Karakterisering av Anisotrop Leaky Mode Modulatorer for 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

De fleste holografiske skjermteknologier, for eksempel kornete lysventiler samt MEMS enheter og bulk bølge akustooptiske modulatorer, er for komplisert til å tillate for bred deltakelse i deres utvikling. Pixelated modulatorer, spesielt de med filterlag og aktive bak flyene kan kreve flere titalls mønstrings skritt for å bygge ^fem og kan være begrenset av fan-out ^6. Jo større antall av mønstringstrinnene høyere anordningen kompleksitet, og desto tettere fabrikasjonen protokollen må være for å oppnå rimelig anordning utbytte ^7. Bulk-bølge akustooptiske modulatorer ikke egner seg til wafer baserte prosesser ^8,9. Anisotrope lekk modus modulatorer, men krever bare to mønstrings skritt for å dikte og utnytte relativt standard microfabrication teknikker ^10,11. Tilgjengeligheten av disse prosessene gjør det mulig for enhver institusjon med beskjedne produksjonsanlegg til å delta i utviklingen av holographic video skjermteknologi ^12.

Enkelheten av enheten fabrikasjon kan være forførende, men som riktig funksjon av enhetene er sterkt avhengig av bølgeledere som må være nøye målt og justert for å oppnå de ønskede maskinkjennetegn. For eksempel, hvis bølgelederen er for dypt, enhetens operative båndbredde vil bli smalere ^13. Hvis bølgelederen er for grunt, kan det hende enheten ikke fungerer for rødt lys. Dersom bølgelederen glødes for lenge, vil formen på bølgelederen er dybdeprofilen være forvrengt, og de ​​røde, grønne og blå overganger kan ikke sitte tilstøtende i frekvensplanet ^14. I dette arbeidet forfatterne presentere verktøy og teknikker for å utføre denne karakteristikken.

Utett modusmodulator består av en protonutvekslede bølgeleder indiffused på overflaten av et piezoelektrisk, x-snitt litiumniobat substrat ^15,16. I den ene endenav bølgelederen er en aluminiumsinterdigital transduser, se figur 1. Lyset føres inn i bølgelederen ved hjelp av et prisme ¹⁷ kopler. Svingeren startes så akustiske overflatebølger som reagerer contralinearly med lys i bølgelederen langs y-aksen. Denne interaksjonen par åpent lys inn i et utett modus som lekker ut fra bølgelederen inn i hoveddelen og til slutt kommer ut substratet fra kanten vender ^18,19. Denne interaksjonen roterer også polariseringen fra TE polarisert guidet lys til TM polarisert modus lys lekk. Den akustiske overflatebølgemønster er hologrammet, og det er i stand til å skanne og å forme utgangs lys for å danne et holografisk bilde.

Bølgelederen er skapt ved proton-utveksling. Først blir aluminium avsatt på substratet. Da aluminium er mønstret foto-litografisk og etset for å eksponere områder av substratet til å bli bølgelederkanaler. Den gjenværende aluminium virker som et hardtmaske. Substratet er nedsenket i en smelte av benzosyre, som endrer overflateindeksen i de eksponerte områder. Anordningen er fjernet, renset og glødet i en muffelovn. Den endelige dybde av bølgelederen bestemmer antall utette modus overganger. Bølgelederen dybde bestemmer også frekvensen for hver kolonne føre to-modus overganger for hver farge ^4.

Aluminiums transdusere er dannet ved oppskytning. Etter at bølgeledere er dannet, en E-stråle motstå er spunnet på substratet. En interdigital transduser er mønstret med en elektronstråle for å danne et kvitret transduser utformet til å reagere på 200 MHz-båndet er ansvarlig for styring av farge i waveguide enheter. Fingeren perioden blir beregnet Λƒ = v der, Λ, er fingeren periode, v, er hastigheten av lyd i underlaget og, ƒ, er radiofrekvens (RF). Svingeren skal ha en impedans som må matches på 75 ohm for effektiv drift ^20.

<p class = "jove_content"> Guidet til interaksjonen utett modus opptrer ved forskjellige frekvenser for forskjellige bølgelengder av belysning lys og som et resultat av rødt, grønt og blått lys kan styres i frekvensdomenet. Den akustiske overflatebølgemønsteret generert av et RF-signal som sendes til den interdigital transduser. RF av inngangssignalet oversette til romfrekvenser på den akustiske overflatebølgemønster. Bølgelederen kan være fabrikkert slik at lavfrekvente signaler styre vinkel feie og amplitude på rødt lys, mens middel frekvenser kontrollere grønt lys og høye frekvenser kontrollere blått lys. Forfatterne har identifisert et sett av bølgeleder-parametre som gjør at alle tre av disse interaksjonene til å være atskilt og tilstøtende i frekvensdomenet, slik som kan styres alle tre farger med en enkelt 200 MHz signal som er den maksimale båndbredden av råvaregrafikkprosesseringsenheter ( GPU).

Ved å tilpasse båndbredden til en GPU kanalsom i en lekk modusmodulator, blir systemet fullt ut parallelt og svært skalerbar. Ved å legge til båndbredde matchet par av GPUer og lekk modusmodulator kanaler, kan en konstruere holografiske skjermer av vilkårlig størrelse.

Etter at apparatet er opprettet, blir den forsiktig karakteriseres for å verifisere at frekvensene for styrt til lekk-modus overgang er passende for frekvensstyring av farge. For det første er plasseringen av de ledede modi bestemmes ved en kommersiell prisme kopler for å bekrefte at bølgelederen har den riktige dybde og riktig antall ledede modi. Så, etter at enhetene er montert og pakket, plasseres de i en tilpasset prisme kopling som kartinngangs frekvenser av skannede lys. Den resulterende data gir frekvensinngang respons og vinkel utgang respons for rødt, grønt og blått lys for enheten som skal testes. Hvis enheten har blitt fabrikkert riktig, vil enheten innspill respons skilles ifrekvensen og utgangsresponsen vil være overlappende i vinkel. Når dette er bekreftet, er enheten klar til bruk i en holografisk video-skjerm.

De første målingene skje før enheten er pakket. Bølgelederen dybde bestemmes ved en kommersiell prisme kobler. Dette kan oppnås med bare en belysning bølgelengde (vanligvis 632 nm rødt), men forfatterne har endret sin kommersielle prisme kopler for å tillate det å samle modusinformasjon for rødt, grønt og blått lys. Etter pakking, gjennomgår anordningen en andre måling i en tilpasset prisme kopler som registrerer avbøyde utgang lys som en funksjon av inngangs RF. En detaljert beskrivelse av disse målingene følger. Fabrikasjon trinnene er også gitt.

Protocol

1. Initial Forberedelser Merk: Begynn med en ny X-cut litiumniobat wafer. Det bør være optisk grad, 1 mm tykk, ren, uten at noe avsatt på overflaten, på begge sider polert, og oversiden er merket. Ved hjelp av en elektronstråle Fordamper eller tilsvarende maskin på et vakuum på 50 μTorr, fordampe 200 nm av aluminium på wafer ved 5 Å / sek. For å gjenskape de presenterte resultater, plasser wafer konstellasjonen 65 cm over aluminium smeltedigel. Spin på 30 dråper av et positivt b…

Representative Results

De prinsipielle Resultatene av protokollen ovenfor er den ledede modus målingen fra den kommersielle prismet kopleren vist på figur 2, den eneste frekvens, rå inngangs / utgangs-data som er samlet fra den tilpassede prismet kopleren vist i figur 8, og de ​​flerfarget kurvene vist i figur 9. i de følgende avsnitt diskuterer vi praktisk informasjon produsert av hver av disse utgangene. <p class="jove_content" fo:keep-together.w…

Discussion

Utformingen av hver enhet har to viktige skritt, proton utveksling og utvikling av LOR. Av de to, bestemmer dybdebølgelederen, som igjen bestemmer antall guidet til utette modus overganger, det styrfrekvensbånd, og hver viktig designparameter for hver farge av lys proton bytte tid. To guidede moduser i rødt er ønsket. Hvis mer eksistere så båndbredde er ofret. Hvis mindre eksisterer da ingen guidet til lekk modus overgangen er garantert. Følg notatet i trinn 2.2.1 for å rette protonutvekslings ganger for å oppn…

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