Charakterisierung von anisotroper Leaky-Modus Modulatoren für die 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

Die meisten holographische Display-Technologien, wie pixelig Lichtventile sowie MEMS-Bauelemente und Volumenwelle akustisch-optische Modulatoren, sind zu komplex für eine breite Beteiligung an ihrer Entwicklung zu ermöglichen. Pixelated Modulatoren, insbesondere solche mit Filterschichten und aktiven hinteren Ebenen können Dutzende von Strukturierungsschritte erfordern bis ⁵ bauen und kann durch Auffächerung ⁶ begrenzt werden. Je größer die Anzahl der Strukturierungsschritte , je höher die Komplexität der Vorrichtung, und desto enger muss der Herstellungsprotokoll angemessen sein Gerät Ausbeute zu erreichen ^7. Bulk-Wellen – akustooptische Modulatoren eignen sich nicht basierte Prozesse ^8,9 zu Wafer. Anisotropes leaky Modus Modulatoren erfordern jedoch nur zwei Strukturierungsschritte relativ Standardmikrofabrikationstechniken ^10,11 herzustellen und zu nutzen. Die Zugänglichkeit dieser Prozesse machen es möglich, für jede Institution, mit bescheidenen Herstellungsanlagen in der Entwicklung von h teilnehmenolographic Video – Display – Technologie ^12.

Die Einfachheit der Vorrichtungsherstellung kann betörende sein, aber, wie die ordnungsgemäße Funktion der Geräte stark von Wellenleitern, die sorgfältig gemessen werden muss, und die gewünschten Vorrichtungseigenschaften zu erreichen, eingestellt. Zum Beispiel, wenn der Wellenleiter zu tief ist, wird das Gerät die Betriebsbandbreite ¹³ verengt werden. Wenn die Wellenleiter zu flach ist, kann das Gerät nicht für rote Beleuchtung arbeiten. Wenn der Wellenleiter zu lange geglüht wird, wird die Form des Tiefenprofils des Wellenleiters verzerrt werden, und die roten, grünen und blauen Übergänge nicht in der Frequenzdomäne ¹⁴ in der Nähe sitzen. In dieser Arbeit stellen die Autoren die Werkzeuge und Techniken diese Charakterisierung durchzuführen.

Der Leckwellenmodulator besteht aus einem Protonenleiter auf der Oberfläche eines piezoelektrischen eindiffundiert tauschten X-Schnitt – Lithiumniobat-Substrat ^15,16. Am einen Endedes Wellenleiters ein Aluminium – Interdigitalwandler ist, siehe 1. Das Licht wird in den Wellenleiter eingeführt ¹⁷ ein Prismenkoppler verwendet wird . Der Wandler startet dann akustische Oberflächenwellen, die contralinearly in dem Wellenleiter entlang der y-Achse mit Licht interagieren. Diese Wechselwirkung koppelt Licht in einen Streumodus geführt , die aus dem Wellenleiter in das Volumen austritt und schließlich verlässt das Substrat von der Randfläche ^18,19. Diese Interaktion dreht sich auch die Polarisation von TE polarisiertem Licht geführt zu TM Leaky-Mode-Licht polarisiert. Die akustische Oberflächenwellenmuster ist das Hologramm, und es ist in der Lage Scannen und Formung des Ausgangslichts ein holographisches Bild zu bilden.

Der Wellenleiter wird durch Protonenaustausch hergestellt. Zuerst wird Aluminium auf dem Substrat abgeschieden. Dann wird das Aluminium gemustert photolithographisch und geätzten Bereiche des Substrats zu exponieren Wellenleiterkanäle zu werden. Das verbleibende Aluminium wirkt als harteMaske. Das Substrat wird in einer Schmelze von Benzoesäure eingetaucht, welche die Oberflächenindex in den belichteten Bereichen verändert. Die Vorrichtung wird entfernt, gereinigt und in einem Muffelofen getempert. Die Endtiefe des Wellenleiters bestimmt die Anzahl der Streumodus-Übergänge. Die Wellenleitertiefe bestimmt auch die Frequenz jeder geführt zu Zustandsübergänge für jede Farbe ^4.

Die Aluminium-Wandler werden durch Abheben gebildet. Nach dem Wellenleiter gebildet werden, widerstehen ein E-Strahl wird auf das Substrat geschleudert. Ein Interdigitalwandler ist mit einem Elektronenstrahl strukturiert verantwortlich dem 200 MHz-Band zu reagieren entwickelt ein gechirptes Wandler zu bilden zum Steuern Farbe in Wellenleitervorrichtungen. Die Fingerperiode wird durch Λƒ = v bestimmt, wo, Λ ist die Fingerperiode, v, ist die Schallgeschwindigkeit in dem Substrat und, ƒ, ist die Hochfrequenz (RF). Der Wandler wird eine Impedanz haben , die auf 75 Ohm für einen effizienten Betrieb ²⁰ abgestimmt sein muss.

<p class = "jove_content"> Die geführte undichte Modus Wechselwirkung tritt bei verschiedenen Frequenzen für verschiedene Wellenlängen des Beleuchtungslichts und als Folge rot, grün und blaues Licht kann im Frequenzbereich gesteuert werden. Die akustische Oberflächenwellenmuster wird von einem HF-Signal an den Interdigitaltransducer gesendet erzeugt. Die RF des Eingangssignals, um Raumfrequenzen auf dem akustischen Oberflächenwellenmuster übersetzen. Der Wellenleiter kann so hergestellt werden, dass niederfrequente Signale, die Winkel Sweep und Amplitude des roten Lichtes zu steuern, während mittlere Frequenzen grünes Licht steuern und hohen Frequenzen zu steuern blaues Licht. Die Autoren haben eine Reihe von Wellenleiterparameter identifiziert, die alle drei dieser Wechselwirkungen erlauben getrennt und benachbart in der Frequenzdomäne zu sein, so dass alle drei Farben können mit einer einzigen 200-MHz-Signal, das das Maximum ist Gebrauchsgutgraphiken Verarbeitungsbandbreite der Einheiten gesteuert werden ( GPUs).

Durch die Bandbreite eines GPU-Kanal passendderjenigen eines Leckwellenmodulator wird das System vollständig parallel und hoch skalierbar. Durch die Zugabe von Bandbreite passende Paare von GPUs und undichte Modus Modulatorkanäle kann eine holographische Displays beliebiger Größe bauen.

Nachdem das Gerät angelegt wird, wird sie sorgfältig zu überprüfen, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen für geführte-to-leaky Modusübergang zur Frequenzsteuerung von Farb geeignet sind. Zunächst werden die Lage der geführten Moden von einem kommerziellen Prismenkoppler bestimmt, um zu bestätigen, dass der Wellenleiter die entsprechende Tiefe und die richtige Anzahl von geführten Moden aufweist. Dann, nachdem die Vorrichtungen befestigt sind und verpackt, sind sie in einem benutzerdefinierten Prismenkoppler angeordnet, die ordnet die Eingangsfrequenzen des Ausgangslichts abgetastet. Die resultierenden Daten gibt die Frequenzeingangsantwort und die Winkelausgangsantwort für Rot, Grün und Blau-Licht für das Gerät zu testen. Wenn das Gerät in die Vorrichtung Eingabeantwort wird korrekt getrennt hergestellt wurdeFrequenz und die Ausgangsantwort wird in Winkel überlappen. Wenn dies bestätigt wird, ist das Gerät bereit für den Einsatz in einem holographischen Videoanzeige.

Die ersten Messungen erfolgen, bevor das Gerät verpackt wurde. Die Wellenleitertiefe wird durch einen kommerziellen Prismenkoppler bestimmt. Dies kann mit nur einer Beleuchtungswellenlänge (typischerweise 632 nm rot) erreicht werden, sondern Autoren haben ihre kommerzielle Prismenkoppler modifiziert, damit sie Mode-Informationen für rot, grün und blaues Licht zu sammeln. Nach dem Verpacken durchläuft die Vorrichtung eine zweite Messung in einem benutzerdefinierten Prismenkoppler die als eine Funktion der Eingangs RF abgelenkten Ausgangslicht aufzeichnet. Eine detaillierte Beschreibung dieser Messungen folgt. Herstellungsschritte sind ebenfalls angegeben.

Protocol

1. Erste Vorbereitung Hinweis: Beginnen Sie mit einer neuen X-Schnitt Lithiumniobat-Wafer. Es sollte auf der Oberfläche abgelagert mit nichts optischer Qualität, 1 mm dick, sauber sein, beidseitig poliert, und die Oberseite markiert. Verwendung eines Elektronenstrahlverdampfer oder äquivalente Maschine bei einem Vakuum von 50 μTorr, verdampfe 200 nm Aluminium auf dem Wafer bei 5 Å / sec. Um die vorgestellten Ergebnisse zu replizieren, positionieren Sie den Wafer Konstellation 65 cm über dem Alum…

Representative Results

Die prinzipiellen Ergebnisse des Protokolls über der geführte Mode Messung vom kommerziellen Prismenkoppler in Abbildung 2, die einzelne Frequenz, raw Eingangs- / Ausgangsdaten gesammelt aus dem maßgeschneiderten Prismenkoppler in Figur gezeigt sind , 8 und die Mehrfarben Kurven in Abbildung 9 gezeigt. in den folgenden Abschnitten diskutieren wir die verwertbare Informationen von jedem dieser Ausgänge erzeugt. <p…

Discussion

Das Design jedes Gerät verfügt über zwei wichtige Schritte, Protonenaustausch und die Entwicklung des LOR. Der beiden bestimmt Protonenaustauschzeit, die Tiefe des Wellenleiters, was wiederum die Anzahl der geführten leaky Zustandsübergänge bestimmt, die steuerbare Frequenzbandbreite, und jedes Schlüsselkonstruktionsparameter für jede Farbe des Lichts. Zwei geführte Moden in rot gewünscht wird. Wenn mehr existieren dann wird die Bandbreite geopfert. Wenn weniger exist dann geführt keine undichte Modus Überga…

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