Karakterisering af Anisotropisk Utætte tilstand modulatorer til 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 display teknologier, såsom pixeleret lys ventiler samt MEMS-enheder og bulk-bølge akustisk-optiske modulatorer, er for komplekse til at give mulighed for bred deltagelse i deres udvikling. Pixelerede modulatorer, især dem med filterlag og aktive ryg fly kan kræve dusinvis af mønsterdannende trin til at bygge ^fem og kan begrænses ved fan-out ^6. Jo større antallet af mønster trin højere enhedens kompleksitet, og strammere fabrikation protokollen skal være at opnå en rimelig enhed udbytte ^7. Bulk-bølge akustisk-optiske modulatorer ikke egner sig til wafer baserede processer ^8,9. Anisotropisk utæt tilstand modulatorer kræver imidlertid kun to mønsterdannende trin til at fremstille og udnytte relativt standard microfabrication teknikker ^10,11. Tilgængeligheden af ​​disse processer gør det muligt for enhver institution med beskedne fabrikationsfaciliteter til at deltage i udviklingen af ​​holographic video display teknologi ^12.

Enkeltheden enhed fabrikation kan være morsomme, men som den korrekte funktion af enhederne er stærkt afhængig af bølgeledere, som skal være omhyggeligt målt og justeret for at opnå den ønskede enhed karakteristika. For eksempel, hvis bølgelederen er for dybt, enhedens operationelle båndbredde vil blive indsnævret ^13. Hvis den bølge guide er for lavvandet, kan enheden ikke arbejde for rød belysning. Hvis bølgelederen udglødes for længe, ​​vil formen af bølgelederen dybde profil blive forvrænget, og de ​​røde, grønne og blå overgange kan ikke sidde tilstødende i frekvensdomænet ^14. I dette arbejde forfatterne præsentere de værktøjer og teknikker til at udføre denne karakteristik.

Den utætte tilstand modulator består af en proton udvekslet bølgeleder indiffused på overfladen af en piezoelektrisk, x-cut lithiumniobat substrat ^15,16. I den ene endeaf bølgelederen er en aluminium interdigital transducer, se figur 1. Lys indføres i bølgelederen ved anvendelse af en prisme kobler ^17. Transduceren derefter lancerer akustiske overfladebølger, som interagerer contralinearly med lys i bølgelederen langs y-aksen. Denne interaktion par guidede lys ind i en utæt mode, som siver ud af bølgelederen i bulk og endelig forlader underlaget fra kanten står ^18,19. Denne interaktion også roterer polariseringen fra TE polariseret guidet lys til TM polariseret utætte tilstand lys. Overfladen akustiske bølge mønster er hologrammet, og det er i stand til at scanne og forme output lys til dannelse af et holografisk billede.

Bølgelederen er skabt af proton udveksling. Først aluminium aflejret på substratet. Derefter aluminium er mønstret foto-litografisk og ætset for at blotlægge regioner af substratet for at blive bølgelederkanalerne. Den resterende aluminium fungerer som en hårdmaske. Substratet er nedsænket i en smelte af benzoesyre som ændrer overfladen indeks i de eksponerede områder. Enheden fjernes, renses og udglødet i en muffelovn. Den endelige dybde af bølgelederen bestemmer antallet af utætte funktionsovergange. Den waveguide dybde bestemmer også hyppigheden af hver guidede-til-tilstand overgange for hver farve ^4.

Aluminium transducere dannes ved liftoff. Efter bølgeledere er dannet, en E-beam modstå er spundet på substratet. En interdigital transducer er mønstret med en elektronstråle til at danne en pibende transducer designet til at reagere på 200 MHz-båndet er ansvarlig for kontrollen farve i waveguide enheder. Fingeren bestemmes af Λƒ = v hvor Λ, er den finger periode, v, er hastigheden af ​​lyd i underlaget og, ƒ, er den radiofrekvens (RF). Transduceren vil have en impedans, der skal matches til 75 ohm for effektiv drift ^20.

<p class = "jove_content"> Den guidet til utætte tilstand interaktion forekommer ved forskellige frekvenser for forskellige bølgelængder af belysningslys og som et resultat rød, grøn og blå lys kan styres i frekvensdomænet. Overfladen akustiske bølge mønster frembringes af et RF-signal sendes til interdigital transducer. RF af indgangssignalet oversætte til rumlige frekvenser på overfladen akustiske bølge mønster. Bølgelederen kan være fremstillet således, at lavfrekvente signaler styrer vinkelpositionen sweep og amplitude af rødt lys, mens midterste frekvenser styre grønt lys og høje frekvenser styre blåt lys. Forfatterne har identificeret et sæt waveguide parametre, der tillader alle tre af disse interaktioner at være adskilt og støder i frekvensdomænet, således at alle tre farver kan styres med en enkelt 200 MHz signal, som er den maksimale båndbredde af råvare grafiske processorer ( GPU'er).

Ved at sammenholde båndbredden af ​​en GPU kanaltil, at en utæt tilstand modulator, bliver systemet fuldt parallelle og meget skalerbar. Ved at tilføje båndbredde matchede par af GPU'er og utætte tilstand modulator kanaler, kan man konstruere holografiske skærme af vilkårlig størrelse.

Når enheden er oprettet, er det omhyggeligt karakteriseret at kontrollere, at de frekvenser, for guidede-til-utæt tilstand overgang er passende for frekvensstyring af farver. Først placeringen af ​​de guidede tilstande bestemt af en kommerciel prisme kobling at bekræfte, at waveguide har passende dybde og det korrekte antal guidede modes. Så efter enhederne er monteret og pakket, placeres de i en brugerdefineret prisme kobling der kortlægger input frekvenser af det scannede output lys. De resulterende data giver frekvensen input respons og den kantede output respons for rød, grøn og blå lys for enheden, der skal testes. Hvis enheden er blevet fremstillet korrekt, vil enheden input respons adskilles ifrekvens og output svar vil være overlappende i vinkel. Når dette er bekræftet, at enheden er klar til brug i en holografisk videoskærm.

De første målinger finde sted før enheden er blevet pakket. Bølgelederen dybde er bestemt af en kommerciel prisme kobler. Dette kan opnås med kun én belysningsbølgelængde (typisk 632 nm rød), men forfatterne har ændret deres kommercielle prisme kobling til at tillade den at indsamle tilstand oplysninger for rød, grøn og blå lys. Efter pakning indretningen undergår en anden måling i en brugerdefineret prisme kobling som registrerer afrettet output lys som en funktion af input RF. En detaljeret beskrivelse af disse målinger følger. Fabrikationstrin er også givet.

Protocol

1. Indledende forberedelse Bemærk: Begynd med en ny X-cut lithiumniobat wafer. Det bør være optisk kvalitet, 1 mm tyk, ren, med intet aflejret på overfladen, begge sider poleret, og den øverste side mærket. Under anvendelse af en elektronstråle Fordamper eller tilsvarende maskine ved et vakuum på 50 μTorr, fordampe 200 nm af aluminium på waferen ved 5 Å / sek. For at kopiere de præsenterede resultater, placere wafer konstellation 65 cm over aluminium smeltedigel. Spin på 30 drå…

Representative Results

De vigtigste resultater af forskrift ovenfor er den styrede mode måling fra kommercielle prisme kobling vist i figur 2, den enkelt frekvens, rå input / output-data indsamlet fra den tilpassede prisme kobling vist i figur 8 og flerfarvet kurverne vist i figur 9. i de følgende afsnit diskuterer vi de handlingsrettede oplysninger, som hver af disse udgange. Den guidede tilstan…

Discussion

Udformningen af ​​hver enhed har to kritiske trin, proton udveksling og udvikling af LOR. Af de to, proton udveksling tid bestemmer dybden af ​​bølgelederen, som igen bestemmer antallet af guidet til utætte tilstand overgange, den styrbare frekvens båndbredde, og hver tast designparameter for hver farve af lys. To guidede modes i rød ønskes. Hvis mere eksisterer derefter båndbredde ofres. Hvis mindre eksisterer så ikke guidet til utætte tilstand overgang er garanteret. Følg noten i trin 2.2.1 at rette p…

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