédance qui doit être adaptée à 75 ohms pour un fonctionnement efficace ^20.

<p class = "jove_content"> Le guide à l'interaction du mode de fuite se produit à des fréquences différentes pour différentes longueurs d'onde de la lumière d'éclairage et par conséquent la lumière rouge, vert et bleu peut être contrôlé dans le domaine fréquentiel. La forme d'onde acoustique de surface est générée par un signal RF transmis au transducteur interdigité. Le RF du signal d'entrée se traduit à des fréquences spatiales sur la forme d'onde acoustique de surface. Le guide d'onde peut être fabriqué de telle sorte que les signaux basse fréquence contrôlent le balayage angulaire et de l'amplitude de la lumière rouge, tandis que les fréquences moyennes contrôlent la lumière verte et hautes fréquences contrôlent la lumière bleue. Les auteurs ont identifié un ensemble de paramètres de guide d'ondes qui permettent tous trois de ces interactions pour être séparées et adjacentes dans le domaine des fréquences de telle sorte que les trois couleurs peuvent être commandés par un seul signal à 200 MHz qui est la bande passante maximale des unités de traitement de produits graphiques ( GPU).

En faisant correspondre la largeur de bande d'un canal de GPUà celui d'un modulateur de mode qui fuit, le système devient complètement parallèle et hautement évolutive. En ajoutant la bande passante adaptée paires de GPU et de canaux de modulation de mode qui fuient, on peut construire affiche holographiques de taille arbitraire.

Après que le dispositif est créé, il est soigneusement caractérisé pour vérifier que les fréquences pour la transition de mode guidé à leaky sont appropriés pour le contrôle de la fréquence de la couleur. Tout d'abord, l'emplacement des modes guidés sont déterminés par un prisme de couplage du commerce pour confirmer que le guide d'onde a la profondeur appropriée et le bon nombre de modes guidés. Ensuite, après que les dispositifs sont montés et emballés, ils sont placés dans un prisme de couplage personnalisé qui mappe des fréquences d'entrée de la lumière de sortie numérisé. Les données ainsi obtenues donne la réponse d'entrée de fréquence et la réponse de sortie angulaire de la lumière rouge, verte et bleue pour le dispositif à tester. Si l'appareil a été fabriqué correctement, la réponse d'entrée du dispositif sera séparé enla fréquence et la réponse de sortie seront chevauchement dans l'angle. Lorsque cela est confirmé, le dispositif est prêt à être utilisé dans un affichage vidéo holographique.

Les premières mesures ont lieu avant que l'appareil a été emballé. La profondeur de guide d'onde est déterminée par un prisme de couplage commercial. Ceci peut être accompli avec une seule longueur d'onde d'éclairage (typiquement 632 nm rouge) mais les auteurs ont modifié leur prisme coupleur commercial pour lui permettre de recueillir des informations de mode pour la lumière rouge, vert et bleu. Après l'emballage, le dispositif est soumis à une deuxième mesure dans un prisme de couplage sur mesure qui enregistre la lumière de sortie déviée en fonction d'entrée RF. Une description détaillée de ces mesures ci-après. les étapes de fabrication sont également indiquées.

Protocol

1. Préparation initiale Remarque: Commencez avec une nouvelle coupe X niobate de lithium wafer. Il devrait être de qualité optique, 1 mm d'épaisseur, propre, avec rien déposé sur la surface, les deux parties polies, et le côté supérieur marqués. Au moyen d'un faisceau d'électrons Evaporateur ou machine équivalente à un vide de 50 μTorr, évaporer 200 nm d'aluminium sur la plaquette à 5 Å / s. Pour répliquer les résultats présentés, la position de la constellation de…

Representative Results

Les principaux résultats de ce protocole sont supérieurs à la mesure du mode guidé du coupleur à prisme commercial représenté sur la figure 2, la fréquence unique, les données d' entrée brutes / sortie recueillies à partir du coupleur de prisme mesure représentés sur la figure 8 et les courbes multicolores représentés sur la figure 9. Dans les paragraphes qui suivent, nous discutons des informations à une action produ…

Discussion

La conception de chaque dispositif comporte deux étapes critiques, l'échange et le développement du LOR proton. Des deux, le temps d'échange de protons détermine la profondeur du guide d'onde, ce qui détermine le nombre de transitions guidé vers des fuites de mode, la largeur de bande de fréquence réglable, et chaque paramètre de conception clé pour chaque couleur de la lumière. Deux modes guidés en rouge est souhaitée. Si plus existe alors la bande passante est sacrifiée. Si moins existent al…

Materials

X-Cut Lithium Niobate	Gooch and Housego	99-00630-01	Lithium Niobate 3″ Diameter X-CUT Wafer 1mm Polish/Polish
Positive Photo Resist 1	EMD Performance Materials	AZ 3330 F Photoresist	Used in the creation of the proton exchange mask.
Photoresist Developer	EMD Performance Materials	AZ MIF 300	Develops AZ3330 and LOR 3A
Aluminium	International Advanced Materials	AL13	99.999% Pure
Aluminium Etch	Transene	Type A Aluminum Etchant
Benzoic Acid	Sigma Aldrich	109479-500G	99% Pure
Acetone	Fisher Chemical	UN1009
IPA	Fisher Chemical	UN1219	99.5% pure Isopropyl Alcohol
Acidic Piranha etch	Cyantek Corperation	Nanostrip
Under Layer Resist	Micro Chem	LOR 3A	Bottom layer used for liftoff.
Positive Photo Resist	Micro Chem	950 PMMA A9	Top layer used for liftoff
Anisole	Micro Chem	A Thinner
Conductive polymer aqueous solution	Mitsubishi Rayon Company	AquaSAVE
MIBK (4-Methyl-2-pentanone)	Sigma Aldrich	360511	Develops PMMA
NMP (1-methyl-2-pyrrolidone)	Sigma Aldrich	328634	Used for liftoff
Name of the Equipment	Company	Catalog Number	Comments/ Description
E-beam Evaporator	Denton Vacuum	Integrity 20	Any equivalent equipment would suffice.
Thin Film Spinner	Laurell Technologies Corporation	WS-400A-6NPP-LITE	Any equivalent equipment would suffice.
Mask Aligner	Karl Suss America Inc.	MA 150 CC	Any equivalent equipment would suffice.
Automatic Dicing Saw	Disco Corperation	Disco Dad 320	Any equivalent equipment would suffice.
Muffle Furnace	Thermo Scientific	FB1415M	Any equivalent equipment would suffice.
Electron Microscope	FEI	XL30 ESEM	Any equivalent equipment would suffice.
Dehydration Oven	Lab-Line Instruments	Ultra-Clean 100  (3497M-3)	Any equivalent equipment would suffice.
Hot Plate	Thermo Scientific	SP131325	Any equivalent equipment would suffice.
Polisher	Ultra Tec Mfg., Inc.	Ultrapol End & Edge Polisher	Any equivalent equipment would suffice.
Class IIIb 12V RBG Lasers: Wavelengths(nm): 638, 532, and 445			Bought second-hand. Probably pulled from a laser projector. Any equivalent equipment would suffice.
Signal Generator	Agilent	8648D	Now found at Keysight. Obsolete. Any equivalent equipment would suffice. Needed Frequency sweep 9 KHz-1000 MHz.
Signal Amplifier	Mini-Circuits	TB-17	Necessary only to overcome the limitations of the signal generator.
Power Meter Controller	ThorLabs	PM100D	With power meter model S130C. Any equivalent equipment would suffice. Needed sensitivity 500pW
Linear Actuator Controller	Newport	ESP7000	With linear actuator model MFN25PP. Any equivalent equipment would suffice. Needs 0.1mm accuracy.
AutomatedDeviceCharacterization.vi	LabView	Experimental Control Software by BYU	Found in the appendix
CompareWDMmodes.m	MATLab	Analytical Software by BYU	Found in the appendix