Karakterisering av Anisotropa Läckande läge modulatorer för 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 flesta holografiska displaytekniker, såsom pixelated ljusventiler samt MEMS-enheter och bulk våg akustooptiska modulatorer, är alltför komplexa för att möjliggöra ett brett deltagande i deras utveckling. Pixelated modulatorer, särskilt de med filterskikt och aktiva bakplan kan kräva massor av mönstrings steg för att bygga ⁵ och kan begränsas av fan-out ^6. Ju större antalet mönstring steg högre enhetens komplexitet, och tätare tillverkningsprotokoll måste vara att uppnå rimlig enhet avkastning ^7. Bulk-våg akustooptiska modulatorer inte lämpar sig för wafer baserade processer ^8,9. Anisotropa läckande läge modulatorer, kräver emellertid endast två mönster steg för att tillverka och använda relativt vanliga mikrotillverkningstekniker ^10,11. Tillgängligheten av dessa processer gör det möjligt för varje institution med blygsamma tillverkningsfaciliteter för att delta i utvecklingen av holographic videodisplayteknik ^12.

Enkelheten i enheten tillverkning kan vara avväpnande, men eftersom en korrekt funktion av enheterna är starkt beroende av vågledare som måste noggrant mätas och justeras för att uppnå önskad enhet egenskaper. Till exempel om vågledaren är för djupt, enhetens driftsbandbredd kommer att smalare ^13. Om vågledaren är för grunt, kan anordningen inte fungerar för röd belysning. Om vågledare glödgas för lång, kommer formen hos vågledaren djup profilen förvrängd, och de röda, gröna och blå övergångar kan inte sitta intill varandra i frekvensdomänen ^14. I detta arbete presenterar författarna de verktyg och tekniker för att utföra denna karakterisering.

Leaky mode modulator består av en proton utbytt vågledare indiffused på ytan av en piezoelektrisk, x-cut litiumniobatsubstrat ^15,16. Vid den ena ändenav vågledaren är en aluminiuminterdigital transduktor, se figur 1. Ljus införes i vågledaren med användning av en prismakopplare ^17. Transduktorn lanserar sedan akustiska ytvågor som interagerar contralinearly med ljus i vågledaren längs y-axeln. Denna interaktion par guidade ljus in en läckande läge som läcker ut från vågledaren in i bulk och slutligen utträder substratet från kantytan ^18,19. Denna interaktion roterar också polarisationen från TE polariserat guidade ljus till TM-polariserat läckande läge ljus. Det ytakustiska vågmönster är hologrammet, och det är i stånd att skanna och forma det utgående ljuset för bildning av en holografisk bild.

Vågledaren är skapad av protonutbyte. För det första är aluminium avsatt på substratet. Då aluminiumet mönstras fotolitografiskt och etsas för att exponera regioner av substratet för att bli vågledarkanaler. Den kvarvarande aluminium fungerar som ett hårtmask. Substratet är nedsänkt i en smälta av bensoesyra som förändrar ytan index i de exponerade områdena. Enheten tas bort, rengöras och glödgades i en muffelugn. Det slutliga djupet hos vågledaren bestämmer antalet läckande lägesövergångar. Vågledaren djup bestämmer även frekvensen för varje guidade-till-mode övergångar för varje färg ^4.

Aluminium omvandlarna är utformade genom liftoff. Efter vågledare är bildade, en E-stråle resist spinns på substratet. En inter givare mönstras med en elektronstråle för att bilda en frekvensvariabel givare för att bemöta den 200 MHz-bandet som ansvarar för styrning av färg i vågledaranordningar. Perioden finger bestäms av Λƒ = v där, Λ, är fingret perioden, v, är ljudhastigheten i substratet och, ƒ, är den radiofrekventa (RF). Omvandlaren kommer att ha en impedans som måste anpassas till 75 ohm för effektiv drift ^20.

<p class = "jove_content"> Den guidade till läckande läge interaktion sker vid olika frekvenser för olika våglängder av belysningsljuset och som ett resultat rött, grönt och blått ljus kan styras i frekvensdomänen. Det ytakustiska vågmönstret genereras av en RF-signal skickas till den interdigitala transduktorn. RF av insignalen översätta till spatiala frekvenser på det ytakustiska vågmönstret. Vågledaren kan tillverkas så att lågfrekvenssignaler styra vinkel svep och amplitud av rött ljus, medan mellanfrekvenser styr grönt ljus och höga frekvenser kontrollerar blått ljus. Författarna har identifierat ett antal vågledare parametrar som gör att alla tre av dessa interaktioner vara separata och angränsande i frekvensdomänen så att alla tre färger kan styras med en enda 200 MHz-signalen som är den maximala bandbredden råvarugrafikprocessorer ( GPU).

Genom matchning av bandbredden för en GPU kanalsom av en läckande läge modulator, blir systemet helt parallella och skalbar. Genom att tillsätta bandbredd matchade par av grafikprocessorer och läckande läge modulator kanaler, kan man konstruera holografiska skärmar av godtycklig storlek.

När enheten har skapats är det noga karakteriseras att kontrollera att frekvenserna för guidad till läckande läge övergången är lämpliga för frekvensstyrning av färg. Först är placeringen av de styrda moder bestäms av en kommersiell prismakopplare för att bekräfta att vågledaren har lämpligt djup och det korrekta antalet styrda moder. Sedan, efter anordningarna monteras och förpackas, placeras de i en anpassad prisma kopplare som avbildar ingångsfrekvenser på det skannade resultatet ljus. Den resulterande data ger frekvensingångssvar och vinkelutgångssvaret för rött, grönt och blått ljus för enheten som ska testas. Om enheten har tillverkats korrekt kommer enheten ingångsreaktions separeras ifrekvensen och den utgående svar kommer att vara överlappande i vinkel. När detta är bekräftat, är anordningen färdig för användning på en holografisk bildskärm.

De första mätningarna ske innan enheten har förpackats. Vågledaren Djupet bestäms av en kommersiell prismakopplare. Detta kan åstadkommas med bara en belysningsvåglängd (typiskt 632 nm röd) men författarna har ändrat sin kommersiella prismakopplare för att kunna samla in lägesinformation för rött, grönt och blått ljus. Efter förpackning, undergår anordningen en andra mätning i en anpassad prismakopplare som registrerar avböjda utgångsljuset som funktion av inmatad RF. En detaljerad beskrivning av dessa mätningar följer. Tillverkningssteg ges också.

Protocol

1. Inledande beredning Obs: Börja med en ny X-cut litiumniobat rån. Det bör vara av optisk kvalitet, 1 mm tjock, ren, med ingenting avsatt på ytan, båda sidorna polerade, och den övre sidan märkt. Med användning av en elektronstråle förångare eller motsvarande maskin vid ett vakuum av 50 μTorr, indunsta 200 nm av aluminium på rånet vid 5 Å / sek. Att replikera de presenterade resultaten, placera skivan konstellationen 65 cm ovanför aluminiumdegel. Snurra på 30 droppar av en …

Representative Results

De principiella resultaten av protokollet ovan är de styrd mod mätningen från kommersiella prismakopplare som visas i figur 2, den enda frekvens, rå in- / utgångsdata som samlats in från den anpassade prismakopplare som visas i figur 8 och de multicolor kurvorna visas i figur 9. i de följande styckena diskuterar vi värdefull information som produceras av var och en av dessa utgångar. <p clas…

Discussion

Utformningen av varje enhet har två viktiga steg, proton utbyte och utveckling av LOR. Av de två, bestämmer protonutbytestiden djupet av vågledare, som i sin tur bestämmer antalet styrs till läckande läge övergångar, den styrbara frekvens bandbredd, och varje nyckel design parameter för varje färg av ljus. Två bundna moder i rött önskas. Om fler finns sedan bandbredd offras. Om mindre existerar då ingen guidad till läckande läge övergång garanteras. Följ anteckningen i steg 2.2.1 för att korrigera 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