Caratterizzazione di anisotropi Leaky modalità modulatori per 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

La maggior parte delle tecnologie di visualizzazione olografiche, come le valvole di luce pixelated così come i dispositivi MEMS e onda di massa modulatori acusto-ottica, sono troppo complessi per consentire un'ampia partecipazione nel loro sviluppo. Modulatori Pixellato, in particolare quelli con strati filtranti e aerei schiena attivi possono richiedere decine di passaggi di patterning per costruire ⁵ e possono essere limitati da fan-out ^6. Maggiore è il numero di patterning i passaggi più alto è il dispositivo di complessità, ed il più stretto il protocollo di fabbricazione deve essere quello di ottenere ragionevoli resa dispositivo ^7. Bulk-onda modulatori acustico-ottico non si prestano a wafer processi basati ^8,9. Anisotrope modulatori modalità che perde, tuttavia, richiedono solo due passi patterning per fabbricare e utilizzare tecniche di microfabbricazione relativamente standard di ^10,11. L'accessibilità di questi processi rendono possibile per qualsiasi istituzione con impianti di fabbricazione modesti di partecipare allo sviluppo di hDisplay tecnologia video olografica ^12.

La semplicità di fabbricazione di dispositivi può essere accattivante, tuttavia, come il corretto funzionamento dei dispositivi dipende fortemente guide d'onda che deve essere accuratamente misurati e regolata per ottenere le caratteristiche desiderate del dispositivo. Ad esempio, se la guida d'onda è troppo profonda, banda operativa del dispositivo verrà ridotto ^13. Se la guida d'onda è troppo poco profonda, il dispositivo potrebbe non funzionare per illuminazione rossa. Se la guida d'onda viene ricotto troppo lungo, la forma del profilo di profondità della guida d'onda sarà distorto, e le transizioni rosso, verde e blu non può sedersi adiacente nel dominio della frequenza ^14. In questo lavoro gli autori presentano gli strumenti e le tecniche per eseguire questa caratterizzazione.

La modalità modulatore leaky costituito da un protone scambiata guida d'onda indiffused sulla superficie di un piezoelettrico, x-cut niobato di litio substrato ^15,16. Ad un'estremitàdella guida d'onda è un trasduttore interdigitale alluminio, vedi Figura 1. La luce viene introdotto nella guida d'onda utilizzando un prisma accoppiatore ^17. Il trasduttore poi lancia superficie onde acustiche che interagiscono contralinearly con luce di guida d'onda lungo l'asse y. Questa interazione coppie guidate luce in un modo che perde, che trapela della guida d'onda in massa e, infine, esce il substrato dal bordo affrontano ^18,19. Questa interazione ruota anche la polarizzazione da TE luce polarizzata guidata a TM luce polarizzata modo che perde. Il modello onda acustica di superficie è l'ologramma, ed è in grado di acquisire e modellare la luce di uscita per formare una immagine olografica.

La guida d'onda è creato da scambio protonico. Innanzitutto, l'alluminio viene depositato sul substrato. Poi l'alluminio è modellato foto-litografica e inciso per esporre regioni del substrato di diventare canali guida d'onda. L'alluminio restante agisce come un hardmaschera. Il substrato viene immerso in una colata di acido benzoico che altera l'indice superficiale nelle regioni esposte. Il dispositivo viene rimosso, pulito e ricotto in forno a muffola. La profondità finale della guida d'onda determina il numero di transizioni modo leaky. La profondità guida d'onda determina anche la frequenza di ogni transizioni guidate-to-mode per ogni colore ^4.

I trasduttori di alluminio sono formate da decollo. Dopo guide d'onda sono formate, una E-beam resist viene filata sul substrato. Un trasduttore interdigitale è modellato con un fascio di elettroni per formare un trasduttore chirped progettato per rispondere alla banda 200 MHz responsabile per il controllo del colore in dispositivi di guida d'onda. Il periodo dito è determinata da Λƒ = v dove, Λ, è il periodo barretta, v è la velocità del suono nel substrato e, ƒ, è la frequenza radio (RF). Il trasduttore avrà una impedenza che deve corrispondere a 75 ohm per il funzionamento efficiente ^20.

<p class = "jove_content"> L'guidato all'interazione modo leaky avviene a frequenze diverse per le diverse lunghezze d'onda della luce di illuminazione e di conseguenza luce rossa, verde e blu può essere controllato nel dominio della frequenza. Il modello d'onda acustica di superficie è generato da un segnale RF trasmesso al trasduttore interdigitale. La RF del segnale di ingresso si traducono in frequenze spaziali sul modello d'onda acustica di superficie. La guida d'onda può essere fabbricato in modo che i segnali a bassa frequenza controllano lo sweep angolare e l'ampiezza di luce rossa, mentre le frequenze medie controllare la luce verde e alte frequenze di controllo della luce blu. Gli autori hanno individuato una serie di parametri di guida d'onda che permettono tutte e tre queste interazioni è separato e adiacente nel dominio della frequenza in modo che tutti i tre colori possono essere controllati con un singolo segnale 200 MHz che è la larghezza di banda massima di unità di elaborazione grafica delle materie prime ( GPU).

Abbinando la larghezza di banda di un canale GPUa quella di una modalità modulatore leaky, il sistema diventa completamente parallelo e altamente scalabile. Con l'aggiunta di larghezza di banda abbinato coppie di GPU e canali modalità modulatore che perde, si può costruire schermi olografici di dimensione arbitraria.

Dopo aver creato il dispositivo, è attentamente caratterizzato per verificare che le frequenze di transizione modo guidato da leaky sono appropriati per il controllo della frequenza di colore. Innanzitutto, la posizione dei modi guidati sono determinati mediante un accoppiatore a prisma commerciale per confermare che la guida d'onda ha la profondità appropriata e il corretto numero di modi guidati. Poi, dopo che i dispositivi sono montati e confezionati, essi sono posti in un accoppiatore a prisma personalizzato che mappa le frequenze di ingresso della luce di uscita digitalizzato. I dati risultanti fornisce la risposta in frequenza di ingresso e la risposta di uscita angolare per luce rossa, verde e blu per il dispositivo da testare. Se il dispositivo è stato fabbricato in modo corretto, la risposta di ingresso dispositivo sarà separato infrequenza e la risposta in uscita saranno sovrapposte in angolo. Quando questo viene confermata, il dispositivo è pronto per l'uso in un display video olografico.

Le prime misure hanno luogo prima che il dispositivo è stato confezionato. La profondità guida d'onda è determinata da un accoppiatore a prisma commerciale. Questo può essere realizzato con una sola lunghezza d'onda di illuminazione (tipicamente 632 nm rosso) ma autori hanno modificato il loro accoppiatore prisma commerciale per permettere di raccogliere informazioni modalità per la luce rossa, verde e blu. Dopo confezione, il dispositivo subisce una seconda misurazione in un accoppiatore a prisma personalizzato che registra la luce di uscita devia in funzione di ingresso RF. Una descrizione dettagliata di tali misurazioni segue. sono anche dato fasi di fabbricazione.

Protocol

1. Preparazione iniziale Nota: Inizia con una nuova niobato di litio di wafer X-cut. Dovrebbe essere grado ottico, spessore di 1 mm, pulita, con niente depositato sulla superficie, entrambi i lati lucidati, e il lato superiore assegnati. Utilizzando un Electron Beam evaporatore o macchina equivalente ad un vuoto di 50 μTorr, evaporare 200 nm alluminio sul wafer a 5 Å / sec. Per replicare i risultati presentati, posizionare la costellazione di wafer di 65 cm sopra il crogiolo di alluminio. …

Representative Results

I principali risultati del protocollo di cui sopra sono la misura modo guidato dal copulante prisma commerciale mostrato in figura 2, la singola frequenza, dati di ingresso grezzi / uscita raccolti dal copulante prisma misura mostrati in Figura 8 e le curve multicolore mostrati in figura 9. nei paragrafi che seguono si discute il informazioni fruibili prodotte da ciascuna di queste uscite. <p class="jove_content" fo:keep-together.wit…

Discussion

La progettazione di ogni dispositivo è dotato di due passaggi critici, scambio protonico e lo sviluppo della LOR. Dei due, tempo di scambio protonico determina la profondità della guida d'onda, che a sua volta determina il numero di transizioni guidata perde modalità, la banda di frequenza controllabile, e ogni parametro di progetto chiave per ogni colore della luce. Due modi guidati in rosso è desiderato. Se esistono più quindi la larghezza di banda è sacrificato. Se meno esiste, non ha guidato la transizione…

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