Holovideo에 대한 이방성 새는 모드 변조기의 특성
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 fabricate1-3. 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
이러한 픽셀 화 광 밸브뿐만 아니라 MEMS 디바이스 및 벌크 파 음향 광학 변조기와 같은 대부분의 홀로 그래픽 디스플레이 기술은, 그 개발에 광범위 참여를 허용하기에 너무 복잡하다. 픽셀 화 조절, 필터 층과 활성 다시 비행기와 특히 5를 구축하는 패터닝 단계의 수십 필요할 수 있습니다 및 팬 아웃 (6)에 의해 제한 될 수 있습니다. 상기 장치의 복잡성 높은 패터닝 수가 단계 이상, 엄격한 제조 프로토콜은 적절한 디바이스 수율 7을 달성해야한다. 벌크 파 음향 광학 변조기는 기반 프로세스 8,9을 웨이퍼에 자신을 빌려하지 않습니다. 이방성 누설 모드 조절제 그러나 제조 상대적 표준 마이크로 제작 기술을 이용할 10,11 두 개의 패터닝 단계를 필요로한다. 적당한 제조 시설 어떠한 기관 (H)의 개발에 참여하는 이러한 프로세스의 액세스가 가능하게olographic 비디오 디스플레이 기술 (12).
장치의 적절한 기능을주의 깊게 측정되고, 원하는 소자 특성을 얻기 위해 조정되어야 도파로 따라 크게 의존으로 소자 제조의 단순하지만 재미있는 일 수있다. 도파가 너무 깊은 경우, 예를 들어, 장치의 동작 대역폭은 13 좁아 질 것이다. 도파관 너무 얕은 경우, 장치는 적색 조명 작동하지 않을 수있다. 도파가 너무 오랫동안 어닐링하면, 도파로의 깊이 프로파일의 형상이 왜곡되며, 적색, 녹색 및 청색 변환은 주파수 영역 (14)에 인접하게 앉을 수있다. 이 연구에서 저자는이 특성을 수행 할 도구와 기술을 제시한다.
프로톤은 니오브 산 리튬 기판 (15, 16)을 컷 X, 압전체의 표면에 indiffused 도파로 교환의 누설 모드 변조기로 구성된다. 일단도파관은 알루미늄 인터 디지털 트랜스 듀서 인의도 1 참조. 광은 프리즘 커플러 (17)를 이용하여 도파로 안으로 도입된다. 변환기는 y 축을 따라 광 도파로 contralinearly 상호 탄성 표면파 시작. 대량으로 도파관 밖으로 누출 마지막 가장자리에서 기판을 종료 새는 모드로 빛을 안내 이러한 상호 작용의 커플 (18, 19)에 직면 해있다. 이러한 상호 작용은 TM이 새는 모드 편광에 TE 편광 안내 빛의 편광을 회전합니다. 탄성 표면파 패턴 홀로그램이며, 홀로그램 스캐닝 및 이미지를 형성하는 출력 광을 형성 할 수있다.
도파관은 양성자 교환에 의해 생성된다. 먼저, 알루미늄 기판 상에 증착된다. 이어서 알루미늄 도파로 채널이 될 기판의 영역을 노출하는 포토 리소그래피 및 에칭을 패터닝한다. 나머지 알루미늄 하드의 역할마스크. 기판은 노출 된 영역에서의 표면의 인덱스를 변경 벤조산의 융액에 침지된다. 장치가 제거 및 세척 머플로에서 어닐링된다. 도파관의 최종 깊이를 누설 모드 전환의 수를 결정한다. 도파로의 깊이는, 각 색 (4)의 각 안내 투 모드 천이의 주파수를 결정한다.
알루미늄 변환기는 리프트 오프에 의해 형성된다. 도파로가 형성된 후, E-빔은 기판 상에 스핀 레지스트. 인터 디지털 트랜스 듀서는 도파관 장치의 색상을 제어하는 책임이 200 MHz 대역에 응답하도록 설계된 처핑 변환기를 형성하기 위해 전자 빔을 패터닝한다. 손가락 기간 Λƒ = 손가락 기간이며, Λ V, V에 의해 결정되는, ƒ, 무선 주파수 (RF)는이고, 상기 기판의 음속이고. 트랜스 듀서는 효율적인 운영 20 75 옴 일치해야 임피던스를해야합니다.
<리키 모드 상호 작용으로 유도 P 클래스 = "jove_content는"> 조명광의 다른 파장에 대해 서로 다른 주파수 및 적색, 녹색 및 청색 광 주파수 영역에서 제어 될 수있는 결과로 발생한다. 탄성 표면파 패턴이 빗형 전극에 전송되는 RF 신호에 의해 생성된다. 입력 신호의 RF 탄성 표면파 패턴의 공간 주파수로 변환. 저주파 신호가 붉은 빛의 각도 스위프 및 진폭을 조절하도록 중간 주파수 그린 광을 제어하고 고주파 청색광을 제어하면서 도파로가 제조 될 수있다. 저자들은 이러한 상호 작용의 세 가지 주파수 영역에서 분리되고 인접되도록 도파로 파라미터 세트를 식별 그래서 3 색은 범용 그래픽 처리 장치의 최대 대역폭 (단일 200 MHz의 신호에 의해 제어 될 수 있다는 GPU를).GPU를 채널의 대역폭을 일치하여새는 모드 변조기의에, 시스템이 완전히 병렬 및 확장 성이 뛰어난된다. 의 GPU 및 누설 모드 변조기 채널의 대역폭이 일치하는 쌍을 추가함으로써, 하나는 임의의 크기의 홀로그램 디스플레이를 구성 할 수있다.
장치를 만든 후, 그것을 신중하게 안내 – 투 – 누설 모드 전환을위한 주파수 색상의 주파수 제어에 적합한 지 확인하는 것을 특징으로한다. 우선, 가이드 모드의 위치는 도파로 적절한 깊이와 가이드 모드 중 정확한 번호가 있는지 확인 상업적 프리즘 커플러에 의해 결정된다. 장치가 장착되고 패키지 된 후,이어서, 이들은 스캔 출력 광의 입력 주파수 매핑 정의 프리즘 커플러에 배치된다. 결과 데이터는 주파수 응답 및 입력 장치가 테스트 될 때까지 적색, 녹색 및 청색 광에 대한 각 출력 응답을 준다. 장치가 올바르게 조립되어있는 경우, 디바이스 입력 응답이 분리 될주파수 및 출력 응답은 각도 중첩 될 것이다. 이것이 확인되면, 상기 장치는 홀로 그래픽 비디오 디스플레이에 사용하기위한 준비가되어있다.
기기가 포장되기 전에 첫 번째 측정이 일어난다. 도파관 깊이 상업적 프리즘 커플러에 의해 결정된다. 이것은 단지 하나의 조명 파장이 달성 될 수있다 (일반적으로 632 nm의 적색)하지만 저자는 적색, 녹색 및 청색 광에 대한 모드 정보를 수집 할 수 있도록 상업 프리즘 커플러를 수정했다. 패키징 한 후, 장치는 RF 입력의 함수로서 편향된 출력 광 기록 맞춤 프리즘 커플러의 두 번째 측정을 거친다. 이러한 측정의 상세한 설명은 다음과 같다. 제조 단계도 제공됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
각각의 장치의 설계는 두 가지 중요한 단계, 프로톤 교환 및 LOR 개발을 갖는다. 이들의, 양자 교환 시간은 결국 누설 모드 천이 제어 가능한 주파수 대역폭, 광의 각 색마다 중요한 설계 파라미터로 유도 수를 결정 도파로의 깊이를 결정한다. 빨간색 두 가이드 모드가 요구된다. 이상이 다음에 해당하는 경우 대역폭이 희생된다. 작은 존재가 일절가 새는 모드 전환을 유도하는 경우 보장되지 않습?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 감사 공군 연구소 계약 FA8650-14-C-6571에서와 DAQRI LLC에서 재정 지원을 인정합니다.
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 |
Referenzen
- Smalley, D., Smithwick, Q., Bove, V., Barabas, J., Jolly, S. Anisotropic leaky-mode modulator for holographic video displays. Nature. 498 (7454), 313-317 (2013).
- Smalley, D., Smithwick, Q., Bove, V. Holographic video display based on guided-wave acousto-optic devices. Proc. SPIE. 6488, 64880L-64880L-7 (2007).
- Smalley, D. . Holovideo on a stick: integrated optics for holographic video displays. , (2013).
- Henrie, A., Haymore, B., Smalley, D. Frequency division color characterization apparatus for anisotropic leaky mode light modulators. Rev Sci Instrum. 86 (2), (2015).
- Lawes, R. . MEMS Cost Analysis: Basic Fabrication Processes. , (2014).
- Pearson, E. . Mems spatial light modulator for holographic displays. , (2001).
- Tabata, M. Risk and Mobility: A Case Study of the Thin-Film Transistor Liquid-Crystal Display Industry in East Asia. East Asian Science, Technology and Society. 9 (2), 151-166 (2015).
- Pape, D., Goutzoulis, A., Kulakov, S. . Design and fabrication of acousto-optic devices. , (1994).
- Chang, I., Lee, S. Efficient Wideband Acuosto-Optic Bragg Cells. Ultrasonics Symposium. , 427-430 (1983).
- Proklov, V., Korablev, E. Multichannel waveguide devices using collinear acousto-optic interaction. Proc. SPIE. 1932, 298-311 (1993).
- Ito, K., Kawamoto, K. An optical deflector using collinear acoustooptic coupling fabricated on proton-exchanged LiNbO 3. Jpn. J. Appl. Phys. 37 (9R), 4858 (1998).
- Smalley, D., Smithwick, Q., Barabas, J., Jolly, S., DellaSilva, C. Holovideo for everyone: a low-cost holovideo monitor. J Phys Conf Ser. 415 (1), 012055 (2013).
- McClaughlin, S., Leach, C., Henrie, A., Smalley, D., Jolly, S., Bove, V. Frequency Division of Color for Holovideo Displays using Anisotropic Leaky Mode Couplers. Optical Society of America, 2015. , (2015).
- McLaughlin, S., Leach, C., Henrie, A., Smalley, D. Optimized guided-to-leaky-mode device for graphics processing unit controlled frequency division of color. Appl. Opt. 54 (12), 3732-3736 (2015).
- Jackel, J., Rice, C., Veselka, J. Proton exchange for high-index waveguides in LiNbO3. Appl. Phys. Lett. 41 (7), 607-608 (1982).
- Wong, K. . Properties of lithium niobate. , (2002).
- Tien, P., Ulrich, R. Theory of prism-film coupler and thin-film light guides. JOSA. 60 (10), 1325-1337 (1970).
- Tsai, C. . Guided-wave acousto-optics: interactions, devices, and applications. , (1990).
- Proklov, V., Korablev, E. Multichannel waveguide devices using collinear acousto-optic interaction. Proc. SPIE. 1932, 298-311 (1993).
- Li, R. . Circuit Design. , (2012).
- Lawrence, C. The mechanics of spin coating of polymer films. Phys. Fluids. 31 (10), 2786-2795 (1988).
- Fontana, R., Katine, J., Rooks, M., Viswanathan, R., Lille, J., MacDonald, S., et al. E-beam writing: a next-generation lithography approach for thin-film head critical features. IEEE Trans. Magn. 38 (1), 95-100 (2002).
- Robertson, M. . Substrate Surface Preparation Handbook. , (2011).
- Monneret, S., Flory, F., et al. M-lines technique: prism coupling measurement and discussion of accuracy for homogeneous waveguides. J Opt A-Pure Appl Op. 2 (3), 188 (2000).
