Caracterización de anisotrópico de modo que gotean moduladores para holovídeo

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 mayoría de las tecnologías de pantallas holográficas, tales como válvulas de luz pixelada así como los dispositivos MEMS y moduladores acústico-ópticos de onda mayor, son demasiado complejos para permitir una amplia participación en su desarrollo. Moduladores pixelados, especialmente aquellos con capas de filtro y planos traseros activas pueden requerir docenas de pasos de modelado para construir ⁵ y puede ser limitado por fan-out ^6. Cuanto mayor es el número de patrones pasos cuanto mayor es la complejidad del dispositivo, y cuanto más apretado el protocolo de fabricación debe ser lograr un rendimiento razonable dispositivo ^7. Moduladores acústico-ópticos de onda mayor no se prestan a la oblea procesos basados ^​​8,9. Anisotrópicas modo que gotea moduladores, sin embargo, requieren sólo dos pasos de modelado para fabricar y utilizar técnicas de microfabricación relativamente estándar ^10,11. La accesibilidad de estos procesos hacen posible que cualquier institución a instalaciones de fabricación modestos para participar en el desarrollo de hLa tecnología de visualización de vídeo ológrafo ^12.

La simplicidad de la fabricación del dispositivo puede ser seductora, sin embargo, como el correcto funcionamiento de los dispositivos es fuertemente dependiente de las guías de ondas que deben ser cuidadosamente medido y ajustado para conseguir las características deseadas del dispositivo. Por ejemplo, si la guía de onda es demasiado profundo, ancho de banda operativo del dispositivo se reducirá ^13. Si la guía de onda es demasiado bajo, el dispositivo no puede trabajar para iluminación roja. Si la guía de ondas es recocido demasiado largo, la forma del perfil de profundidad de la guía de ondas será distorsionada, y las transiciones de color rojo, verde y azul no puede sentarse adyacente en el dominio de la frecuencia ^14. En este trabajo los autores presentan las herramientas y técnicas para realizar esta caracterización.

El modulador de modo que gotea se compone de un protón intercambió guía de ondas indiffused en la superficie de un piezoeléctrico, X-Cut sustrato de niobato de litio ^15,16. En un extremode la guía de ondas es un transductor interdigital de aluminio, véase la figura 1. La luz se introduce en la guía de ondas usando un acoplador de prisma ^17. El transductor entonces lanza ondas acústicas que interactúan contralinearly con la luz en la guía de ondas a lo largo del eje y la superficie. Esta interacción parejas guiadas luz en un modo de fugas que se escapa de la guía de ondas en la masa y, finalmente, sale del sustrato desde el borde de la cara ^18,19. Esta interacción también gira la polarización de la luz guiada TE polarizado de luz polarizada TM modo de fugas. El patrón de ondas acústicas de superficie es el holograma, y ​​es capaz de escanear y la configuración de la luz de salida para formar una imagen holográfica.

La guía de onda es creada por intercambio de protones. En primer lugar, el aluminio se deposita sobre el sustrato. A continuación, el aluminio es el modelo foto-litografía y grabado para exponer regiones del sustrato a ser canales de guía de ondas. El aluminio restante actúa como un discomáscara. El sustrato se sumerge en una masa fundida de ácido benzoico que altera el índice de superficie en las regiones expuestas. El dispositivo se retira, se limpia y recocida en un horno de mufla. La profundidad final de la guía de onda determina el número de transiciones de modo que gotean. La profundidad de la guía de ondas también determina la frecuencia de cada transiciones guiadas a modo para cada color ^4.

Los transductores de aluminio se forman por el despegue. Después se forman las guías de ondas, un E-beam resistir se hila sobre el sustrato. Un transductor interdigital se modela con un haz de electrones para formar un transductor modulada pulsada diseñado para responder a la banda de 200 MHz responsable de controlar el color en los dispositivos de guía de ondas. El período de dedo se determina por Λƒ = v donde, Λ, es el período de dedo, v, es la velocidad del sonido en el sustrato y, ƒ, es la frecuencia de radio (RF). El transductor tendrá una impedancia que debe ser igualada a 75 ohmios para un funcionamiento eficiente ^20.

<clase p = "jove_content"> El guiado a la interacción con fugas modo se produce a diferentes frecuencias para diferentes longitudes de onda de luz de iluminación y como resultado la luz roja, verde y azul puede ser controlado en el dominio de la frecuencia. El patrón de onda acústica de superficie es generada por una señal de RF enviado al transductor interdigital. La RF de la señal de entrada se traducen en frecuencias espaciales en el patrón de onda acústica de superficie. La guía de ondas puede ser fabricado de manera que las señales de baja frecuencia de control del barrido angular y la amplitud de la luz roja, mientras que las frecuencias medias de control de luz verde y altas frecuencias de control de luz azul. Los autores han identificado un conjunto de parámetros de guía de ondas que permiten a los tres de estas interacciones deberán estar separados y adyacentes en el dominio de la frecuencia para que los tres colores se pueden controlar con una sola señal de 200 MHz, que es el ancho de banda máximo de unidades de procesamiento gráfico de los productos básicos ( GPU).

Haciendo coincidir el ancho de banda de un canal de GPUa la de un modulador de modo que gotea, el sistema se vuelve completamente paralelo y altamente escalable. Mediante la adición de pares emparejados de ancho de banda de las GPU y los canales de modo modulador con fugas, se puede construir pantallas holográficas de tamaño arbitrario.

Después de crear el dispositivo, se caracteriza cuidadosamente para verificar que las frecuencias para transición de modo guiado a fugas son apropiados para el control de frecuencia de color. En primer lugar, la ubicación de los modos guiados están determinados por un acoplador de prisma comercial para confirmar que la guía de ondas tiene la profundidad apropiada y el número correcto de modos guiados. Entonces, después de que los dispositivos están montados y empaquetados, se colocan en un acoplador de prisma costumbre que los mapas de las frecuencias de entrada de la luz de salida escaneada. Los datos resultantes da la respuesta de frecuencia de entrada y salida de la respuesta angular para la luz roja, verde y azul para el dispositivo que desea probar. Si el dispositivo ha sido fabricado correctamente, la respuesta del dispositivo de entrada se separa enla frecuencia y la respuesta de salida serán solapamiento en ángulo. Cuando esto se confirma, el dispositivo está listo para su uso en una pantalla de vídeo holográfico.

Las primeras mediciones se llevan a cabo antes de que el dispositivo ha sido empaquetado. La profundidad de la guía de onda está determinada por un acoplador de prisma comercial. Esto se puede lograr con una sola longitud de onda de iluminación (típicamente 632 nm rojo) pero los autores han modificado su acoplador de prisma comercial para permitir que reúnen información del modo para la luz roja, verde y azul. Después de envasado, el dispositivo se somete a una segunda medición en un acoplador de prisma de encargo que registra la luz de salida desviada como una función de RF de entrada. Una descripción detallada de estas mediciones sigue. también se dan pasos de fabricación.

Protocol

1. Preparación Inicial Nota: Comenzar con un nuevo corte en X oblea de niobato de litio. Debe ser de grado óptico, 1 mm de espesor, limpio, con nada depositado en la superficie, ambos lados pulidos, y el lado superior marcados. El uso de un evaporador de haz de electrones o una máquina equivalente a un vacío de 50 μTorr, evaporar 200 nm de aluminio sobre la oblea en 5 Å / seg. Para replicar los resultados presentados, la posición de la constelación de la oblea 65 cm por encima del crisol de al…

Representative Results

Los resultados principales del protocolo anterior son la medición modo guiado del acoplador de prisma comercial muestra en la Figura 2, la frecuencia única, los datos de entrada sin procesar / salida recogidos del acoplador de prisma personalizado muestran en la Figura 8 y las curvas multicolores muestran en la Figura 9. en los siguientes párrafos se discute la información para la acción producida por cada una de estas salidas. …

Discussion

El diseño de cada dispositivo tiene dos pasos críticos, intercambio de protones y de desarrollo de la LOR. De los dos, el tiempo de intercambio de protones determina la profundidad de la guía de ondas, que a su vez determina el número de transiciones guiada a fugas modo, el ancho de banda de frecuencia controlable, y todos los parámetros clave de diseño para cada color de la luz. se desean dos modos guiados en rojo. Si más existe, entonces se sacrifica ancho de banda. Si existen menos entonces no guiado a modo de…

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