Karakterisering van Anisotropisch Leaky Mode Modulators voor 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 meeste holografisch display technologieën, zoals korrelig licht kleppen evenals MEMS en bulk wave akoestisch-optische modulators, zijn te complex om te zorgen voor brede deelname aan de ontwikkeling ervan. Korrelig modulators, vooral die met filter lagen en actieve back vliegtuigen kunnen tientallen patronen stappen te bouwen ⁵ vereist en kan worden beperkt door de fan-out ^6. Hoe groter het aantal patroonvormende stappen hoe hoger het apparaat complexiteit en de strakker de fabricage protocol moet een redelijke opbrengst inrichting ⁷ te bereiken. Bulk-wave akoestisch-optische modulators zich niet lenen voor processen ^8,9 wafer. Anisotropische lekkende mode modulators, vereisen echter slechts twee patronen stappen te fabriceren en te gebruiken relatief standaard microfabricage technieken ^10,11. De toegankelijkheid van deze processen maakt het mogelijk een instelling met een bescheiden assembleert deelnemen aan de ontwikkeling van holographic video display technologie ^12.

De eenvoud van fabricage inrichting kan verleidelijk zijn, echter, zoals de goede werking van de apparaten is sterk afhankelijk van golfgeleiders die zorgvuldig moet worden gemeten en ingesteld op de gewenste eigenschappen inrichting te verkrijgen. Bijvoorbeeld, als de golfgeleider te diep, operationele bandbreedte van het apparaat worden verkleind ^13. Als de golfgeleider te ondiep is, kan het apparaat niet werken voor rode verlichting. Wanneer de golfgeleider te lang gegloeid, zal de vorm van de golfgeleider diepteprofiel vervormd, en de rode, groene en blauwe overgangen mogelijk niet zitten naast in het frequentiedomein ^14. In dit werk presenteren de auteurs de tools en technieken om deze karakterisering uit te voeren.

Leaky modus modulator bestaat uit een proton uitgewisseld golfgeleider indiffused op het oppervlak van een piëzo x-cut lithiumniobaat substraat ^15,16. Aan een eindevan de golfgeleider is een aluminium interdigitale omvormer, zie figuur 1. Licht wordt in de golfgeleider via een prisma ¹⁷ koppelaar. De transducer wordt dan geopend oppervlakte akoestische golven die contralinearly wisselwerking met licht in de golfgeleider langs de y-as. Deze interactie paren geleid licht in een lekkende mode die lekt uit de golfgeleider in de bulk en uiteindelijk verlaat de ondergrond van de rand staan ^​​18,19. Deze interactie roteert ook de polarisatie van TE-gepolariseerd licht geleid tot TM gepolariseerd lekkende mode licht. Het oppervlak akoestische golf patroon is het hologram, en kan scannen en vormen de uitgang licht om een ​​holografisch beeld te vormen.

De golfgeleider is gemaakt door proton-uitwisseling. Eerst wordt aluminium afgezet op het substraat. Dan het aluminium patroon foto-lithografisch geëtst en om gebieden van het substraat bloot te golfgeleiderkanalen worden. De overige aluminium werkt als een hardemasker. Het substraat wordt ondergedompeld in een smelt van benzoëzuur waarvan het oppervlak index in de belichte gebieden verandert. Het apparaat wordt verwijderd, gereinigd en uitgegloeid in een moffeloven. De uiteindelijke diepte van de golfgeleider bepaalt het aantal lekkende functiewissels. De golfgeleider diepte bepaalt ook de frequentie van elk geleid naar functiewissels ⁴ voor elke kleur.

De aluminium transducers worden gevormd door lancering. Na golfgeleiders zijn gevormd, een elektronenbundel resist gesponnen op het substraat. Een interdigitale omvormer een patroon met een elektronenbundel een getsjirpte transducer ontworpen dat zij aan de 200 MHz-band die met de controle kleur golfgeleider inrichtingen vormen. De vinger wordt bepaald door Λƒ = v waar Λ, is de vinger periode, v is de snelheid van geluid in het substraat, ƒ, is de radiofrequentie (RF). De transducer wordt een impedantie die moet worden afgestemd op 75 ohm voor een efficiënte werking ²⁰ hebben.

<p class = "jove_content"> De geleide goed afsluitende wijze interactie plaatsvindt op verschillende frequenties voor verschillende golflengten van belichtingslicht en daardoor rood, groen en blauw licht kan worden geregeld in het frequentiedomein. Het oppervlak akoestische golf patroon wordt geproduceerd door een RF signaal naar de interdigitale omvormer. De RF van het ingangssignaal vertalen naar ruimtelijke frequenties op het oppervlak akoestische golf patroon. De golfgeleider kan worden vervaardigd, zodat laagfrequente signalen controle van de hoekige sweep en amplitude van rood licht, terwijl middenfrequenties controle groen licht en hoge frequenties te controleren blauw licht. De auteurs hebben een aantal golfgeleider parameters waarmee alle drie deze interacties afzonderlijke en aangrenzende in het frequentiedomein worden geïdentificeerd zodat alle drie kleuren kan worden bediend met een enkele 200 MHz signaal dat de maximale bandbreedte van grondstoffen graphics processing units ( GPU's).

Door het afstemmen van de bandbreedte van een GPU-kanaalmet die van een lekkende mode modulator, wordt het systeem volledig parallel en schaalbaar. Door het toevoegen van bandbreedte gelijke paren van GPU's en lekkende mode modulator kanalen, kan men holografische displays van willekeurige grootte te bouwen.

Nadat het apparaat is gemaakt, wordt het zorgvuldig kenmerk te controleren of de frequenties voor geleide naar lekkende modus overgang zijn geschikt voor frequentieregeling kleur. Ten eerste, de locatie van de geleide modi worden bepaald door een commerciële prisma koppeling te bevestigen dat de golfgeleider de juiste hoogte en het juiste aantal geleide modi. Dan, na de apparaten zijn gemonteerd en verpakt, worden ze geplaatst in een aangepaste prisma koppeling die de input frequenties van het gescande licht kaarten. De resulterende gegevens geeft de frequentie-ingang response en de hoekige uitgang respons voor rood, groen en blauw licht voor het apparaat te testen. Als het apparaat correct is gemaakt, zal de inrichting ingangsresponsie worden gescheidenfrequentie en de output reactie zal overlapping in de hoek zijn. Wanneer dit wordt bevestigd, het apparaat klaar voor gebruik in een holografisch beeldscherm.

De eerste metingen plaatsvinden voordat het apparaat is verpakt. De golfgeleider diepte wordt bepaald door een commerciële prisma koppeling. Dit kan worden bereikt met slechts één golflengte verlichting (gewoonlijk 632 nm rood), maar auteurs hebben hun commerciële prisma koppeling gemodificeerd om deze te modusinformatie voor rood, groen en blauw licht te verzamelen. Na de verpakking de inrichting ondergaat een tweede meting in een aangepast prisma gekoppeld kan afgebogen uitgangslicht registreert als een functie van ingevoerde RF. Een gedetailleerde beschrijving van deze metingen volgt. Fabricagestappen worden ook gegeven.

Protocol

1. Eerste Voorbereiding Let op: Begin met een nieuwe X-cut lithiumniobaat wafer. Moet optische kwaliteit, 1 mm dik, schoon, met niets afgezet op het oppervlak, aan beide zijden gepolijst en de bovenzijde aangebracht. Met behulp van een elektronenbundel verdamper of vergelijkbare machine een vacuüm van 50 μTorr, verdampen 200 nm aluminium op de wafer 5 A / sec. Om de gepresenteerde resultaten te repliceren, de positie van de wafer constellatie 65 cm boven de aluminium smeltkroes. Opschroefb…

Representative Results

Het principe resultaten van de bovenstaande protocol zijn de geleide modus gemeten van commerciële prisma koppelaar getoond in figuur 2, de enkele frequentie, rauwe invoer / uitvoer gegevens uit de aangepaste prisma koppelaar getoond in figuur 8 en de veelkleurige curven in figuur 9. in de volgende paragrafen bespreken we de bruikbare informatie die door elk van deze uitgangen. <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page="1…

Discussion

Het ontwerp van elk apparaat heeft twee kritische stappen, proton uitwisseling en ontwikkeling van de LOR. Van de twee protonen uitwisselingstijd bepaalt de diepte van de golfgeleider, waardoor het aantal geleid lekkende functiewissels, de regelbare frequentiebandbreedte, en elke belangrijke ontwerpparameter voor elke kleur licht bepaald. Twee geleide modi in rood gewenst. Als er meer bestaat dan bandbreedte wordt opgeofferd. Als er minder bestaan ​​dan niet begeleid naar lekkende mode overgang wordt gewaarborgd. Vo…

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