Caracterização de anisotrópicos Leaky Modo moduladores para 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

A maioria das tecnologias de displays holográficos, tais como válvulas de luz pixelated, bem como dispositivos MEMS e de onda em massa moduladores óptico-acústico, são demasiado complexos para permitir uma ampla participação em seu desenvolvimento. Moduladores pixelated, especialmente aqueles com camadas de filtro e aviões de volta ativos pode exigir dezenas de etapas de padronização para construir ⁵ e pode ser limitado pela fan-out ^6. Quanto maior o número de passos de modelação quanto maior a complexidade do dispositivo, e quanto mais apertado o protocolo de fabricação deve ser a obtenção de um rendimento razoável do dispositivo ^7. -Ondas massa moduladores óptico-acústico não se prestam a wafer processos baseados ^8,9. Anisotrópicos moduladores modo gotejante, no entanto, exigem apenas duas etapas de padronização para fabricar e utilizar técnicas de microfabricação relativamente padrão ^10,11. O acesso a estes processos tornam possível para qualquer instituição com instalações de fabrico de modestos para participar no desenvolvimento da htecnologia de exibição de vídeo olographic ^12.

A simplicidade de fabricação do dispositivo pode ser enganadora, no entanto, como o bom funcionamento dos dispositivos é fortemente dependente de guias de ondas, que tem de ser cuidadosamente medido e ajustado para atingir as características desejadas do dispositivo. Por exemplo, se a guia de onda é muito profundo, largura de banda operacional do dispositivo será estreitada ^13. Se a guia de onda é muito raso, o dispositivo pode não funcionar para iluminação vermelha. Se o guia de ondas é recozido muito tempo, a forma do perfil de profundidade da guia de ondas será distorcida, e as transições de vermelho, verde e azul não pode sentar-se adjacente no domínio da frequência ^14. Neste trabalho os autores apresentam as ferramentas e técnicas para realizar esta caracterização.

O modo modulador permeável é constituído por um guia de ondas de protões trocadas indiffused na superfície de um piezoeléctrico, x-cortado niobato de lítio substrato ^15,16. Numa extremidadedo guia de ondas é um transdutor interdigital de alumínio, ver Figura 1. A luz é introduzida no guia de ondas usando um acoplador prisma ^17. O transdutor seguida lança ondas acústicas que interagem com contralinearly luz no guia de ondas ao longo do eixo y da superfície. Esta interacção casais guiadas luz num modo gotejante que escapa para fora da guia de ondas para a granel e finalmente sai do substrato a partir da aresta da face ^18,19. Essa interação também gira a polarização da luz TE guiada polarizada TM luz polarizada modo gotejante. O padrão de onda acústica de superfície é o holograma, e é capaz de digitalizar e formação da luz de saída, para formar uma imagem holográfica.

O guia de ondas é criado por permuta de protões. Em primeiro lugar, o alumínio é depositado sobre o substrato. Em seguida, o alumínio é modelado foto-litografia e gravado para expor regiões do substrato para se tornar canais de guia de onda. O restante de alumínio actua como um discomáscara. O substrato é imerso numa massa fundida de ácido benzóico, que faz variar o índice de superfície nas regiões expostas. O dispositivo é removido, limpo e recozidas num forno de mufla. A profundidade final de guia de ondas determina o número de transições de modo gotejantes. A profundidade de guia de onda também determina a frequência de cada transições guiadas-se o modo para cada cor ^4.

Os transdutores de alumínio são formadas por descolagem. Depois de guias de ondas são formados, um E-feixe resistir é girada sobre o substrato. Um transdutor interdigital está modelado com um feixe de electrões para formar um transdutor piava concebido para responder à banda de 200 MHz responsável por controlar a cor em dispositivos de guia de onda. O período de dedo é determinado pela Λƒ = V, em que, Λ, é o período de dedo, V, é a velocidade do som no substrato e, ƒ, é a frequência de rádio (RF). O transdutor terá uma impedância que devem ser iguais para 75 ohms para um funcionamento eficaz ^20.

<p class = "jove_content"> O guiada à interação modo gotejante ocorre em freqüências diferentes para diferentes comprimentos de onda da luz de iluminação e, como resultado da luz vermelha, verde e azul pode ser controlada no domínio da frequência. O padrão de onda acústica de superfície é gerado por um sinal de RF enviada para o transdutor interdigital. A RF do sinal de entrada traduzir para frequências espaciais sobre o padrão de onda acústica de superfície. O guia de ondas pode ser fabricado de modo a que os sinais de baixa frequência controlar a varredura angular e amplitude da luz vermelha, enquanto frequências médias controlar a luz verde e altas frequências controlar a luz azul. Os autores identificaram um conjunto de parâmetros de guia de onda que permitem que todos os três destas interacções de ser separado e adjacente no domínio da frequência, para que todas as três cores pode ser controlada com um único sinal de 200 MHz, o que é a largura de banda máxima de unidades de matérias-primas de processamento gráfico ( GPUs).

Ao combinar a largura de banda de um canal de GPUpara o de um modulador de modo permeável, o sistema torna-se totalmente paralela e escalável. Ao adicionar largura de banda pares combinados de GPUs e os canais de modo modulador com vazamentos, pode-se construir telas holográficas de tamanho arbitrário.

Depois que o dispositivo é criado, ele é cuidadosamente caracterizado para verificar se as frequências para transição de modo guiado-to-gotejante são apropriadas para o controle de cor frequência. Em primeiro lugar, a localização dos modos guiados são determinados por um acoplador de prisma comercial para confirmar que a guia de onda tem a profundidade apropriada e o número correcto de modos guiados. Em seguida, depois de os dispositivos são montados e empacotados, que são colocados em um acoplador de prisma personalizado que mapeia as frequências de entrada da luz de saída digitalizado. Os dados resultantes dá a resposta entrada de frequência e a resposta de saída angular para a luz vermelha, verde e azul para o dispositivo a ser testado. Se o dispositivo tiver sido correctamente fabricados, o dispositivo de entrada de resposta será separado emfrequência e a resposta de saída será sobreposição no ângulo. Quando isto for confirmado, o dispositivo está pronto para uso num monitor de vídeo holográfico.

As primeiras medições ter lugar antes do dispositivo foi embalado. A profundidade de guia de onda é determinado por um acoplador de prisma comercial. Isso pode ser feito com apenas um comprimento de onda de iluminação (tipicamente 632 nm vermelho) mas os autores alteraram o seu acoplador de prisma comercial para permitir que ele para reunir informações modo de luz vermelha, verde e azul. Após o acondicionamento, o dispositivo é submetido a uma segunda medição de um acoplador de prisma personalizada que regista luz deflectida de saída como uma função de entrada de RF. Uma descrição detalhada destas medições segue. etapas de fabricação são também dadas.

Protocol

1. Preparação inicial Nota: Comece com um novo X-cut wafer niobato de lítio. Deve ser de grau óptico, 1 mm de espessura, limpo, sem nada depositada sobre a superfície, ambos os lados polido, e o lado de cima marcado. Utilizando um evaporador de feixe de electrões ou máquina equivalente a um vácuo de 50 μTorr, evapora-se a 200 nm, de alumínio sobre a bolacha a 5 A / s. Para replicar os resultados apresentados, posicionar a constelação wafer 65 cm acima do cadinho de alumínio. Gir…

Representative Results

Os principais resultados do protocolo acima são a medição modo guiado a partir do acoplador prisma comercial mostrado na Figura 2, a única frequência, os dados de entrada em bruto / reunidas de o acoplador de prisma personalizado mostrado na Figura 8, e as curvas multicolor mostrado na Figura 9. nos parágrafos seguintes, vamos discutir a informação acionável produzido por cada uma dessas saídas. <p class="jove_content" fo:k…

Discussion

O projeto de cada dispositivo tem dois passos críticos, intercâmbio e desenvolvimento da LOR próton. Dos dois, o tempo de troca de protões determina a profundidade do guia de ondas, que por sua vez determina o número de transições guiado para gotejantes modo, a largura de banda de frequências controlável, e cada parâmetro chave de concepção para cada cor da luz. Dois modos guiados em vermelho é desejada. Se mais existe, então a largura de banda é sacrificado. Se menos existe, então não guiada a transiç…

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